无线能量收集装置的制作方法

本发明总体上涉及无线信号放大领域，具体而言涉及一种无线能量收集装置、一种无源电压转换匹配电路以及一种相应的传感装置。

背景技术：

物联网的兴起给人们的生活带来了巨大的便利，物联网技术的改进也成为业界追逐的目标。一个改进目标是其无线传感器节点的供电。无线传感器节点(其包括一个或多个无线传感器)是物联网的一个重要组成部分，其用于对联网设备进行实时的数据采集、处理和传输。无线传感器节点由于数目庞大，其供电成为一个突出问题。例如，假设一个物联网传感器网络具有10000个无线传感器节点，每一个传感器节点的电池可持续供电4年，那么平均每天大概需要更换6.85个电池。可见，仅仅更换这些传感器节点的电池就已经是一项高人工成本的工作，更不用说对这些电池的日常维护、电量检查等等所花费的成本以及购买电池本身的花费。此外，大量更换下来的电池如不加以处理极易对环境造成污染，而废旧电池的处理又是一个高成本的过程。随着物联网的普及，传感器网络的规模越来越大，这种传统物联网传感器节点的供电方式的弊端已凸显。

随着集成电路工艺的改进，无线传感器节点的功耗不断降低。据此，在现有技术中出现了收集环境中的射频能量以用于对无线传感器节点进行供电的方案，其中射频能量与其它形式的能量相比，具有更好的可控性和能源稳定性，这在能量收集应用方面是较大优势。

目前的射频能量收集系统一般包括阻抗匹配电路以用于对天线和后续部件进行阻抗匹配以使传输功率最大，其中经匹配后的天线阻抗通常固定为标准阻抗50ω或75ω。然而，目前的射频能量收集系统的局限性在于其灵敏度较低，即天线从低功率射频信号中转换而来的电平较低，不能达到系统的关键器件、如射频直流转换器的转换器件的开启电压，使得转换器件无法正常工作，因而这样的射频能量收集系统难以用于低功率应用。

技术实现要素：

本发明的任务是提供一种无线能量收集装置以及一种相应的传感装置，利用所述装置或传感装置，可以实现良好的电压放大以及良好的阻抗匹配，而无需较大附加成本，从而提升无线能量收集系统的灵敏度(即降低最低工作功率)和能量转换效率。

在此，本发明的电压放大所实现的是，利用本装置将天线的输出电压的幅值放大为大于或等于能量收集系统的某些关键器件(如直流转换器)的阈值电压，使得这些关键器件能够正常工作。

在本发明的第一方面，该任务通过一种无线能量收集装置来解决，该装置包括：

天线，其用于接收无线信号并将其转换为电场信号；

天线阻抗转换电路，所述天线阻抗转换电路与天线连接以便将天线的阻抗r天线+jx天线转换为r’天线+jx’天线，使得天线的经阻抗转换后的阻抗r’天线+jx’天线与无线直流转换器的阻抗r转换器+jx转换器共轭，其中r天线和x天线分别是天线在阻抗转换以前的阻抗的实部和虚部，r’天线和x’天线分别是天线在阻抗转换以后的阻抗的实部和虚部，并且r转换器和x转换器分别是无线直流转换器的阻抗的实部和虚部；以及

无线直流转换器，其与天线阻抗转换电路连接以用于将天线阻抗转换电路的输出信号转换为直流信号，其中无线直流转换器的阻抗被设置为使得其虚部x转换器的绝对值为其实部r转换器的绝对值的n倍，n＞√3。

在此应当指出，本发明的无线能量收集系统可以用于任何无线信号，而不仅仅是射频信号，而是可以用于其它频段的信号、如微波信号。

根据本发明的无线能量收集装置至少具有下列优点：

(1)通过该装置，可以实现良好的阻抗匹配以提高系统的能量转换效率，这是因为通过天线阻抗转换电路对天线进行阻抗匹配使得其转换后的阻抗与无线直流转换器的阻抗彼此共轭，可以实现最优的阻抗匹配，从而实现最大功率传输。

(2)通过天线和无线直流转换器的阻抗设计，可以对输入电压进行放大(或升压)以达到相应器件的阈值电压(放大电压的幅值，电压的周期也有可能会改变，但是功率不变)，从而提高系统的灵敏度、即降低最低工作功率，这是基于本发明人的如下洞察：本发明人通过观察发现，通过独特地对天线进行阻抗转换、同时通过独特地设置无线直流转换器的阻抗，可以实现较大的电压增益g无源，其表达式为：

其中由于根据本发明对天线的阻抗转换和无线直流转换器的阻抗特性的专门设计，使得无线直流转换器的阻抗的虚部x转换器的绝对值为其实部r转换器的绝对值的n倍，并且由于阻抗共轭关系得出：r’天线＝r转换器，x’天线＝－x转换器，由此该公式可以简化为：

当n较大时，

从上式可以看出，电压增益g无源取决于无线直流转换器的阻抗的虚部x转换器的绝对值与其实部r转换器的绝对值的比例n。

由此，通过设置x转换器的绝对值与r转换器的绝对值之间的比例n可以调整该装置的电压增益g无源，其中由上面的等式可知，当n＞√3时，g无源＞1。例如，可以通过调节n将g无源调整为100倍。由此可见，本发明的装置的电压增益可以容易地被调整为较大，从而提高系统的灵敏度、即降低最低工作功率，因为即使由天线从无线信号中转换而来的原始电平较低，该装置也可以将其提升到较高电平，从而达到后续部件、例如无线直流转换器的阈值电压，实现其正常工作。

(3)本发明的天线阻抗转换电路可以仅仅由阻抗元件、即电阻、电容和电感等无源器件组成，因此其成本低廉、实现方式简单、无需专门供电，有利于无线能量收集系统的大规模应用及其小型化应用。

在本发明的一个优选方案中规定，该装置还包括：

储能器，其与无线直流转换器连接以用于储存无线直流转换器的输出电荷；以及

能量管理模块，其与储能器连接以用于对储能器的输出信号进行处理以得到稳定的直流电压。

通过该优选方案，可以实现所采集的电能的储存和处理。储能器例如可以是电池、电容器等等。能量管理模块对储能器的输出信号的处理例如包括整流、滤波和电平转换。通过该优选方案，可以实现经优化的输出信号，例如具有稳定的电流和合适的电压、低高次谐波的输出信号。其它处理也是可以设想的，例如从直流信号转换为交流信号的逆变等等。

在本发明的另一优选方案中规定，能量管理模块对储能器的输出信号的处理包括整流、滤波和电平转换。通过该优选方案，可以实现经优化的输出信号，例如具有稳定的电流和合适的电压、低高次谐波的输出信号。其它处理也是可以设想的，例如从直流信号转换为交流信号的逆变等等。

在本发明的又一优选方案中规定，天线阻抗转换电路的阻抗元件和/或无线直流转换器的阻抗大小被选择为使得天线的经阻抗转换后的阻抗r’天线+jx’天线与无线直流转换器的阻抗r转换器+jx转换器共轭并且x转换器的绝对值为r转换器的绝对值的n倍。通过该优选方案，可以灵活地实现阻抗匹配和电压放大。

在本发明的一个扩展方案中规定，n被选择为使得该装置的增益大于等于50。另外，其它增益也是可以设想的，例如10倍、25倍、30倍等等。

在本发明的另一扩展方案中规定，所述无线信号为射频信号或微波信号。用于rfid的射频信号是物流领域中广泛采用的通信信号，其频段例如为ism波段，频率例如为125khz、133khz、13.56mhz、27.12mhz、433mhz、902－928mhz，2.45ghz、5.8ghz等。另外，本发明还可以应用于其它频率，例如微波频率。

在本发明的一个优选方案中规定，根据无线直流转换器的阈值电压来确定n。通过调节n，可以使输入到无线直流转换器的关键器件、如转换电路的输入电压被放大为大于或等于该关键器件的阈值电压，从而实现该关键器件的正常工作。

在本发明的第二方面，前述任务通过一种传感装置来解决，其具有根据本发明的无线能量收集装置和传感器，所述无线能量收集装置为所述传感器供电。该传感器例如可以是射频信号接收器、如rfid标签，或者是其它传感器、如声传感器、光传感器等等，其中利用无线信号、如射频信号或微波信号给这些传感器的无线能量收集系统供电。

在本发明的第三方面，前述任务通过一种电路来解决，该电路包括：

第一设备；

第一设备阻抗转换电路，其与第一设备连接以便将第一设备的阻抗r1+jx1转换为r’1+jx’1，使得第一设备的经阻抗转换后的阻抗r’1+jx’1与第二设备的阻抗r2+jx2共轭，其中r1和x1分别是第一设备在阻抗转换以前的阻抗的实部和虚部，r’1和x’1分别是第一设备在阻抗转换以后的阻抗的实部和虚部，并且r2和x2分别是第二设备的阻抗的实部和虚部；以及

第二设备，其与第一设备阻抗转换电路连接以接受第一设备阻抗转换电路的输出信号，其中第二设备的阻抗的虚部x2的绝对值为其实部r2的绝对值的n倍，n＞√3。，其中通过调整n来调整第二设备的电压转换系数。

通过该电路，可以以低电路成本实现阻抗匹配和电压调节，其中该电路改变电压的幅值，电压的周期也有可能会改变，但是，经过该电路的功率并不改变。具体优点请参阅无线能量收集系统的优点。该电路可以应用于电力传输时的升压或降压等领域。

在本发明的一个优选方案中规定，当n＞√3时，第二设备接受第一设备的输出电压进行放大后的电压(放大电压的幅值，电压的周期也有可能会改变，但是功率不变)，并且当n＜√3时，第二设备接受第一设备的输出电压进行降低后的电压(降低电压的幅值，提供电流的幅值，电压的周期也有可能会改变，但是功率不变)。通过该优选方案，可以容易地调节电压转换系数，从而实现对电压的精确调整。

附图说明

下面结合附图参考具体实施例来进一步阐述本发明。

图1示出了根据本发明的无线能量收集装置的第一实施例的框图；

图2示出了根据本发明的无线能量收集装置的第二实施例的框图；

图3示出了根据本发明的无线能量收集装置的天线阻抗转换电路的电路图；

图4示出了根据本发明的无线能量收集装置的无线直流转换器阻抗转换电路的电路图；

图5示出了根据本发明的无线能量收集装置的天线、天线阻抗转换电路和无线直流转换器的等效电路；

图6示出了根据本发明的无线能量收集装置的无线直流转换器阻抗转换电路的第一实施例；以及

图7示出了示出了根据本发明的无线能量收集装置的无线直流转换器阻抗转换电路的第二实施例。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

除非另行规定，在本申请中，量词＂一个＂、＂一＂并未排除多个元素的场景。

图1示出了根据本发明的无线能量收集装置100的第一实施例的框图。

如图1所示，无线能量收集装置100包括天线101，其用于接收无线信号并将其转换为电场信号。无线信号可以是射频信号，但是也可以是其它频段的信号、例如微波信号，此为本领域的普通技术人员可以理解的，在此不一一列举。

无线能量收集装置100还包括天线阻抗转换电路106，这如图3所示。

图3示出了根据本发明的无线能量收集装置100的天线阻抗转换电路106的电路图。在此，天线阻抗转换电路106的电路图具有第一阻抗元件，其包括第一电感302和第二电感303，它们的电感值分别为l1和l2。阻抗301为天线301的阻抗，其阻抗值为r1、例如标准阻抗50ω或75ω。在此，第一电感302与天线101的阻抗301串联以后再与第二电感303并联，但是这仅仅是示例性的，其它连接方式也是可设想的，只要能将天线101的阻抗301转换为r’天线+jx’天线，使得天线的经阻抗转换后的阻抗r’天线+jx’天线与无线直流转换器的阻抗r转换器+jx转换器共轭，其中r天线和x天线分别是天线在阻抗转换以前的阻抗的实部和虚部，r’天线和x’天线分别是天线在阻抗转换以后的阻抗的实部和虚部，并且r转换器和x转换器分别是无线直流转换器的阻抗的实部和虚部。天线阻抗转换电路106的高电压端a和低电压端b可以作为天线阻抗转换电路106的连接端。例如，高电压端a和低电压端b分别与无线直流转换器102的高电压端和低电压端(未示出)电连接。

回到图1，无线能量收集装置100还包括无线直流转换器102，其与天线101连接以用于天线101的输出信号(例如由无线信号转换而来的电平，通常为交变信号)转换为直流信号，其中无线直流转换器102的阻抗的虚部x转换器的绝对值为其实部r转换器的绝对值的n倍，n＞√3，或者|x转换器|＞＞|r转换器|。这例如可以通过设置无线直流转换器102的器件的阻抗或者通过连接第二阻抗元件来实现。关于如何连接第二阻抗元件，请参阅图3和图5的描述。

无线能量收集装置100还可选地具有储能器103，其与无线直流转换器102连接以用于储存无线直流转换器102的输出电荷。储能器103例如可以是电池、电容等储能器件。

最后，无线能量收集装置100还可选地具有能量管理模块104，其与储能器104连接以用于对储能器103的输出信号进行处理以得到稳定的直流电压。例如，能量管理模块104对储能器103的输出信号的处理包括整流、滤波和电平转换等等。通过所述处理，可以实现经优化的输出信号，例如具有稳定的电流和合适的电压、低高次谐波的输出信号。其它处理也是可以设想的，例如从直流信号转换为交流信号的逆变等等。

图2示出了根据本发明的无线能量收集装置100的第二实施例的框图。

图2的第二实施例与图1的第一实施例的区别在于，通过无线直流转换器阻抗转换电路105来设置无线直流转换器阻抗102的阻抗、而不是直接设置无线直流转换器阻抗102的阻抗，这可以减小设计难度。在其它方面，两个实施例都相同。

图4示出了根据本发明的无线能量收集装置100的无线直流转换器阻抗转换电路105的电路图。如图4所示，无线直流转换器阻抗转换电路105具有第二阻抗元件，所述第二阻抗元件在此包括电感401和电容402。但是应当指出，这仅仅是示例性的，在其它实施例中，第二阻抗元件还可以包括电阻和/或附加的电感和/或附加的电容。在一些情况下，为了减小衰减，可以不采用电阻而是仅仅采用电容和/或电感。在此，第二阻抗元件的电感401与无线直流转换器102的阻抗元件403和404(例如等效输入电容x转换器和其等效输入电阻r转换器)的串联电路并联，以便将无线直流转换器的阻抗r转换器+jx转换器转换为r’转换器+jx’转换器，使得无线直流转换器102的经阻抗转换后的阻抗的虚部x’转换器的绝对值为其实部r’转换器的绝对值的n倍，n＞√3，或|x’转换器|＞＞|r’转换器|。其中r’转换器和x’转换器分别是无线直流转换器在阻抗转换以后的阻抗的实部和虚部。该无线直流转换器阻抗转换电路105是有利的，因为有时难以直接设置无线直流转换器102的各器件的阻抗，而是需要通过外加阻抗元件、即第二阻抗元件来实现阻抗调整。无线直流转换器阻抗转换电路105的高电压端c和低电压端d可以作为无线直流转换器阻抗转换电路105的连接端。例如，高电压端c和低电压端d可以分别与天线101的高电压端和低电压端(未示出)电连接。

图5示出了根据本发明的无线能量收集装置100的天线101、天线阻抗转换电路106和无线直流转换器102的等效电路。在此，天线101和天线阻抗转换电路106的等效电路为501，而无线直流转换器102(可选地包括无线直流转换器阻抗转换电路105或第二阻抗元件)的等效电路为502。如图6所示，天线101经天线阻抗转换电路106进行阻抗转换后的阻抗为r’天线+jx’天线，并且无线直流转换器103的阻抗(可选地经过无线直流转换器阻抗转换电路105的阻抗转换)为r转换器+jx转换器。在此，通过设计天线阻抗转换电路106和/或无线直流转换器102的阻抗或者通过选择第一阻抗元件和/或第二阻抗元件的大小和/或连接方式，使得天线101经阻转换后的阻抗r’天线+jx’天线与无线直流转换器的阻抗r转换器+jx转换器共轭，即实部相等：r’天线＝r转换器，且虚部大小相等、符号相反：x’天线＝－x转换器；而且，x转换器的绝对值为r转换器的绝对值的n倍，其中n＞√3，或者说其虚部远大于实部，即：|x转换器|＞＞|r转换器|。n既可以为整数也可以为小数。

假定由天线101接收并转换的无线信号的电平为va(参见图5)，则输入到无线直流转换器102的输入电压v为：

由此，该装置的增益为g无源为：

由于x转换器的绝对值也为r转换器的绝对值的n倍，且由于r天线＝r转换器，由此该公式可以简化为：

当n较大时，

由此可见，通过调整x转换器的绝对值与r转换器的绝对值之间的比例n＝x转换器/r转换器，可以调整该装置100的增益g无源，例如，可以通过调节n将g无源调整为100倍。

根据本发明的无线能量收集装置100至少具有下列优点：

(1)通过该装置100，可以实现良好的阻抗匹配以提高系统的能量转换效率，这是因为通过天线阻抗转换电路105对天线101进行阻抗匹配使得其转换后的阻抗与无线直流转换器102的阻抗彼此共轭，可以实现最优的阻抗匹配，从而实现最大功率传输。

(2)通过天线101的阻抗转换和无线直流转换器102的阻抗设计，可以对输入电压进行放大(或升压)以达到相应器件的阈值电压(放大电压的幅值，电压的周期也有可能会改变，但是功率不变)，从而提高系统的灵敏度、即降低最低工作功率，这是基于本发明人的如下洞察：本发明人通过观察发现，通过独特地对天线101进行阻抗转换、同时通过独特地设置无线直流转换器102的阻抗，可以实现较大的电压增益g无源，其表达式为：

其中由于根据本发明对天线的阻抗转换电路和无线直流转换器的专门设计，使得无线直流转换器的阻抗的虚部x转换器的绝对值为其实部r转换器的绝对值的n倍，并且由于阻抗共轭关系得出：r’天线＝r转换器，x’天线＝－x转换器，由此该公式可以简化为：

当n较大时，

从上式可以看出，电压增益g无源取决于无线直流转换器的阻抗的虚部x转换器的绝对值与其实部r转换器的绝对值的比例。

由此，通过设置x转换器的绝对值与r转换器的绝对值之间的比例n可以调整该装置的电压增益g无源，其中由上面的等式可知，当n＞√3时，g无源＞1。例如，可以通过调节n将g无源调整为100倍。由此可见，本发明的装置100的电压增益可以容易地被调整为较大，从而提高系统的灵敏度、即降低最低工作功率，因为即使由天线101从无线信号中转换而来的原始电平较低，该装置100也可以将其提升到较高电平，从而达到后续部件、例如无线直流转换器102的阈值电压，实现其正常工作。

(3)本发明的天线阻抗转换电路可以仅仅由阻抗元件、即电阻、电容和电感等无源器件组成，因此其成本低廉、实现方式简单、无需专门供电，有利于无线能量收集系统的大规模应用及其小型化应用。

图6示出了根据本发明的无线能量收集装置的无线直流转换器阻抗转换电路105的第一实施例。

如图6所示，无线直流转换器阻抗转换电路105为桥式整流电路。所述桥式整流电路包括彼此并联的一个或多个支路，每个支路包括交叉偶合的四个晶体管(m11，m12，m13，m14；…；mn1，mn2，mn3，mn4)和与所述四个晶体管串联的整流电容器(c11，c12；…；cn1，cn2)，并且每个支路的四个晶体管(m11，m12，m13，m14；…；mn1，mn2，mn3，mn4)中的两个晶体管(m12，m14；…；m(n－1)2，m(n－1)4)的源极与相邻支路的四个晶体管(m11，m12，m13，m14；…；mn1，mn2，mn3，mn4)中的两个晶体管(m21，m23；…；mn1，mn3)的漏极连接。通过调整支路的数目、晶体管的尺寸以及整流电容器(c11，c12；…；cn1，cn2)的大小，可以调整第二阻抗元件的大小，从而对无线直流转换器102的阻抗r转换器+jx转换器进行精细调整。

图7示出了根据本发明的无线能量收集装置的无线直流转换器阻抗转换电路105的第二实施例。

如图7所示，无线直流转换器阻抗转换电路105为电荷泵电路。电荷泵电路由开关和电容器(c1…cn)构成，其中开关由二极管(d1…dn)构成，通过调节电荷泵的级数、二极管(d1…dn)的尺寸和电容器(c1…cn)的大小，可以容易地调整第二阻抗元件的大小，从而对无线直流转换器的阻抗r转换器+jx转换器进行精细调整。

另外，本发明的无线能量收集系统可以用在各种无源传感器中以实现给这些无源传感器供电的效果。在本实施例中，由能量管理模块105输出的直流电压为无源传感器供电；在其它实施例中，无线能量收集系统100还可以不包括储能器103和能量管理模块104，直接由无线直流转换器102输出的直流电压为无源传感器供电。

虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是对本领域技术人员显而易见的是，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。