应用于无线移动终端的射频能量采集装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种应用于无线移动终端的射频能量采集装置，该装置由一接收天线模块、升压模块和稳压充电模块组成的一无线能量收集系统。通过高效的微带天线设计，获取外界环境的射频能量，并通过升压、稳压、充电等模块对电池充电，将其转化成电源供电器设备使用。方案体积小巧，安装方便，能够在手机等无线移动终端中使用，有效地利用周围环境的射频能量，提高能量使用效率。
【专利说明】应用于无线移动终端的射频能量采集装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种应用于无线移动终端的射频能量采集裝置，该裝置特别适用于便携式无线移动终端。
【背景技术】
[0002]能量采集是指通过“收集”周围环境中的热、振动、光及电磁波等微量能源，使其转换成电力的技术，以达到节能降耗的目的。在现代生活中，我们的周围充斥着FM、AM广播，以及手基机站、电视等射频信号，通过获取这些RF能量，可以将其转化成电源供我们使用。此类技术通常有三种实现手段:电磁感应式、磁共振式和射频式。前二种技术成熟、易于实现，但作用距离较近；射频式能够收集较远距离的射频源所发出的能量，使用RF采集能量的设备不受场地限制，可在多种频段(包括915 MHz,868 MHz或2.4GHz等)下工作。目前意法半导体、凌力尔特等已推出M24LR16E、MAX17710、LTC3588等能量收集芯片，但将射频能量采集应用于便携式无线移动终端的文献并不多见，本发明研究的装置可以安装在移动终端上，在没有市电时，也能够起到补充电能的作用。
【发明内容】
[0003]针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供一种应用于无线移动终端的射频能量采集装置。该装置体积小巧，安装方便，能够有效地利用周围环境的射频能量，提高能量使用效率。
[0004]为实现上述目的，本发明技术方案为:
[0005]应用于无线移动终端的射频能量采集装置，其特征在于:该装置由以下三个模块组成，其中，所述的接收天线模块通过天线采集外界微弱信号，并连接到一升压模块；所述的升压模块的信号输入端连接接收天线模块，其信号输出端连接一稳压充电模块，将天线接收的微弱信号进行升压；所述的稳压充电模块的输入端连接升压模块，对升压后的电压进行稳压后整流，其输出端连接蓄电设备。
[0006]进一步的，所述的接收天线模块包括有设置在介质基板上的天线主体、阻抗变换器、50欧姆阻抗和馈线端口 ；天线主体连接阻抗变换器后，通过50欧姆阻抗连接馈线端口 ；馈线端口连接升压模块的信号输入端。
[0007]进一步的，所述升压模块包括有连接在该升压模块的信号输入端和信号输出端之间的第一电容组和第二电容组，第一电容组和第二电容组均由两个以上的电容单元串接而成，第一电容组和第二电容组中的电容单元对应设置且个数相同；第一电容组中的每个电容单元在邻近信号输入端的一端与一个第一二级管的负极相连，另一端与一个第二二级管的正极相连；其中，第一二级管的正极连接第二二级管的负极，第一二级管的正极和第二二级管的负极同时连接第二电容组中对应的电容单元。
[0008]上述技术方案的有益之处在于:
[0009]本发明通过高效的天线设计和升压、稳压等处理，可以用无源的方式收集外界环境的微弱射频能量，并将其转化成电源供电器设备使用。
[0010]本发明采用高效的微带天线设计，体积小型，易于安装到现有的无线移动终端上，并覆盖多个频段，考虑天线跟升压模块的匹配问题，尽量少的损失能量，获取外界环境的射频能量，综合考虑频段、增益和指向性，提高接收效率。
[0011]本发明的升压模块，采用低功耗的高频肖特基管成为电容电荷泵的核心，它能接收较微弱的信号使之导通，然后给电容充电，使能量在电容中积蓄，供给后级用电设备应用。尽量能够降低其开启电压，考虑电压升高和驱动电流之间的折衷。既能把接收到的电压信号升压到用电设备所需的电压，又能满足后级的驱动电流的要求。
[0012]本发明的稳压充电模块，能尽量提高其电源管理能力，为后级的蓄电装置提供稳定的电压，并且能够起到一定的保护作用，以免损坏蓄电装置。
[0013]综上所述，本发明设计性能良好的升压、稳压电路，能够有效地在尽可能小地影响无线移动终端无线移动终端结构情况下，实现对移动无线终端充电，延长无线移动终端电池的使用时间。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明工作原理框图；
[0015]图2是本发明微带天线结构示意图；
[0016]图3是本发明微带天线的三维增益方向示意图；
[0017]图4是本发明接收天线模块回波损耗的Smith圆示意图；
[0018]图5是本发明升压模块原理图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0020]如图1所示的应用于无线移动终端的射频能量采集装置，该装置是由一接收天线模块、升压模块和稳压充电模块连接组成的一无线能量收集系统。假设频段为GSM手机频段，该系统通过接收天线模块的微带天线接收GSM手机基站发射出的、以及手机本身和其它手机发射的RF信号，再经过升压模块的N阶电容电荷泵升压，当电压达到手机供电电压(如3.7伏特)后，再经过稳压充电模块，对后级蓄电设备(如电池)进行充电。具体设计如下:
[0021]如图2所示的接收天线模块，其包括有设置在介质基板I上的天线主体2、阻抗变换器3、50欧姆阻抗4和馈线端口 5。天线主体2连接阻抗变换器3后，通过50欧姆阻抗4连接馈线端口 5，该馈线端口 5连接升压模块的信号输入端。
[0022]通过天线主体2采集外界微弱信号，经过阻抗变换器3与50欧姆阻抗4匹配，再经过馈线端口 5与外围电路连接，设计时首先要考虑介质基板I的材质，根据接收频段设置天线主体2和阻抗变换器3的长度和宽度。如图3、4所示，采用介质基板参数:Er/h=2.65/1.5m,损耗角正切:0.02 ;天线主体参数:天线主体尺寸:长度L0=94.5mm ,宽度W0=123.4mm； 1/4 λ阻抗变换器:长度Ll=5mm，宽度Wl=2mm ;50欧姆阻抗:长度L2=45mm，宽度W2=4.09mm。通过天线和匹配电路的设计,保证RF信号的接收效率。
[0023]本发明采用高效的微带天线设计，体积小型，安装方便，并覆盖多个频段，考虑天线跟升压模块的匹配问题，尽量少的损失能量，获取外界环境的射频能量，综合考虑频段、增益和指向性，提高接收效率。
[0024]如图5所示的升压模块，其信号输入端连接接收天线模块馈线端口，其信号输出端连接一稳压充电模块，将天线接收的微弱信号进行升压。该升压模块包括有连接在信号输入端和信号输出端之间的第一电容组和第二电容组，第一电容组和第二电容组均由两个以上的电容单元串接而成，第一电容组和第二电容组中的电容单元对应设置且个数相同；第一电容组中的每个电容单元在邻近信号输入端的一端与一第一二级管的负极相连，另一端与一第二二级管的正极相连；其中，第一二级管的正极连接第二二级管的负极，第一二级管的正极和第二二级管的负极同时连接第二电容组中对应的电容单元。具体的，第二电容组中的电容单元与第一二级管的正极和第二二级管的负极连接端为邻近该升压模块信号输出端的一端。具体设计如下:
[0025]本发明升压模块是采用电荷泵电路实现升压，是一种应用电容电荷积累效应来产生高于电源电压或负电压的电路，它由电容和二极管构成简单的电路，本发明的具体实例方式如图5所示，其中C1-C5、C11进行串联，C6-C11、C13进行串联，D1、D3、D5、D7、D9、D11正极分别与 D2、D4、D6、D8、DIO、D12 负极以及 C6、C7、C8、C9、CIO、C13 的一端相连，Dl、D3、D5、D7、D9、Dll 负极分别与 D2、D4、D6、D8、DIO、D12 正极以及 Cl、C2、C3、C4、C5、Cll 的另一端相连。理想状况下，射频波负半周时，二极管Dl导通,对电容C6进行充电,正半周时，二极管D2导通，电容C6上的电压加到电容Cl上，并对Cl进行充电，这时，电容Cl上的电压大约是射频源峰值电压的两倍减去二极管的导通电压。同理，二极管D3、D4分别在正负半周导通，对电容C7、C2进行充电，最后输出电压为C2上的电压加上Cl的电压，这样就达到了升压的目的。其中A，B为信号输入端，C、D为信号输出端，通过设计合理的阶数，以保证升压效果。设计中使用的为470pF贴片电容，二极管使用肖特基二极管HSMS-2862。
[0026]本发明升压模块采用低功耗的高频肖特基管成为电容电荷泵的核心，它能接收较微弱的信号使之导通，然后给电容充电，使能量在电容中积蓄，供给后级用电设备应用。尽量能够降低其开启电压，考虑电压升高和驱动电流之间的折衷。既能把接收到的电压信号升压到用电设备所需的电压，又能满足后级的驱动电流的要求。
[0027]所述的稳压充电模块的输入端连接升压模块，对升压后的电压进行稳压后整流，其输出端连接蓄电设备。稳压充电模块，能尽量提高其电源管理能力，为后级的蓄电装置提供稳定的电压，并且能够起到一定的保护作用，以免损坏蓄电装置。对于本发明稳压充电系统的设计，可以考虑利用专门的稳压1C，以保证给末级蓄电装置提供更稳定的电压。
[0028]以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
【权利要求】
1.应用于无线移动终端的射频能量采集装置，其特征在于:该装置由以下三个模块组成: 一接收天线模块，通过天线采集外界微弱信号，并连接到一升压模块； 一升压模块，其信号输入端连接接收天线模块，其信号输出端连接一稳压充电模块，将天线接收的微弱信号进行升压； 一稳压充电模块，其输入端连接升压模块，对升压后的电压进行稳压后整流，其输出端连接蓄电设备。
2.如权利要求1所述的应用于无线移动终端的射频能量采集装置，其特征在于:所述的接收天线模块包括有设置在介质基板上的天线主体、阻抗变换器、50欧姆阻抗和馈线端口 ；天线主体连接阻抗变换器后，通过50欧姆阻抗连接馈线端口 ；馈线端口连接升压模块的信号输入端。
3.如权利要求1或2所述的应用于无线移动终端的射频能量采集装置，其特征在于:所述升压模块包括有连接在该升压模块的信号输入端和信号输出端之间的第一电容组和第二电容组，第一电容组和第二电容组均由两个以上的电容单元串接而成，第一电容组和第二电容组中的电容单元对应设置且个数相同；第一电容组中的每个电容单元在邻近信号输入端的一端与一第一二级管的负极相连，另一端与一第二二级管的正极相连；其中，第一二级管的正极连接第二二级管的负极，第一二级管的正极和第二二级管的负极同时连接第二电容组中对应的电容单元。
【文档编号】H02J17/00GK103812226SQ201210457237
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年11月13日 优先权日:2012年11月13日
【发明者】杨光松, 马中华, 陈彭, 刘璟, 陈朝阳 申请人:集美大学