CN115940821A - 一种无源变频结构和无源变频方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线通信技术领域，公开了一种无源变频结构和无源变频方法。通过输入匹配网络将微波信号以最大效率馈入至场效应晶体管；对馈入的微波信号通过谐振网络进行能量汇聚；根据能量汇聚后的微波信号，通过无源晶体/陶瓷谐振器生成振荡信号；在场效应晶体管中，将馈入的微波信号与生成的振荡信号进行混频，输出混频信号，可实现在无直流电源的条件下的微波变频。同时使用电容类、电感类、电压类、电流类传感器对无源晶体/陶瓷谐振器的谐振峰频率进行调节，还可有效避免输入信号与输出信号之间形成相互干扰，在无源无线的应用场景中可提升信号的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体而言，涉及一种无源变频结构和无源变频方法。
背景技术
在现有的无线通讯系统中一般采用超外差的方式，将低频的信号变频至高频以便信号能够以电磁波的方式在空间中传输，或者将空间中的高频电磁波信号变频至低频以便进行数字化处理。目前实现变频的方式主要是利用半导体元件（混频器）的非线性特性，将待变频信号和本振信号源产生的本振信号相乘，从而得到合频及差频，即实现变频。但这种方式中存在对直流电能的依赖。一方面本振信号源必须供给直流电能才能工作；另一方面混频器往往在提供直流电能的条件下才能实现变频增益，即使混频器可在无直流电能的条件下实现变频效果，但对本振信号的功率要求较高（10-15dBm），多数情况下需要采用放大器对本振信号进行有源放大，仍存在对直流电能的依赖。因此，变频系统必须采用有线供电或电池供电的方式才能工作，造成在使用过程中必须架设电缆或频繁更换电池，极大降低了使用的便利性和设备的可靠性。有鉴于此，特提出本申请。
发明内容
为解决现有技术存在的上述不足，本发明提供一种无源变频结构，采用无需电源即可形成的二维电子气和谐振器件的压电效应，实现微波驱动的无源变频，解决现有的变频技术必须在直流供电的情况下才能工作的问题。
为达到上述发明目的，本发明通过下述技术方案实现：
一方面，提供一种无源变频结构，包括输入匹配网络，用于向所述无源变频结构馈入微波信号，输出混频后的信号，还用于在馈入的微波信号和混频后的信号间形成阻抗匹配；具有二维电子气的晶体管，用于为微波信号建立在漏极与源极之间以及在源极与栅极之间进行无源传输通道，将所述输入匹配网络馈入的微波信号与无源压电类谐振器馈入的振荡信号进行混频，将混频信号反馈至所述输入匹配网络；谐振网络，用于对馈入的微波信号进行能量汇聚，并将能量汇聚后的微波信号馈入无源压电类谐振器，还用于根据无源压电类谐振器的谐振频率进行能量汇集；无源压电类谐振器，用于根据所述谐振网络馈入的微波能量产生振荡信号，并将振荡信号馈入所述具有二维电子气的晶体管；所述输入匹配网络连接所述具有二维电子气的晶体管的漏极，所述谐振网络连接所述具有二维电子气的晶体管的源极，所述无源压电类谐振器连接所述具有二维电子气的晶体管的栅极。
其中，无源晶体/陶瓷谐振器匹配网络为电容式传感器、电感式传感器、电压式传感器、电流式传感器和无源陶瓷谐振器中的一种。
该无源变频结构还包括无源压电类谐振器的匹配网络，所述无源压电类谐振器的匹配网络设置在所述具有二维电子气的晶体管的栅极和所述无源压电类谐振器之间。
该无源变频结构还包括辅助能量传输通路，所述辅助能量传输通路的一端连接在所述具有二维电子气的晶体管的源极和所述谐振网络之间，所述辅助能量传输通路的另一端连接在所述具有二维电子气的晶体管的栅极和所述无源压电类谐振器之间。所述辅助能量传输通路还用于增强谐振网络汇聚的能量向无源压电类谐振器的传输效率。
另一方面，提供一种无源变频方法，包括以下步骤：将微波信号馈入至具有二维电子气的晶体管；对馈入的微波信号通过谐振网络进行能量汇聚；根据能量汇聚后的微波信号，通过无源压电类谐振器生成振荡信号；在所述具有二维电子气的晶体管中，将馈入的微波信号与生成的振荡信号进行混频，输出混频信号。
其中，将微波信号馈入至具有二维电子气的晶体管的方法为：通过输入匹配网络将微波信号以最大效率馈入至具有二维电子气的晶体管。
另外，上述无源变频方法步骤中，通过无源压电类谐振器生成振荡信号的同时，使用电容式传感器、电感式传感器、电压式传感器、电流式传感器和无源陶瓷谐振器中的一种对无源压电类谐振器的谐振峰频率进行调节；输出混频信号之后，对混频信号的频率进行检测，根据检测结果获取传感量。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、一方面利用了具有二维电子气的晶体管中存在的电子迁移沟道，在无需通过直流偏置的情况下建立了场效应晶体管的漏极与栅极之间的信号传输通道，实现了馈入的微波信号在无直流供电的情况下可在晶体管内部的漏极和源极之间传输，并通过谐振网络实现能量汇聚；另一方面利用了无源压电类谐振器的压电效应生成振荡信号，并将馈入的微波信号与振荡信号在场效应晶体管内混频，从而实现了无源变频。在整个结构中，晶体管内二维电子气的建立和无源压电类谐振器振荡信号的产生均无需直流电驱动，摆脱了变频系统对直流电源的依赖，避免了使用过程中线缆的铺设或电池的设置，增强了使用的灵活性和适用范围。2、在无源变频结构的基础上引入电容、电感、电压、电流类传感器和无源陶瓷谐振器，并用作了无源压电类谐振器的匹配元件，使得无源压电类谐振器的振荡频率随电容、电感类传感器的传感量而变化，或通过电压、电流类传感信号引起结电容变化，从而引起振荡频率变化，或通过无源陶瓷谐振器的等效电感、电容变化，引起振荡频率变化，最终引起混频信号的频率变化，从而实现了通过传感信号对馈入的微波信号的频率进行调制，可有效避免输入信号与输出信号之间形成相互干扰，在无源无线的应用场景中可提升信号的可靠性。反之，通过检测输出信号的频率，即可得知传感量的值，从而实现无源无线条件下的变频信息传输，解决了现有无源无线传感器不能主动辐射变频信号的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施1例提供的一种无源变频结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的一种增加了辅助能量传输通路的无源变频结构示意图；
图3为本发明实施例2提供的一种无源变频电路结构示意图；
图4为本发明实施例3提供的一种增加了辅助能量传输通路的同时引入了无源压电类谐振器匹配网络的无源变频结构示意图；
图5为本发明实施例4提供的一种增加了辅助能量传输通路的同时引入了无源压电类谐振器匹配网络的无源变频电路结构示意图。
实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
为解决现有的变频技术必须在直流供电的情况下才能工作的问题，本实施例提供的一种无源变频结构，其基本结构如图1所示，包括一个输入匹配网络、一个具有二维电子气的晶体管、一个谐振网络和一个无源压电类谐振器。其中，输入匹配网络，用于向所述无源变频结构馈入微波信号，以及输出混频后的信号；具有二维电子气的晶体管，用于为微波信号建立在漏极与源极之间以及在源极与栅极之间进行无源传输通道，将所述输入匹配网络馈入的微波信号与无源压电类谐振器馈入的振荡信号进行混频，将混频信号反馈至所述输入匹配网络；谐振网络，用于对馈入的微波信号进行能量汇聚，并将能量汇聚后的微波信号馈入无源压电类谐振器；无源压电类谐振器，用于根据所述谐振网络馈入的微波信号产生振荡信号，并将振荡信号馈入具有二维电子气的晶体管。
在连接方式上，输入匹配网络连接具有二维电子气的晶体管的漏极，谐振网络连接具有二维电子气的晶体管的源极，无源压电类谐振器连接场效应晶体管的栅极。
上述无源变频结构的基本工作原理如下：
微波信号fin从输入匹配网络馈入。由于在具有二维电子气的晶体管内存在电子迁移沟道，这些电子无需通过直流偏置即可在D极（漏极）和G极（栅极）之间形成信号传输通道，使得从输入匹配网络馈入的微波信号fin可D极和G极之间传输；并且，在与S极（源极）连接的谐振网络作用下，微波信号fin于谐振网络的谐振峰频率fR附近实现能量汇聚；汇聚后的能量经由晶体管内的S-G结电容馈入到与G极所连接的无源压电类谐振器，无源压电类谐振器在压电效应作用下产生稳定的振荡信号；该振荡信号经由G极馈入至具有二维电子气的晶体管，并在具有二维电子气的晶体管内与馈入的微波信号fin信号混频，产生混频信号fout，混频信号fout的频率为fin±n·fR，其中n=1,2,3…，由此实现了对微波信号fin的无源变频。
如图2所示，本实施例在上述无源变频结构的基础上还增加了辅助能量传输通路，辅助能量传输通路的一端连接在具有二维电子气的晶体管的源极和所述谐振网络之间，所述辅助能量传输通路的另一端连接在所述具有二维电子气的晶体管的栅极和无源压电类谐振器之间。
综上所述，本实施例提供的一种无源变频结构，一方面利用了具有二维电子气的晶体管中存在的电子迁移沟道，在无需通过直流偏置的情况下建立了漏极与栅极之间的信号传输通道，实现了馈入的微波信号在无直流供电的情况下可在晶体管内部的漏极和栅极之间传输，并通过谐振网络实现能量汇聚；另一方面利用了无源压电类谐振器的压电效应生成振荡信号，并将馈入的微波信号与振荡信号在晶体管内混频，从而实现了无源变频。在整个结构中，晶体管内电子迁移通道的建立和晶体振荡信号的产生均无需直流电驱动，摆脱了变频系统对直流电源的依赖，避免了使用过程中线缆的铺设或电池的设置，增强了使用的灵活性和适用范围。
实施例2
本实施例对实施例1提供的一种无源变频结构进行了实例化，提供了一种如图3所示的无源变频电路。具体而言，输入匹配网络由一个3nH的电感L1和一个5pF的电容C1组成，谐振网络由一个3.3uH的电感L2和一个10pF的电容C2组成，辅助能量传输通路由一个2.2pF的电容C3组成，无源压电类谐振器的振荡频率为24MHz。
连接关系上，电感L1连接具有二维电子气的晶体管的漏极，电容C1的一端连接在电感L1和具有二维电子气的晶体管的漏极之间，电容C1的另一端接地；电容C2的一端连接具有二维电子气的晶体管的源极，电容C2的另一端接地，电感L2的一端连接在电容C2和具有二维电子气的晶体管的源极之间，电感L2的另一端接地；电容C3的一端连接具有二维电子气的晶体管的源极，电容C3的另一端连接具有二维电子气的晶体管的栅极。
实施例3
在实施例1的基础上，本实施例提供了一种如图4所示的改进的无源变频结构，即在实施例1提供的无源变频结构的基础上引入了晶体匹配网络，该晶体匹配网络设置在无源压电类谐振器和具有二维电子气的晶体管的栅极之间。
本实施例选则了电容类传感器作为无源压电类谐振器匹配网络。由于无源压电类谐振器的振荡频率受电容类传感器的影响，当把电容类传感器用作匹配电容时，传感量会造成电容值的变化从而引起谐振网络的谐振峰频率fR的变化，最终引起混频信号的频率fout变化，从而实现了通过传感信号对馈入的微波信号的频率进行调制，可有效避免输入信号与输出信号之间形成相互干扰，在无源无线的应用场景中可提升信号的可靠性。
如图5所示，本实施例将电容类传感器用一个8pF的匹配电容C4表示，匹配电容C4的一端连接在具有二维电子气的晶体管的栅极和无源压电类谐振器之前，匹配电容C4的另一端接地。
另外，通过检测输出的混频信号的频率fout，即可反向获取到知传感量的值，从而实现无源无线条件下的变频信息传输，解决了现有无源无线传感器不能主动辐射变频信号的问题。
实施例4
根据实施例3提供的一种改进的无源变频结构，本实施例相应地提供一种无源变频方法，包括以下步骤：S1.将微波信号馈入至具有二维电子气的晶体管；S2.对馈入的微波信号通过谐振网络进行能量汇聚；S3.根据能量汇聚后的微波信号，通过无源压电类谐振器生成振荡信号；S4.在具有二维电子气的晶体管中，将馈入的微波信号与生成的振荡信号进行混频，输出混频信号。
为了避免馈入的微波信号在具有二维电子气的晶体管内传输过程中产生反射，本实施例在采用输入匹配网络将微波信号以最大效率馈入至场效应晶体管中。
为了解决现有无源无线传感方法无法实现变频信息传输的问题，提升传感信息传输的可靠性，本实施例根据无源变频结构中的无源压电类谐振器频率受控的特性，引入了传感器信号，即在利用无源压电类谐振器生成振荡信号的同时，使用电容类传感器对无源压电类谐振器的谐振峰频率进行调节。由于无源压电类谐振器的振荡频率受无源压电类谐振器匹配电容的影响，当把电容类传感器用作匹配电容时，传感量会造成电容值的变化从而引起谐振网络fR的变化，最终引起谐振网络的谐振峰频率fR的变化，最终引起混频信号的频率fout变化，从而实现了通过传感信号对馈入的微波信号的频率进行调制，可有效避免输入信号与输出信号之间形成相互干扰，在无源无线的应用场景中可提升信号的可靠性。
此外，在输出混频信号之后，对混频信号的频率fout进行检测，根据检测结果获取传感量，从而实现无源无线条件下的变频信息传输，解决了现有无源无线传感器不能主动辐射变频信号的问题。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种无源变频结构，其特征在于，包括
输入匹配网络，用于向所述无源变频结构馈入微波信号，输出混频后的信号；
具有二维电子气的晶体管，用于为微波信号建立在漏极与源极之间以及在源极与栅极之间进行无源传输通道，将所述输入匹配网络馈入的微波信号与无源压电类谐振器馈入的振荡信号进行混频，将混频信号反馈至所述输入匹配网络；
谐振网络，用于对馈入的微波信号进行能量汇聚，并将能量汇聚后的微波信号馈入无源压电类谐振器；
无源压电类谐振器，用于根据所述谐振网络馈入的微波能量产生振荡信号，并将振荡信号馈入所述具有二维电子气的晶体管；
所述输入匹配网络连接所述具有二维电子气的晶体管的漏极，所述谐振网络连接所述具有二维电子气的晶体管的源极，所述无源压电类谐振器连接所述具有二维电子气的晶体管的栅极。
2.根据权利要求1所述的一种无源变频结构，其特征在于，还包括无源压电类谐振器的匹配网络，所述无源压电类谐振器的匹配网络设置在所述具有二维电子气的晶体管的栅极和所述无源压电类谐振器之间。
3.根据权利要求1或2所述的一种无源变频结构，其特征在于，还包括辅助能量传输通路，所述辅助能量传输通路的一端连接在所述具有二维电子气的晶体管的源极和所述谐振网络之间，所述辅助能量传输通路的另一端连接在所述具有二维电子气的晶体管的栅极和所述无源压电类谐振器之间。
4.根据权利要求1或2所述的一种无源变频结构，其特征在于，所述输入匹配网络还用于在馈入的微波信号和混频后的信号间形成阻抗匹配。
5.根据权利要求1或2所述的一种无源变频结构，其特征在于，所述谐振网络还用于根据无源压电类谐振器的谐振频率进行能量汇集。
6.根据权利要求2所述的一种无源变频结构，其特征在于，所述无源压电类谐振器匹配网络为电容式传感器、电感式传感器、电压式传感器、电流式传感器和无源陶瓷谐振器中的一种。
7.根据权利要求3所述的一种无源变频结构，其特征在于，所述辅助能量传输通路还用于增强谐振网络汇聚的能量向无源压电类谐振器的传输效率。
8.一种无源变频方法，其特征在于，包括以下步骤：
将微波信号馈入至具有二维电子气的晶体管；
对馈入的微波信号通过谐振网络进行能量汇聚；
根据能量汇聚后的微波信号，通过无源压电类谐振器生成振荡信号；
在所述具有二维电子气的晶体管中，将馈入的微波信号与生成的振荡信号进行混频，输出混频信号。
9.根据权利要求8所述的一种无源变频方法，其特征在于，还包括以下步骤：
通过无源压电类谐振器生成振荡信号的同时，使用电容式传感器、电感式传感器、电压式传感器、电流式传感器和无源陶瓷谐振器中的一种对无源压电类谐振器的谐振峰频率进行调节；
输出混频信号之后，对混频信号的频率进行检测，根据检测结果获取传感量。
10.根据权利要求8或9所述的一种无源变频方法，其特征在于，所述将微波信号馈入至具有二维电子气的晶体管的方法为：通过输入匹配网络将微波信号以最大效率馈入至具有二维电子气的晶体管。
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| CN117749584B (zh) * | 2024-02-21 | 2024-05-10 | 浙江龙感科技有限公司成都分公司 | 一种幅移键控式mdfc传感器、系统及控制方法 |
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| CN115940821B (zh) | 2023-07-25 |
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