一种无线射频能量采集器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开一种无线射频能量采集器，要由两个可调节电感L1、L2，以及整流检波电路所组成；可调节电感L1的一端与无线输入正极端，另一端连接整流检波电路的X端；可调节电感L2的一端与无线输入负极端，另一端连接整流检波电路的Y端。上述整流检波电路均包括4个电容C1-C4，4个NMOS晶体管N1-N4和2个PMOS晶体管P1、P2。本实用新型采用了独特的匹配升压网络，加上改进的高频整流电路，大大地提高了系统的灵敏度和响应速率，可以通过在极短时间内收集微弱的电信号而产生需要的直流电压，从而满足后续系统的正常工作。
【专利说明】一种无线射频能量采集器
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及无线能量传输【技术领域】，具体涉及一种无线射频能量采集器。
【背景技术】
[0002] 无线能量传输是随着对无接触供电的需求不断增加而逐渐发展起来的新技术。无 线能量传输是指能量从能量源传输到电负载的一个过程，这个过程不是传统的用有线来完 成，而是通过无线传输实现。由于该技术不依赖于有线的传输媒介，因而对于有线供电部署 困难的场景尤其是人体内部医用装置和无线传感器网络节点等的供电具有重要的意义。
[0003] 目前有三种基本的无线能量传输方式也即无线充电方式分别为无线电充电、共振 充电和感应充电。无线电充电方式又称电波接收型，能够接收的功率很小，主要用于在便携 式终端提供待机时消耗的功率，或极小功率的设备供能。共振充电方式，其电能发送距离可 达3_4m，而且，可以发送高达几 KW的大功率，适用于机器人，汽车等短距离需要大功率电源 的应用。感应充电方式，利用现代电力电子能量交换技术、磁场耦合技术，借助于现代控制 理论和手段实现能量从静止设备向可移动设备的非接触传递，例如RFID卡。
[0004] 然而，无论是何种类型的无线能量传输方式，其无线能量采集的两个主要性能是 接收灵敏度和转换效率，其中如何提高无线能量传输的能量采集器的接收灵敏度是目前无 线能量传输【技术领域】的关键重要问题。 实用新型内容
[0005] 本实用新型所要解决的技术问题是提供一种无线射频能量采集器，其能够提高无 线射频能量采集器的灵敏度。
[0006] 为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：
[0007] -种无线射频能量采集器，主要由两个可调节电感L1、L2,以及整流检波电路所组 成；可调节电感L1的一端与无线输入正极端，另一端连接整流检波电路的X端；可调节电 感L2的一端与无线输入负极端，另一端连接整流检波电路的Y端。
[0008] 上述整流检波电路均包括4个电容C1-C4,4个NM0S晶体管N1-N4和2个PM0S晶 体管PI、P2 ;NM0S晶体管N1的栅极连接NM0S晶体管N2的源极，NM0S晶体管N2的栅极连 接NM0S晶体管N1的源极；NM0S晶体管N3的栅极和漏极同时连接NM0S晶体管N1的源极， NM0S晶体管Μ的栅极和漏极同时连接NM0S晶体管N2的源极；NM0S晶体管N3的源极连接 PM0S晶体管Ρ2的源极，NM0S晶体管Μ的源极连接PM0S晶体管Ρ1的源极；PM0S晶体管Ρ2 的栅极经电容C3后及NM0S晶体管Ν1的源极经电容C1后，相互连接形成本整流检波电路 的X端。NM0S晶体管Ν1的漏极和NM0S晶体管Ν2的漏极相连形成本整流检波电路的直流 输入端；PM0S晶体管Ρ1的栅极经电容C4后及NM0S晶体管Ν2的源极经电容C2后，相互连 接形成本整流检波电路的Υ端；PM0S晶体管Ρ1的漏极和PM0S晶体管Ρ2的漏极相连形成 本整流检波电路的输出端。
[0009] 所述整流检波电路可以是1个，也可以2个或2个以上。当整流检波电路为2个 或2个以上时，每个整流检波电路的X端均与可调节电感L1的相连，每个整流检波电路的 Y端均与可调节电感L2的相连，第一级整流检波电路的输入端连接外部输入的额定电压信 号，前一级整流检波电路的输出端连接后一级整流检波电路的输入端，最后一级整流检波 电路的输出端向外输出电压输出信号。
[0010] 上述方案中，可调节电感L1和可调节电感L2选型相同，电容C1和电容C2选型相 同，电容C3和电容C4选型相同，NM0S晶体管N1和NM0S晶体管N2选型相同，NM0S晶体管 N3和NM0S晶体管N4选型相同，PM0S晶体管P1和PM0S晶体管P2选型相同。
[0011] 上述方案中，所述4个电容C1-C4的选型均相同，4个NM0S晶体管N1-N4的选型均 相同。
[0012] 与现有技术相比，本实用新型采用了独特的匹配升压网络，加上改进的高频整流 电路，大大地提高了系统的灵敏度和响应速率，可以通过在极短时间内收集微弱的电信号 而产生需要的直流电压，从而满足后续系统的正常工作。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1是一种无线射频能量采集器的电路图。
[0014] 图2是图1的等效原理图。
[0015] 图3是一种无线射频能量采集器的电路模块连接图。
【具体实施方式】
[0016] 实施例1 :
[0017] 本实施例1的一种无线射频能量采集器，如图1所示，其主要由两个可调节电感 L1、L2,以及整流检波电路所组成。可调节电感L1的一端与无线输入正极端，另一端连接整 流检波电路的X端。可调节电感L2的一端与无线输入负极端，另一端连接整流检波电路的 Y端。
[0018] 上述整流检波电路均包括4个电容C1-C4,4个NM0S晶体管N1-N4和2个PM0S晶 体管P1、P2。NM0S晶体管N1的栅极连接NM0S晶体管N2的源极，NM0S晶体管N2的栅极连 接NM0S晶体管N1的源极。NM0S晶体管N3的栅极和漏极同时连接NM0S晶体管N1的源极， NM0S晶体管Μ的栅极和漏极同时连接NM0S晶体管N2的源极。NM0S晶体管N3的源极连 接PM0S晶体管Ρ2的源极，NM0S晶体管Μ的源极连接PM0S晶体管Ρ1的源极。PM0S晶体 管Ρ2的栅极经电容C3后及NM0S晶体管Ν1的源极经电容C1后，相互连接形成本整流检波 电路的X端。NM0S晶体管Ν1的漏极和NM0S晶体管Ν2的漏极相连形成本整流检波电路的 直流输入端。PM0S晶体管Ρ1的栅极经电容C4后及NM0S晶体管Ν2的源极经电容C2后，相 互连接形成本整流检波电路的Υ端。PM0S晶体管Ρ1的漏极和PM0S晶体管Ρ2的漏极相连 形成本整流检波电路的输出端。
[0019] 为了确保对称性，上述可调节电感L1和可调节电感L2选型相同，电容C1和电容 C2选型相同，电容C3和电容C4选型相同，NM0S晶体管Ν1和NM0S晶体管Ν2选型相同， NM0S晶体管Ν3和NM0S晶体管Ν4选型相同，PM0S晶体管Ρ1和PM0S晶体管Ρ2选型相同。 更特别地，在本实用新型优选实施例中，所述4个电容C1-C4的选型均相同，4个NM0S晶体 管Ν1-Ν4的选型均相同。
[0020] 本实用新型的无线射频能量采集器等效原理图如图2所示，其采用匹配升压电路 和整流检波电路组合，实现高灵敏度的无线能量收集。图2中的R_PAD为天线的特性阻抗 50欧姆，L为可调的匹配电感，R_rec和C_rec分别为后继整流检波电路输入端口的等效输 入电阻和电容。图2中，PM0S晶体管P1和P2构成主差分整流电路，NM0S晶体管N1和N2 组合成升压网络，NM0S晶体管N3和N4主要是作二极管的作用。
[0021] 匹配升压电路采用简单有效的L&C匹配网络，将天线接收的射频信号通过匹配升 压以供给后继的整流检波网络，而其中的L为可调节电感，C_rec为后继的至少一个整流检 波电路输入端的等效电容，要求这个电容C_rec尽量小，从而产生大的升压倍数。每个整流 检波电路均对传统的Di-ckson电压整流器加以改进，以提高灵敏度。即NM0S晶体管N3和 N4等效于两个二极管，由于二极管的单向导电性，将NM0S晶体管N1和N2组合产生的高幅 值高频信号加载在由PM0S晶体管P1和P2组成的整流网络的输入端，从而增加整流输出电 压。
[0022] 在输入差分高频正弦信号的作用下，通过调节整流检波电路中M0S晶体管的宽长 比（W/L)来调节整流检波电路的输入端等效电容，使等效电容C_rec尽量偏小。然后调节匹 配升压网络中的电感L。当L&C匹配网络匹配时，匹配升压网络会将天线接收到的无线信号 转化成幅值增大几十倍的同频无线信号。对于整流检波电路而言，较大幅值的输入电压使 整流检波电路中的M0S晶体管工作在线性区。从而使M0S晶体管能正常开启工作。整流检 波电路将输入差分信号经过相干检波产生较高的同幅直流电压。而采用的改进的Dickson 电压整流器能更大的提高输出的直流电压的幅值，远远大于输入信号的幅值，从而满足高 输出直流电压的要求。
[0023] 上述匹配升压电路的工作过程是：
[0024] 设％为匹配升压网络传输给后继的整流检波网络的输入信号，由L-C匹配理论可 得：
[0025]
【权利要求】
1. 一种无线射频能量采集器，其特征在于：主要由两个可调节电感L1、L2,以及整流检 波电路所组成；可调节电感L1的一端与无线输入正极端，另一端连接整流检波电路的X端； 可调节电感L2的一端与无线输入负极端，另一端连接整流检波电路的Y端； 上述整流检波电路均包括4个电容C1-C4,4个NMOS晶体管N1-N4和2个PMOS晶体管 PI、P2 ;NMOS晶体管N1的栅极连接NMOS晶体管N2的源极，NMOS晶体管N2的栅极连接NMOS 晶体管N1的源极；NMOS晶体管N3的栅极和漏极同时连接NMOS晶体管N1的源极，NMOS晶 体管Μ的栅极和漏极同时连接NMOS晶体管N2的源极；NMOS晶体管N3的源极连接PMOS晶 体管P2的源极，NMOS晶体管Μ的源极连接PM0S晶体管P1的源极；PM0S晶体管P2的栅极 经电容C3后及NMOS晶体管Ν1的源极经电容C1后，相互连接形成本整流检波电路的X端； NMOS晶体管N1的漏极和NMOS晶体管N2的漏极相连形成本整流检波电路的直流输入 端；PMOS晶体管P1的栅极经电容C4后及NMOS晶体管N2的源极经电容C2后，相互连接形 成本整流检波电路的Y端；PMOS晶体管P1的漏极和PMOS晶体管P2的漏极相连形成本整 流检波电路的输出端。
2. 根据权利要求1所述的一种无线射频能量采集器，其特征在于：所述整流检波电路 为2个或2个以上；此时，每个整流检波电路的X端均与可调节电感L1的相连，每个整流检 波电路的Y端均与可调节电感L2的相连，第一级整流检波电路的输入端连接外部输入的额 定电压信号，前一级整流检波电路的输出端连接后一级整流检波电路的输入端，最后一级 整流检波电路的输出端向外输出电压输出信号。
3. 根据权利要求1或2所述的一种无线射频能量采集器，其特征在于：可调节电感L1 和可调节电感L2选型相同，电容C1和电容C2选型相同，电容C3和电容C4选型相同，NMOS 晶体管N1和NMOS晶体管N2选型相同，NMOS晶体管N3和NMOS晶体管N4选型相同，PMOS 晶体管P1和PMOS晶体管P2选型相同。
4. 根据权利要求3所述的一种无线射频能量采集器，其特征在于：所述4个电容C1-C4 的选型均相同，4个NMOS晶体管N1-N4的选型均相同。
【文档编号】H02J17/00GK204103611SQ201420638160
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年10月30日 优先权日:2014年10月30日
【发明者】韦保林, 陈 田, 韦雪明, 徐卫林, 段吉海 申请人:桂林电子科技大学