无线能量收集系统的制作方法

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系统以及一种无源电压转换匹配电路，本发明还涉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。

例如，在申请公开号为cn105356627a的专利文献中公开了一种用于为无线传感器节点供电的射频能量收集装置，在其实施例中公开了两种射频直流转换电路，一种基于浮栅晶体管，另一种基于二极管。但是这两种方案都无法实现电压放大，使得电路能够处理的最小信号的幅值较大，不适于小功率的射频能量收集。

此外，在申请公开号为cn103227498a的专利文献中公开了一种环境电磁波能量采集器，其公开的两个实施例中的升压电路都基于二极管，而二极管无法实现电压放大，使得电路能够处理的最小信号的幅值很大，不适于小功率的射频能量收集。

技术实现要素：

本发明的任务是提供一种无线能量收集系统以及一种无源电压转换匹配电路、以及一种相应的传感装置，利用所述系统、电路或传感装置，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或附加部件，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。

在本发明的第一方面，该任务通过一种无线能量收集系统来解决，该系统包括：

天线，其用于接收无线信号并将其转换为电场信号；

无源放大电路，其与天线连接以用于对天线输出的电压进行放大并且对天线和无线直流转换器进行阻抗匹配，所述无源放大电路具有：

天线阻抗转换电路，其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，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，并且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，x’天线的绝对值为r’天线的绝对值的n倍，且n＞√3；

无线直流转换器阻抗转换电路，其与无线直流转换器连接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，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前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在阻抗转换以后的阻抗的实部和虚部，其中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经阻抗转换后的阻抗r’转换器+jx’转换器共轭；以及

无线直流转换器，其与无源放大电路连接以用于将经阻抗匹配和放大的信号转换为直流信号。

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。此外，本发明的电压放大所实现的是，利用无源放大电路将天线的输出电压的幅值进行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。

根据本发明的无线能量收集系统至少具有下列优点：

(1)通过该系统，可以实现良好的阻抗匹配以提高系统的能量转换效率，这是因为通过无源放大电路可以将天线和无线直流转换器的阻抗转换为彼此共轭，由此实现最优的阻抗匹配，从而实现最大功率传输。

(2)通过该系统，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(其中所述无源放大电路放大电压的幅值、电压的周期也有可能会改变，但是，经过所述无源放大电路的功率并不改变)，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，本发明的无源放大电路的增益为g无源，其表达式为：

由于x’天线的绝对值为r’天线的绝对值的n倍并且由于r’天线+jx’天线与r’转换器+jx’转换器共轭，因此x’转换器的绝对值也为r’转换器的绝对值的n倍，且由于阻抗共轭关系可知：r’天线＝r’转换器，并且x’天线＝－x’转换器，由此该公式可以简化为：

当n较大时，

由此，通过调整x’天线的绝对值与r’天线的绝对值之间的比例(或x’转换器的绝对值与r’转换器的绝对值之间的比例)n，可以调整无源放大电路的增益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，本发明的系统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电压的电平较低，本发明的无源放大电路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)本发明的无源放大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，天线阻抗转换电路的阻抗元件和/或无线直流转换器阻抗转换电路的阻抗元件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经阻抗转换后的阻抗r’转换器+jx’转换器共轭并且x’天线的绝对值为r’天线的绝对值的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。

在本发明的另一优选方案中规定，天线阻抗转换电路和无线直流转换器阻抗转换电路分别包括电阻、电容和电感的中一种或几种，并且分别与天线和无线直流转换器连接。例如，串联和并联可以实现阻抗的实部和/或虚部的调整。但是在一些情况下，为了减小损耗，可以不采用电阻，而是采用电容和/或电感来进行阻抗调整。通过该扩展方案，可以容易地实现阻抗的调整，从而实现所期望的阻抗匹配和电压增益。在此应当指出，第一阻抗元件和第二阻抗元件可以分别包括一个或多个相同或不同的阻抗元件，而不一定仅仅包括一个阻抗元件。

在本发明的一个扩展方案中规定，天线阻抗转换电路的高电压端与无线直流转换器阻抗转换电路的高电压端连接，天线阻抗转换电路的低电压端与无线直流转换器阻抗转换电路的低电压端连接。

在本发明的另一扩展方案中规定，n被选择为使得天线阻抗转换电路的增益大于等于50。通过调整天线阻抗转换电路和无线直流转换器阻抗转换电路的阻抗及其连接方式，可以容易地调整n，从而调整增益。另外，其它增益也是可以设想的，例如10倍、25倍、30倍等等。

在本发明的又一扩展方案中规定，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，所述无线能量收集系统还包括：

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。储能器例如可以是蓄电池、干电池、纽扣电池、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。

在本发明的第二方面，前述任务通过一种无源电压转换匹配电路来解决，该电路用于对连接在该电路之前的第一设备和连接在该电路之后的第二设备进行阻抗匹配并且在将第一设备的输出电压进行转换后输送给第二设备，该电路包括：

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，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，并且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；以及

第二设备阻抗转换电路，其与第二设备连接以便将第二设备的阻抗r2+jx2转换为r’2+jx’2，其中r2和x2分别是第二设备在阻抗转换以前的阻抗的实部和虚部，并且r’2和x’2分别是第二设备在阻抗转换以后的阻抗的实部和虚部，其中第一设备阻抗转换电路与第二设备阻抗转换电路连接，第一设备的经阻抗转换后的阻抗r’1+jx’1与第二设备的经阻抗转换后的阻抗r’2+jx’2共轭并且x’2的绝对值为r’2的绝对值的n倍，其中通过调整n来调整无源匹配电路的电压转换系数。

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，无源电压转换匹配电路对第一设备的输出电压进行放大(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，无源电压转换匹配电路对第一设备的输出电压进行降低(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)，其中第一阻抗元件和/或第二阻抗元件包括可变电阻器、可变电容器和/或可变电感器。通过该优选方案，可以容易地调节无源电压转换匹配电路的电压转换系数，从而实现对电压的精确调整。

在本发明的一个优选方案中规定，其中第一设备阻抗转换电路的阻抗元件和/或第二设备阻抗转换电路的阻抗元件的阻抗大小被选择为使得第一设备的经阻抗转换后的阻抗r’1+jx’1与第二设备的经阻抗转换后的阻抗r’2+jx’2共轭并且x’2的绝对值为r’2的绝对值的n倍。

在本发明的另一优选方案中规定，n被选择为使得天线阻抗转换电路的增益大于等于50，其中第一设备阻抗转换电路和/或第二设备阻抗转换电路包括可变电阻器、可变电容器和/或可变电感器。通过该优选方案，可以实现无源电压转换匹配电路对电压的高增益，从而例如实现电压放大。

在本发明的一个扩展方案中规定，第一设备阻抗转换电路的高电压端与第二设备阻抗转换电路的高电压端连接，第一设备阻抗转换电路的低电压端与第二设备阻抗转换电路的低电压端连接。

在本发明的又一优选方案中规定，其中第一设备是天线，其用于接收无线信号并将其转换为电场信号，并且第二设备是无线直流转换器，其用于将经阻抗匹配和放大的信号转换为直流信号。此外，第一设备和第二设备还可以为其它设备或器件，在此不一一列举。

在本发明的第三方面，前述任务通过传感装置来解决，该传感装置具有根据本发明所述的无线能量收集系统和传感器，所述无线能量收集系统为所述传感器供电。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。

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系统的框图；

图2示出了根据本发明的无线能量收集系统的天线阻抗转换电路的电路图；

图3示出了根据本发明的无线能量收集系统的无线直流转换器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系统的天线、无源放大电路和无线直流转换器的等效电路；

图5示出了天线的经阻抗转换后的阻抗图；

图6示出了无线直流转换器的经阻抗转换后的阻抗图；

图7示出了依赖于频率的增益的仿真图；以及

图8示出了经无源放大电路放大前后的电压与频率的关系图。

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系统100的框图。

如图1所示，无线能量收集系统100具有天线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，例如微波信号等等，此为本领域的普通技术人员可以理解的，在此不一一列举。

无线能量收集系统100还具有无源放大电路102，该无源放大电路102与天线101连接以用于对天线101输出的电压进行放大并且对天线101和无线直流转换器103进行阻抗匹配。

无源放大电路102具有天线阻抗转换电路200，参见图2。图2示出了根据本发明的无线能量收集系统100的天线阻抗转换电路200的电路图。天线阻抗转换电路200具有第一阻抗元件，在此，第一阻抗元件包括第一电感202和第二电感203，它们电感值分别为l1和l2。阻抗201为天线101的标准阻抗，其阻抗值为r1、一般为50ω或75ω。在此，第一电感202与天线101的阻抗201串联(即将天线101接在高电压va和第一电感202之间)以后再与第二电感203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201转换为r’天线+jx’天线，其中虚部x’天线的模是实部r’天线的模的n倍即可。在此，第一阻抗元件201与天线101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，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，并且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。天线阻抗转换电路200的高电压端a和低电压端b可以作为天线阻抗转换电路200的连接端。

天线101的经阻抗转换后的阻抗图参见图5。如图5所示，天线101的阻抗原来为50ω或75ω，经阻抗转换后的阻抗为5+j500ω，此时的实部r’天线为5ω，虚部x’天线为500ω，其中虚部的模为实部的模的100倍。

无源放大电路102还具有无线直流转换器阻抗转换电路300，参见图3。图3示出了根据本发明的无线能量收集系统100的无线直流转换器阻抗转换电路300的电路图。无线直流转换器阻抗转换电路300具有第二阻抗元件，所述第二阻抗元件在此包括电感301和电容302。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。在此，第二阻抗元件的电感301与无线直流转换器的阻抗元件303和304(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(即将无线直流转换器与电感301并联后再与电容302串联)，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，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前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在阻抗转换以后的阻抗的实部和虚部。无线直流转换器阻抗转换电路300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300的连接端。在本实施例中，高电压端c连接高电压端a，低电压端b连接低电压端d，以实现天线阻抗转换电路200和无线直流转换器阻抗转换电路300的连接，完成电压转换的功能。

图4示出了根据本发明的无线能量收集系统100的天线101、无源放大电路102和无线直流转换器103的等效电路。在此，天线101和天线阻抗转换电路200的等效电路为401，而无线直流转换器阻抗转换电路300和无线直流转换器103的等效电路为402。如图4所示，经阻抗转换后的天线101的阻抗为r’天线+jx’天线，并且经阻抗转换后的无线直流转换器103的阻抗为r’转换器+jx’转换器。在此，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经阻抗转换后的阻抗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’天线的绝对值为r’天线的绝对值的n倍，其中n＞√3，或者说转换后的天线阻抗的虚部远大于实部，即：|x’|天线＞＞|r’天线|。n既可以为整数也可以为小数。

无线直流转换器103的经阻抗转换后的阻抗图参见图6。如图6所示，无线直流转换器103的阻抗原来为25－j250ω，经阻抗转换后的阻抗为5－j500ω，此时的实部r’转换器为5ω，虚部x’转换器为－500ω。由此可见，经阻抗换后的天线101的阻抗与无线直流转换器103的阻抗彼此共轭，即分别为5+j500ω和5－j500ω，并且可以看出，天线101的阻抗的虚部x’天线和无线直流转换器103的虚部x’转换器分别为实部r’天线和实部r’转换器的n倍，在此n＝100。

假定由天线接收并转换的无线信号的电平为va(参见图4)，则输入到无线直流转换器103的输入电压v为：

由此，无源放大电路的增益为g无源为：

由于x’天线的绝对值为r’天线的绝对值的n倍并且由于r’天线+jx’天线与r’转换器+jx’转换器共轭，因此x’转换器的绝对值也为r’转换器的绝对值的n倍，且由于阻抗共轭关系可知：r’天线＝r’转换器，并且x’天线＝－x’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’天线的绝对值与r’天线的绝对值之间的比例n＝x’天线/r’天线或者n＝x’转换器/r’转换器，可以调整无源放大电路的增益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。

回到图1，无线能量收集系统100还具有无线直流转换器103，其与无源放大电路102连接以用于将经阻抗匹配和放大的信号转换为直流信号。

无线能量收集系统100还可选地具有储能器104，其与无线直流转换器103连接以用于储存无线直流转换器的输出电荷。储能器104例如可以是电池、电容等储能器件。

最后，无线能量收集系统100还可选地具有能量管理模块105，其与储能器104连接以用于对储能器104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105对储能器104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7示出了依赖于频率的增益的仿真图。在此，经阻抗匹配后的系统100的谐振频率为800mhz，其中增益随频率变化。从图7中可以看出，增益在800mhz的时达到最大、即50倍。由此可见，本发明的系统100实现了良好的电压放大效果，由此实现良好的电压放大。

图8示出了经无源放大电路放大前后的电压关系图。由天线101从无线信号中转换而来的输入交流电压va的幅值为20mv，而在经无源放大电路102放大以后，在无线直流转换器103处可以得到幅值为1v的交流电压。1v的电压足以开启无线直流转换器103的转换器件，从而提升系统的灵敏度和转换效率。

根据本发明的无线能量收集系统100至少具有下列优点：

(1)通过该系统100，可以实现良好的阻抗匹配以提高系统的能量转换效率，这是因为通过无源放大电路102可以将天线101和无线直流转换器103的阻抗转换为彼此共轭，由此实现最优的阻抗匹配，从而实现最大功率传输。

(2)通过该系统100，可以对输入电压进行放大(或升压)以达到相应器件、例如无线直流转换器的阈值电压，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，本发明的无源放大电路的增益为g无源，其表达式为：

由于x’天线的绝对值为r’天线的绝对值的n倍并且由于r’天线+jx’天线与r’转换器+jx’转换器共轭，因此x’转换器的绝对值也为r’转换器的绝对值的n倍，且由于阻抗共轭关系可知：r’天线＝r’转换器，并且x’天线＝－x’转换器，由此该公式可以简化为：

当n较大时，

由此，通过调整x’天线的绝对值与r’天线的绝对值之间的比例(或x’转换器的绝对值与r’转换器的绝对值之间的比例)n，可以调整无源放大电路的增益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，本发明的系统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电压的电平较低，本发明的无源放大电路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)本发明的无源放大电路102可以仅仅由阻抗元件、即电阻、电容和电感组成，因此其成本低廉、实现方式简单，有利于无线能量收集系统的大规模应用及其小型化应用。

此外，通过调整n，同样可以实现电压的缩小，从而进行电压调整。也就是说，本发明的无源放大电路102同样可以充当无源电压转换匹配电路。由于其原理相同，在此就不加以赘述。

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104和能量管理模块105，直接由无线直流转换器103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。