[发明专利]用于短程通信的超低功率无线电设备

说明书

政府条款

本发明是使用根据国家科学基金会授予的CNS1035303号许可的政府支持做出的。政府对本发明有某些权利。

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年6月12日提交的第13/915,749号美国专利申请的优先权，并且要求2012年6月12日提交的第61/658,515号美国临时申请的权益。上面的申请的整个公开内容通过引用合并在本文中。

技术领域

本公开内容涉及低功率无线电设备，更具体地，涉及用在低功率无线电设备中的改进的整流器。

背景技术

通向无线传感器节点在体域网(BAN)内普遍使用的两个重要挑战是小尺寸和低功耗。无线电设备功率通常消耗传感器节点内的总功率的大部分，因此无线电设备功率是在节能设计中的重要瓶颈。用来减小BAN中的功耗的一种技术是使用异步通信，其将较高功率通信无线电设备保持在低功率休眠状态。具有低至50μW的功耗的无线电设备是被用来实现这一点的常见技术。然而，无线电设备一直开启着，并且因此对节点的总能耗贡献显著。需要进一步减小功率以提高传感器节点寿命到能够在BAN中不中断地使用传感器节点的程度。

图1示出了从2005到2012年已公开的超低功率无线电设备(左上)和能量采集器(右下)的功率与灵敏度比较调查。该图被分成两部分：1)消耗电力的低功率无线电设备，以及2)产生电力的能量采集器。

见低功率无线电设备部分，对具有小于-60dBm的灵敏度的无线电设备，-1/2的经验斜率是明显的。诸如在数据速率、架构、RF频率处的放大需要以及出现在无线电设备中的非线性方面的变化的若干参数影响该斜率。调查仅覆盖在BAN研究中常见的超低功率接收器；因此，具有较高功率的蓝牙或Zigbee接收器将位于该线上方很多。出现一个明显的大约50μW功率下限(floor)，在RF处实现增益的最小功率要求导致该功率下限。

在能量采集器部分，在高于-30dBm的灵敏度的数据中，-1/2的经验斜率也是明显的。在-30dBm以下，接收到的电压不足以完全对整流器级段整流(commutate)，并且功率采集效率大幅下降。

当在图1中一起绘制时，能够看到在50μW以下且在-60dBm至-36dBm之间的区域，在该区域中不存在通信。明显地，在该区域的左侧和上方无线电设备已被证实，而在右侧接收到的功率足够高，使得能够使用整流在零功率情况下通信。本工作的目标是：通过把具有-40dBm灵敏度及<1μW功耗的无线电设备作为目标，在外推趋势线的交叉点附近，研究该区域。

因此，本公开内容提出了具有有源区的低功率无线电设备，以应对在图1中的外推趋势线的交叉点附近工作时的上述两个挑战。本部分提供涉及本公开内容的背景信息，其不一定是现有技术。

发明内容

本部分提供了本公开内容的一般概述，并不是本公开内容的全部范围或其全部特征的详尽的公开。

为低功率无线电设备提供唤醒功能。该唤醒功能由天线、整流器和比较器来实现。整流器被配置成接收来自天线的RF信号，并产生具有在出现RF信号时减小的量值的输出。比较器比较来自整流器的输出和基准信号，并输出针对另一无线电部件的激活信号。响应于激活信号，无线电部件将从低功耗模式转变至较高功耗模式。以这种方式，整流器和比较器合作地工作以在出现RF信号时执行唤醒功能。

在本公开内容的一个方面中，整流器大体上包括：有源电路、复制偏置电路和有源反馈电路。有源电路包括第一有源场效应晶体管。有源电路被配置成接收RF信号，并在出现RF信号时进行工作以减小第一有源场效应晶体管的漏极端子处的电压。复制偏置电路还包括第一偏置场效应晶体管，其进行工作以在第一偏置场效应晶体管的漏极端子处输出恒定电压。有源反馈电路具有连接至第一偏置场效应晶体管的漏极端子的输入、以及连接至第一有源场效应晶体管和第一偏置场效应晶体管两者的栅极端子的输出，其中有源反馈电路偏置第一有源场效应晶体管以在亚阈值区工作，以及偏置第一偏置场效应晶体管以在亚阈值区工作。

有源电路能够进一步包括第二有源场效应晶体管和第二偏置场效应晶体管，其中，第二有源场效应晶体管具有耦接至第一有源场效应晶体管的漏极的源极，以及第二偏置场效应晶体管具有耦接至第一偏置场效应晶体管的漏极的源极。

有源反馈电路可以被限定为运算放大器，运算放大器具有连接至第二场效应晶体管的漏极端子的反相端子、连接电压基准电路的非反相端子和连接至第一场效应晶体管和第二场效应晶体管两者的栅极端子的输出端子。