CN110176941B - 一种无线无直流电传感信息传输电路及实现方法 - Google Patents

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Abstract

一种无线无直流电传感信息传输电路，属于电子学技术领域。所述传输电路包括收发天线、漏极匹配电路、开路线、传感器、含异质结的晶体管和谐振网络，所述漏极匹配电路的一端与收发天线相连，另一端与含异质结的晶体管漏极相连，含异质结的晶体管源极与开路线相连，含异质结的晶体管栅极通过谐振网络接地，所述传感器的输出端连接于漏极匹配电路与含异质结的晶体管之间；所述漏极匹配电路通过收发天线接收泵浦微波，并传输受传感信息调制后的微波信号至收发天线。本发明电路结构简单，可在小体积、轻重量的条件下实现信息的远程无线传输，使用方便，使用范围广。

Description

一种无线无直流电传感信息传输电路及实现方法
技术领域
本发明属于电子学技术领域，特别涉及一种无线无直流电传感信息传输电路。
背景技术
传感器信息通常以电压或电流信号的形式输出，且信号一般较微弱，这对传感信息的无线传输提出了较高的要求。在传感器系统网络中，传感器输出的信号需要经过信号调理电路处理，再由信息采集中心对调理后的信号进行分析处理，实现传感器的组网。调理电路典型的处理包括电路的隔离、阻抗的变换、电平的转换、放大、滤波、线性化以及各种各样的计算，特别在传感器信息无线传输系统中，调理电路通常需要各种射频电路部件例如振荡器、放大器、滤波器、隔离器等。为了各部件正常工作往往需要直流供电，这就要在系统中增加电池等电源供给设备，这会造成系统体积、重量、电路复杂程度的提升，在一定程度上限制了传感器设备的应用范围，特别是电池供电式的传感器设备，其工作时间受电池容量的限制，如若采用有线供电的方式，又会妨碍传感设备的广泛或密集部署，对传感器组网产生较大的影响。
一种典型的传感器信号调理电路流程[微弱信号的调理电路设计和噪声分析，张金利，西北工业大学，2007]，如图1所示。其基本流程是：传感器输出电信号先进行前置放大，二级放大，再进行信号预处理(滤波、整流、幅度调节等)后，输入到A/D转换器，最后进入数据处理分析中心。但是，这种传感信息的调理传输电路，结构复杂，不能无线传输，使用不便。
发明内容
本发明针对背景技术存在的技术问题，提供了一种无线无直流电传感信息传输电路，实现了传感信息的无线无直流电的传输。
本发明采用的技术方案如下：
一种无线无直流电传感信息传输电路，包括收发天线、漏极匹配电路、开路线、传感器、含异质结的晶体管和谐振网络，所述漏极匹配电路的一端与收发天线相连，另一端与含异质结的晶体管漏极相连，含异质结的晶体管源极与开路线相连，以便由极化激元跃迁产生的受调制的微波信号反射回漏极匹配电路并通过收发天线发射出去，含异质结的晶体管栅极通过谐振网络接地，所述传感器的输出端连接于漏极匹配电路与含异质结的晶体管之间；所述漏极匹配电路通过收发天线接收泵浦微波，并传输受传感信息调制后的微波信号至收发天线。
一种无线无直流电传感信息传输电路的实现方法，收发天线接收泵浦微波信号，经漏极匹配电路后馈入含异质结的晶体管；传感器输出电压通过改变含异质结的晶体管内部的结电容，来控制谐振网络的谐振频率，使得含异质结的晶体管输出与谐振频率相对应的经传感器信息调制后的微波信号，经开路线匹配反射后，再经含异质结的晶体管、漏极匹配电路和收发天线发射出去，实现传感信息的无线无直流电传输。
进一步地，所述含异质结的晶体管可以为异质结双极型晶体管或者场效应管(FET)等；其中，所述场效应管可以为金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或者高电子迁移率晶体管(HEMT)。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供了一种无线无直流电传感信息传输电路，电路通过接收泵浦微波产生频率为fr的微波信号，该微波信号会被电路中传感器输出的电信号调制，调制后的信号从电路经天线以无线的方式发射出去，经由接收电路对该信号进行解调，恢复出传感器所输出的电信号，实现了无线无直流电的传感信息传输。
2、本发明提供的一种无线无直流电传感信息传输电路，电路结构简单，可在小体积、轻重量的条件下实现信息的远程无线传输，使用方便，使用范围广。该电路内部无需直流供电，即不需要电池或有限方式供给能源，因此供能不再受限，器件使用寿命很长。在使用时只需对该电路发射泵浦微波，便可以收到携带有传感信息的微波信号，表现出良好的时效性，且当无泵浦微波照射时，器件处于完全无电的静默状态，不会主动发射微波信号，不会对其他设备产生干扰，具有良好的隐蔽性及共存性。相对于传统传感信息传输电路，该电路把传感信息加载到微波信号上，使传感信息可以通过天线发射出去，且泵浦微波的频率和信息载波信号的频率不同，其载波频率fr还可以根据自身需要通过调节泵浦微波或电路结构控制，方便信号的接收和处理，显示出优秀的抗干扰能力。
附图说明
图1为背景技术提到的典型的传感器信号调理电路的结构图；
图2为本发明提供的一种无线无直流电传感信息传输电路的结构示意图；
图3为本发明无线无直流电传感信息传输电路的测试结果图；采用步进为0.01V的直流电压模拟传感器电压输出，显示输出的受调制的微波信号频率fr随直流电的变化过程。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
如图2所示，为本发明提供的一种无线无直流电传感信息传输电路的结构示意图；包括收发天线、漏极匹配电路、开路线、传感器、含异质结的晶体管和谐振网络，所述漏极匹配电路的一端与收发天线相连，另一端与含异质结的晶体管漏极相连，含异质结的晶体管源极与开路线相连，以便由极化激元跃迁产生的受调制的微波信号反射回漏极匹配电路并通过收发天线发射出去，含异质结的晶体管栅极通过谐振网络接地，所述传感器的输出端连接漏极匹配电路与含异质结的晶体管之间。其中，漏极匹配电路实现天线输出阻抗到晶体管阻抗的匹配，以使泵浦微波更高效地馈入晶体管，并使携带传感信息的微波信号顺利地从匹配电路发射出去，实现收发天线一体。
本发明提供的一种无线无直流电传感信息传输电路，通过收发天线接收泵浦微波，将含异质结晶体管中的极化激元激发到高能级，被激发到高能级的极化激元根据谐振网络的反馈，跃迁到指定能级，产生与谐振网络的谐振频率相对应的微波信号，该信号会受到传感器的调制，经传感器信息调制的信号最终经收发天线发射出去。该调制后的微波信号与传感器的输出电压存在线性的对应关系，这就实现了传感信息的无线无直流电传输。其中，漏极匹配电路与含异质结的晶体管之间并联的传感器，其输出电压会改变晶体管内部的结电容，以此来控制谐振网络的谐振频率，形成载有传感器信息的调频信号。假设馈入的泵浦微波频率fp，谐振网络的谐振频率fr，该传感信息传输电路输出的信号主频率也为fr但受到传感信息的调制。当传感器输出的电压U增加时，谐振网络的结电容变小，使其谐振频率增大。表明该电路输出的受传感信息调制后的信号频率fr(fr为被调制信号主频率)，与传感器的输出电压U呈现正相关的线性关系。
本发明提供的一种无线无直流电传感信息传输电路，输入泵浦微波后，含异质结的晶体管中，基态能级E0的极化激元被激励到更高能级Eh＝Ec+h·fp(h是普朗克常数，fp是泵浦频率)。当Eh能级上不稳定极化激元跃迁到指定能级上时，向外辐射微波能量。利用谐振网络的谐振频率fr处确定指定能级，实现固定的能量通路，该谐振频率fr通过传感器输出电压控制，如图2所示。这样，被激发的极化激元从Eh跃迁到Er，辐射产生的信号频率为fa，其中fa＝fp-fr，该信号频率与传感器输出电压存在线性的对应关系，fa和fr两个频率的信号都载有调制信号，最终携带传感信息从泵浦微波输入端口发射出去。
图3为本发明无线无直流电传感信息传输电路的测试结果图；采用步进为0.01V的直流电压模拟传感器电压输出，显示输出的受调制的微波信号频率fr随直流电的变化过程。由图3(a)到(f)可知，直流电压U从0.01V增加到0.06V，输出频率fr从64.047MHz增加到66.547MHz，表明频率随电压的变化呈线性关系。
本发明提供的一种无线无直流电传感信息传输电路，电路结构简单，通过天线接收泵浦微波并根据传感器的输出电压的调制，实现了无线无直流电的传感信息的传输，可广泛应用于医学、安全、传感、量子技术和电子学等领域。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种无线无直流电传感信息传输电路，包括收发天线、漏极匹配电路、开路线、传感器、含异质结的晶体管和谐振网络，所述漏极匹配电路的一端与收发天线相连，另一端与含异质结的晶体管漏极相连，含异质结的晶体管源极与开路线相连，含异质结的晶体管栅极通过谐振网络接地，所述传感器的输出端连接于漏极匹配电路与含异质结的晶体管之间；所述漏极匹配电路通过收发天线接收泵浦微波，并传输受传感信息调制后的微波信号至收发天线。
2.根据权利要求1所述无线无直流电传感信息传输电路，其特征在于，所述含异质结的晶体管为异质结双极型晶体管或者场效应管，其中，所述场效应管为金属-氧化物半导体场效应晶体管或者高电子迁移率晶体管。
3.一种无线无直流电传感信息传输电路的实现方法，收发天线接收泵浦微波信号，经漏极匹配电路后馈入含异质结的晶体管；传感器输出电压通过改变含异质结的晶体管内部的结电容，来控制谐振网络的谐振频率，使得含异质结的晶体管输出与谐振频率相对应的经传感器信息调制后的微波信号，经开路线匹配反射后，再经含异质结的晶体管、漏极匹配电路和收发天线发射出去，实现传感信息的无线无直流电传输。
4.根据权利要求3所述的无线无直流电传感信息传输电路的实现方法，其特征在于，所述含异质结的晶体管为异质结双极型晶体管或者场效应管，其中，所述场效应管为金属-氧化物半导体场效应晶体管或者高电子迁移率晶体管。
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