功率收获电路和方法与流程

本发明涉及功率收获电路。

背景技术：

功率收获涉及从环境捕获电磁能量。可以从环境供电的电子电路的示例包括偶尔需要读取传感器值的传感器系统，以及通过发送出ID或验证信号来响应于质问的标识符电路。

除了用于极其低功率的电路之外，通常难以免费从环境收获足够的能量。一般而言，替代性地向电路发送功率信号以利用能量主动加载它。RFID标签是该方案的示例。

然而，存在潜在地可以基于能量收获进行操作的电路，其利用功率收获天线，其中所要求的能量的量非常小。US20120299396A1公开了这样的功率收获解决方案。在能量收获系统中，由单个天线搜集的能量典型地可能不够。因而多个天线可以用于增加总体收获的能量。

功率收获电路典型地包括天线、整流器电路和能量存储电容器。

已知的是，由于针对小信号的整流器传递函数的泰勒展开中的主导2阶项，已知整流器电路设计的DC输出功率在低功率水平处随输入功率二次地缩放。这被解释在论文“Modeling of RF energy scavenging for batteryless wireless sensors with low input power”；Yan Wu；Dept. of Electr. Eng., Eindhoven Univ. of Technol. (TU/e)，荷兰；Linnartz，J.-P.；Hao Gao；Matters-Kammerer，M.K.，其发表在：Personal Indoor and Mobile Radio Communications（PIMRC），2013年9月8-11日的2013 IEEE第24届国际研讨会中。

出于该原因，对于多天线系统，单独整流来自每一个天线的功率并且然后对来自所有分支的能量求和是不具吸引力的。相反，更有效的是首先组合天线信号并且然后进行整流。

然而，仅仅组合信号可能造成以下不合期望的情形：对于功率到来的一些相位角度，天线处的信号将彼此抵消。这样的抵消能发生是不可避免的。

图1示出已知的能量挖掘（scavenging）接收器。它包括接收天线10、最大化来自天线的功率输送的匹配网络12、RF到DC整流器14和诸如电容器或可再充电电池这样的存储能量的能量存储设备16。接收器的关键部分是RF-DC整流器14。图1中所示的一个示例是Dickson电荷泵结构，其将所接收到的RF能量转换成适合于存储的DC形式。Dickson电荷泵的基本构建块是Greinacher电压加倍器18。

到电压加倍器18的输入是正弦波r(t) = Asin(2πfct)，其中A是振幅并且fc是中心频率。在理想情况下，当A足够大时，电压加倍器的输出电容器C上的平衡电压将为2A。由于电容器中存储的能量为E = ½ CV²，因此由电压加倍器挖掘的能量与A²成比例。对于无线传感器中的应用，A由于有限的传输功率和大的传播损失而经常是小的。所存储的能量因而与A⁴成比例。

该四次方是当操作在低输入功率处时对使整流器高效非常严重的限制。如果输入信号A非常弱，整流器变得非常低效。事实上，任何二极管的电流与电压特性在零点（V=0伏，I=0安）附近几乎作为直线。因而对于非常弱的信号，二极管更多地作为具有线性V-I特性的电阻器，并且未能具有整流行为。该整流只有如果V-I特性足够大以经历V-I特性的较高阶非线性项才可以起作用。

对于小电压，明显在阈值以下的二极管电流可以根据二阶级数展开来建模：

I = aV + bV²。

已经存在对以使其可以处置非常高的频率（甚至高达几GHz或几十GHz）和非常低的输入电压的方式设计功率收获电路的众多研究。

本发明瞄准从多个天线收获能量的问题。

存在组合天线信号的已知电路，例如使用在通信和雷达系统中的波束控制和最大比例组合系统。这些技术瞄准通过使来自所有天线的信号相位偏移使得它们同相且相干地（即，相长地）相加使得电压相加在一起来改进信号强度。在最大比例组合系统中，不仅相位而且振幅被调节以优化信噪比。对于具有多个天线的系统，在存在（仅）非相关加性高斯白噪声的情况下，最大比例组合提供最佳信噪比。

在这些系统中，通信基站可以采用天线增益和波束成形，因为其具有用于控制算法的充足功率。然而，对于收获应用，没有用于确保来自具有未知相位差的多个天线的功率的相干聚合的自适应电路的功率。这使得难以在不要求所接收到能量之外的能量的情况下采用可以自适应地且最优地合并来自多个不同定相的输入的功率的整流器和波束成形器。

对于能量收获系统而言所出现的问题在于：功率不可用于操作电路以自适应地调节传入RF信号的相位或振幅。这些电路的输出功率可以小于电路从其电源汲取的功率，这使它们对于能量收获是无用的。

技术实现要素：

本发明由权利要求限定。

根据本发明的一方面，提供了一种用于使用在功率收获系统中的电路，包括：

第一天线，其具有通过输入电容器耦接到求和节点的第一端子和第二端子，第二端子通过第一二极管耦接到求和节点；

第二天线，其具有耦接到第一天线的第二端子的第一端子和通过第二二极管耦接到求和节点的第二端子，

其中求和节点通过输出二极管耦接到输出节点，其中输出电容器被提供在输出节点处。

这些电路组件形成功率收获系统的RF到DC整流器电路的部分。以此方式，本发明提供了一种多天线整流器，其将天线信号的组合实现为整流的部分。这使得天线信号能够被相加而不抵消，并且避免对于在功率收获应用中或许不可能的波束控制的需要。

要指出的是，术语“耦接”可以指示直接连接（通过低电阻连接）或通过其它组件。例如，天线匹配电路可以提供在电路的第一和第二天线以及输入电容器和二极管之间。

第一、第二和输出二极管以及输入和输出电容器可以例如形成电压加倍电路。

电路因而可以被实现为对已知电压加倍电路的修改，以接收多个经整流的天线信号。

电路还可以包括耦接到输出节点的另外的电压加倍电路。两个电压加倍级因而可以用于利用较高电压为负载供电。

在另外的实施例中：

第一天线的第一端子通过第三二极管耦接到第二求和节点；

第二天线的第一端子通过第四二极管耦接到第二求和节点；

第二求和节点通过第二输出二极管耦接到输出节点或第二输出节点；并且

电路包括耦接在第二求和节点与第二天线的第二端子之间的第二输入电容器。

这提供基本上等同的两个电路（第二电路是第三、第四和第二输出二极管以及第二输入电容器），这两个电路可以从第一天线中和第二天线中的不同RF相位收获能量，并且总体上可以收获更多的能量从而使得能够提供更高的能量收获比例。第二电路可以被视为辅助电路。

在一个实现方式中，两个电路起作用以便为相同的输出电容器充电。在该情况下，第三、第四和第二输出二极管以及第二输入电容器可以被视为形成辅助电压加倍电路。在该实施例中，输出电容器可以提供更高电压以便为负载供电。

在另一实现方式中，第二电路向第二输出电容器提供其输出。第一输出节点和第二输出节点在一个示例中用于输出具有相同极性的电压，并且第一天线的第一端子通过正向第三二极管耦接到第二求和节点，并且第二天线的第一端子通过正向第四二极管耦接到第二求和节点。

该布置提供两个电路，两个天线中的每个天线对应一个电路，并且每一个具有其自己的输出电容器。两个电路可以是相同的，但是其中来自一个电路的一个天线端子交叉连接到另一个。

可替换地，一个电路的输出可以是正电压并且另一个电路的输出可以是负电压。输出节点和第二输出节点然后用于输出关于彼此具有相反极性的电压，以及第一天线的第一端子通过反向第三二极管耦接到第二求和节点，并且第二天线的第一端子通过反向第四二极管耦接到第二求和节点。

两个输出电容器可以在接地节点处连接在一起，并且两个天线之间的连接也可以接地。

被适配用于使电压加倍的电压加倍电路在使用时可以被提供在第二（辅助）电路和第一电路的输出节点处。这提供了用于每一个电路的两个级连电压加倍器，例如一个极性一个。

电路还可以包括至少一个另外的天线，其中所述或每一个另外的天线具有耦接到在前天线的第二端子的第一端子和通过相应二极管耦接到求和节点的第二端子。电路因而可以容易地针对三个或更多天线被缩放以满足能量收获的增加的要求。因而更广泛适用的电路被本发明的该实施例提供。

在本发明的第二方面中，由电感、电容或电磁功率输送供电的电子设备（诸如传感器节点）可以使用本发明的电路。电路对于诸如无源RFID标签之类的无源传感器节点而言是特别感兴趣的。传感器节点可以包括用于交换数据的功率输送信道。

另一方面提供了一种功率收获方法，其组合多个天线信号，包括：

通过输入电容器将第一天线的第一端子耦接到求和节点；

对于多个天线中的每一个：

将每一个在后天线的第一天线端子与相应在先天线的第二端子耦接，以及

通过相应二极管从每一个天线的第二天线端子向电压加倍电路的求和节点提供信号。

该方法提供来自两个（或更多）天线的能量的组合作为整流过程的部分。

功率收获方法可以包括：

针对第一极性电源执行所述方法；以及

针对第二、相反极性电源执行所述方法。

附图说明

现在将参照附图来详细描述本发明的示例，其中：

图1示出已知的功率收获电路；

图2示出组合多个天线信号的两个可能方式；

图3示出依照本发明的电路的第一示例；

图4示出依照本发明的电路的第二示例；

图5示出依照本发明的电路的第三示例；

图6示出依照本发明的电路的第四示例；

图7示出依照本发明的电路的第五示例；

图8示出依照本发明的电路的第六示例；以及

图9示出依照本发明的电路的第七示例。

具体实施方式

本发明提供用于在功率收获系统中使用的电路，其中通过相应二极管向求和节点提供来自至少第一和第二天线的信号。求和节点通过输出二极管耦接到输出节点，并且在输出节点处提供输出电容器。这些电路组件形成功率收获系统的RF到DC整流器电路的部分，以及特别地经修改的基于二极管的电压加倍电路。以此方式，天线信号的组合被实现为整流的部分。这使得天线信号能够被相加而不抵消。

存在对组合多个天线信号的问题的基本解决方案。

图2（a）示出两个天线连接15，每一个在串联组合之前被提供给相应整流器14a，14b。整流器14a，14b分别连接到不同天线。整流然后组合的这种方案造成低效率，因为到每一个整流器的输入信号强度是低的。

图2（b）示出在提供给单个整流器14之前串联耦接的两个天线连接15。两个天线连接15分别连接到不同天线。目标是获得两倍大（或对于更多天线而言更大）的电压，但是这只有如果信号具有相同相位才起作用。如果信号以相位延迟到达天线，则需要另外的措施。在极端情形中，到达不同天线的信号是相反相位，并且这些信号将彼此抵消。组合然后整流的该方案因而不能避免空值（null），在此期间整流器对传入信号是不敏感的。

本发明针对保证输入电压在被提供到整流二极管之前尽可能高的问题（特别是当处置多个天线信号时）。本发明的方案是作为整流的部分但是以避免信号抵消问题的方式组合多个天线信号。

以此方式，系统可以用于多个天线，所述多个天线具有其所接收到的信号之间的任意（即，未知）相位。

图3示出依照本发明的电路的基本实现方式。电路基本上是多个天线和RF-DC转换器14的部分的组合。

电路包括第一天线20，第一天线20具有通过输入电容器C1耦接到求和节点24的第一端子22和第二端子26，第二端子26通过第一二极管D1耦接到求和节点24。

第二天线28具有耦接到第一天线的第二端子26（即，在所示示例中的地）的第一端子30和通过第二二极管D2耦接到求和节点24的第二端子32。

求和节点24通过输出二极管38耦接到输出节点36，并且输出电容器C2提供在输出节点处。

图3的电路基本上包括电压加倍电路，但是具有向电路内的求和节点馈送的多个天线。天线信号可以相加而不抵消。

存在至少两个天线信号。二极管D1和D2的目的是保证第一电容器C1被充电至最大可用电压，使得天线信号不抵消掉。这对采用以上解释的四次方效果是有效的。

电路被设计成在没有天线信号之间的相位差的知识的情况下操作。一个天线连接到主电容器C1的一侧，并且另一天线通过二极管连接到电容器C1的另一侧处的求和节点。如以下解释的，另外的天线也可以通过它们自己的相应二极管耦接到该求和节点。引向该求和节点的二极管意味着电容器C1被充电至由耦接到最高电压的二极管确定的水平。

对于一些相位情形，从附加天线和电容器C1的第一侧提供到求和节点的信号之间可能存在零相位差。在该情况下，附加天线不提供附加贡献，但是信号抵消被避免并且仍旧存在来自一个天线的挖掘。

在图3的情况下，如果两个天线信号同相，电路实际上仅从一个天线挖掘。然而，如果信号是相反相位，存在信号的有助益的相加，这给出改进的挖掘效率。

因此，该布置防止信号抵消，而且如果输入相位关系适当的话也可以采用良好的相干信号相加。如果已知多个天线将引起大致类似的相位信号的话，或者如果已知天线将引起大致相反的相位信号的话，电路可以被优化。例如，图3的电路对于相反相位天线信号将更加高效。天线连接32,30的简单反转将使电路对于具有相同相位的天线信号更加高效。

图3的电路可以被视为可以使用在更加复杂的电路内的基本构建块。

如以上提到的，如在图3中的用于组合两个天线信号的方案还可以扩展到三个或更多天线。图4示出针对三个天线20,28,40的等同方案。

第三天线40（和每一个附加天线）具有耦接到在前天线的第二端子的第一端子41和通过相应二极管D3耦接到求和节点24的第二端子42。

在更一般的方面，可以集成更多天线，其中所述或每一个另外的天线具有耦接到在前天线的第二端子的第一端子和通过相应二极管耦接到求和节点的第二端子。电路因而可以形成将天线信号连接到求和节点的二极管的级联阵列。

图5示出具有两个图3的电路的实现方式，其中每一个电路具有其自己的输入和输出电容器。第二电路利用与第一电路相同的参考标记被示出，但是具有撇符号（例如C1'）。每一个电路组合来自两个天线的天线信号，使得两个天线信号耦接到两个电路中。因而存在两个电压加倍器，并且每一个受益于使两个天线信号组合。两个电路的使用使得能够生成增加的电压。两个输出（在电容器C2和C2'上的）在该示例中均具有相同的极性。

在该情况下，第一天线的第一端子通过第三二极管D2'耦接到第二求和节点24'，第二天线的第一端子30通过第四二极管D1'耦接到第二求和节点24'，并且第二求和节点24'通过第二输出二极管38'耦接到第二输出节点36'。第二电路包括第二输入电容器C1'，其耦接在第二天线的第二端子32与第二求和节点24'之间。

第二电路形成辅助电压加倍电路。

在图5的电路中，提供了分离的输出电容器。

图6示出与图5相同的电路，但是具有共享输出电容器C2。仅出于电路模拟的目的，在电路中示出电阻器以表示天线阻抗。可选地，可以例如使用变压器在天线与整流器之间提供阻抗匹配。

图7示出对图6的电路的修改，其中电压加倍电路耦接到输出节点36，其被适配用于使输出节点处的电压加倍。

该电压加倍电路具有与图3的电路相同的通用类型（但是仅具有到求和节点的一个输入）并且包括输入电容器C1''、电压加倍二极管D1''和38''以及输出电容器C2''，其耦接到输出节点36''。这使得能够生成较高的输出电压。

图5的电路具有两个输出电容器，但是它们存储相同极性的电压。可替换方案是提供用于正电压的一个电路和用于负电压的一个电路。示例在图8中被示出。

与图5中的相同的参考标记被使用。第二电路用于生成具有与第一电路生成的信号相反极性的信号。为此原因，二极管D1'、D2'、38'被关于图5中的取向相反地定向。

图8还示出每一个电路具有电压加倍电路，其中电压加倍电路80用于第一电路并且电压加倍电路82用于第二电路。

在该情况下，第二电路再次包括：

第二天线的第二端子32耦接到的第二电路输入电容器C1'；

第二电路求和节点24'；

第二电路的第一节点D1'，其中第二电路求和节点24'通过第二电路的第一二极管耦接到第二天线的第一端子；

第二电路的第二二极管D2'，其中第二电路求和节点24'通过第二电路的第二二极管D2'耦接到第一天线的第一端子；

第二电路输出二极管38'，其中第二电路输出节点36'通过第二电路输出二极管耦接到第二电路求和节点24'；以及

提供在第二电路输出节点处的第二电路输出电容器C2'。

电压加倍电路80,82在输出节点36''和36'''处提供其上存储电压的两个输出电容器，C2''和C2'''，其关于彼此具有相反极性。

以上示例将来自组合天线的电压提供在输出电容器上或多个输出电容器上。

可替换方案是在相应电容器上提供输出电压，但是以正确的极性提供，以使得电容器可以被串联连接。

图9示出该方案。

基本构建块再次是由D1、D2、C1和38限定的多输入电压加倍器。存在三个天线使得第一电路还具有二极管D3。第一电路在输出电容器C20上存储电压（以用于第一天线20）。

第二天线28具有其自己的由C10、D10、D20、D30和380限定的多输入电压加倍器。第二电路在输出电容器C28上存储电压（以用于第二天线28）。

第三天线40具有其自己的由C100、D100、D200、D300和3800限定的多输入电压加倍器。第二电路在输出电容器C40上存储电压（以用于第三天线40）。

因而存在以上解释的类型的三个等同电路，其中的每一个在它们的求和节点处接收所有三个天线信号。各种二极管及其取向保证组合的天线信号以适当的极性存储在其相应的电容器上，使得三个输出电容器可以串联堆叠。图4的基本电路基本上被复制三次使得每一个输出电容器从最高输入电压差充电。

本发明还可以被视为功率收获的方法，其组合多个天线信号。第一天线的第一端子通过输入电容器耦接到求和节点。对于多个天线中的每一个，每一个在后天线的第一天线端子与相应在先天线的第二端子耦接，并且通过相应二极管从每一个天线的第二天线端子向电压加倍电路的求和节点提供信号。

系统被配置使得组合系统总是可以取回能量而与到达角度无关。

本发明可以应用于通过收获功率进行操作的任何低功率设备。传感器节点是一个示例，例如用于保健或用于照明和建筑物管理。RFID标签可以使用该方案，并且它们可以被制作得更小并且避免对于外部天线的需要。

小RFID设备可以例如被注入到3D印刷对象中并且作为可靠性的证据或将对象链接到特定软件应用。

使用功率收获电路的传感器节点可以包括用于交换数据的功率输送信道。这例如从Hao GAO等人发表在Radio Frequency Integrated Circuits Symposium（RFIC），2013 IEEE，2013年6月2-4日，页码：403 – 406的论文“A 71GHz RF Energy Harversting Tag with 8% Efficiency for Wireless Temperature Sensors in 65nm CMOS”得知。

以上电路是二极管电路。二极管可以实现为二极管连接的晶体管。晶体管可以是双极或场效应晶体管，并且可以使用其它非线性半导体组件。

本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和随附权利要求，可以理解和实现对所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多数。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实不指示这些措施的组合不能用于获益。权利要求中的任何参考标记不应当解释为限制范围。