接收装置以及同时进行射频能量提取和数据通信方法

接收装置以及同时进行射频能量提取和数据通信方法
【专利摘要】本发明提供了一种接收装置和一种同时进行射频能量提取和数据通信的方法，其中，接收装置包括：接收端口，用于接收来自外部的射频信号；能量提取电路，连接至接收端口，用于从射频信号中提取出功率和数据信号，将功率信号输出至功率管理单元，以及将数据信号输出至通信单元；功率管理单元，连接至能量提取电路，用于接收功率信号，储存能量提取电路提取的能量。通过本发明的技术方案，能够同时进行无线能量的收集和数据通信，从而使得移动设备或手持设备在进行数据通信的同时，能够为自身提供电能。
【专利说明】接收装置以及同时进行射频能量提取和数据通信方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及通信【技术领域】，具体而言，涉及一种接收装置和一种同时进行射频能 量提取和数据通信的方法。

【背景技术】
[0002] 基于射频的无线技术使三个独特的系统功能成为了可能，即无线通信（数据/语 音）、无线传感（参数）和无线供电（能量）。前两个无线应用在现如今的生活中都可见它 们的身影，并已改变了我们的日常生活。第三个无线应用一无线能量传输或传递（WPT)在 公众中鲜为人知，至今尚未得到良好的开发和应用。严格来说，任何在空间中的自然或人为 的电磁辐射和传输应该被称为WPT，但我们通常用WPT特指"面向电力的"、远远低于在红外 线和光频段上的无线频率上的能量传输。
[0003] 经过近20多年的发展，高密度功率器件，低功耗集成电路，高效率整流天线和创 新的电路结构推动各种无线能量传输技术的研究进展。此外，新兴的应用和市场在促进和 "推进"WPT上扮演了关键的角色，例如生物医学工程中植入了免电池能量收集系统的CMOS 器件，安保应用和交通运输中的非接触式无线射频识别（RFID)，以及电动汽车和移动设备 的远程充电和供电。
[0004] 移动设备和手持式系统的特点是功耗和电压驱动越来越低，这得益于较小的蜂窝 结构和先进的CMOS工艺技术的飞速发展，随着移动设备和手持式系统的快速发展，它使这 些设备收集周围环境中来自广播服务和无线通信的电磁能来给这些设备供电成为了可能。 因此，在无线能量传输和收集方面，开发一种独立收发机来实现数据和能量的传输和接收， 将是下一代无线系统的研究和应用热点。


【发明内容】

[0005] 本发明正是基于上述问题，提出了一种同时进行射频能量提取和数据通信的技 术，能够利用接收机模块以无线的方式同时接收数据和能量。
[0006] 有鉴于此，根据本发明的一个方面，提供了一种接收装置，包括：接收端口，用于接 收来自外部的射频信号；能量提取电路，连接至所述接收端口，用于从所述射频信号中提取 出功率信号和数据信号，将所述功率信号输出至功率管理单元，以及将所述数据信号输出 至通信单元进行数据通信；所述功率管理单元，连接至所述能量提取电路，用于接收所述功 率信号，储存所述能量提取电路提取的能量。
[0007] 在接收端口的输出中增加能量提取电路，从接收到的射频信号中提取出功率信号 和数据信号（数据信号可以是中频信号或低频信号），该功率信号用于射频功率收集，数据 信号用于数据通信。因此，能量提取电路从接收到的射频载波上提取直流功率，并从相同的 射频载波中得到支持数据通信所需要的功率，实现了在数据通信的同时进行无线能量的收 集。
[0008] 在上述技术方案中，优选的，所述能量提取电路包括整流电路，用于对所述射频信 号进行整流处理，得到所述功率信号和数据信号。
[0009] 在上述任一技术方案中，优选的，所述接收端口包括N个输出端口，所述N为大于 等于2的整数；所述整流电路包括N个整流器，所述N个整流器与所述N个输出端口一一对 应连接。
[0010] 任何结构的接收端口均可以结合于此，到目前为止接收端口的输出端口数量有2、 4、8及其组合的种类。应理解，奇数多端口接收机也是可能的。由于接收端口有多个输出端 口，因此每一个输出端口可连接一个整流器（即功率检测器），用于对输出端口输出的射频 信号进行整流处理和功率读取，并将功率信号从中频或低频数据信号中分离出来，以用于 功率收集。
[0011] 在上述任一技术方案中，优选的，每个整流器包括：由多个二极管组成的整流单 元，将所述射频信号转换成所述功率信号和数据信号；滤波电路，接收来自所述整流单元的 输出信号，从所述输出信号中过滤出所述数据信号，剩余信号为所述功率信号。
[0012] 整流单元的输出信号经过滤波电路的过滤后，允许数据信号与整流直流信号的分 离，直流信号（即功率信号）被输入到功率收集器（即功率管理单元）中。
[0013] 在上述任一技术方案中，优选的，所述整流器还包括低通滤波器或带通滤波器，连 接在所述整流单元与所述接收端口之间，对所述射频信号进行过滤处理，并将经过过滤处 理的射频信号输出至所述整流单元。
[0014] 在上述任一技术方案中，优选的，所述整流器还包括阻抗匹配网络，连接在所述低 通滤波器或带通滤波器与所述整流单元之间。
[0015] 在上述任一技术方案中，优选的，所述滤波电路为电容和/或电感的拓扑结构。
[0016] 在上述任一技术方案中，优选的，所述整流单元的拓扑结构为以下结构中的一种： 多个二级管的串联结构、多个二级管的并联结构、电压倍增式结构、桥式结构。
[0017] 在上述任一技术方案中，优选的，在所述整流单元由多个二级管串联组成或并联 组成时，每个二极管还连接有电阻，以保护相应二极管。为了使二极管免受静电放电的损 坏，采用具有高值电阻的路径来保护二极管。
[0018] 在上述任一技术方案中，优选的，所述功率管理单元包括：电池和/或超级电容； 电压转换器，连接至所述电池和/或超级电容，用于将所述功率信号进行电压转换，并将经 电压转换后的功率信号输出至所述电池和/或超级电容，以对所述电池和/或超级电容进 行充电。以确保提供一个恒定的直流电压供给。可用一种低泄漏电容作为功率管理单元中 的存储部件，并用一个直流-直流转换器将低电压的电平拉高。根据本发明的另一方面，还 提供了一种同时进行射频能量提取和数据通信方法，包括：接收来自外部的射频信号；从 所述射频信号中提取出功率信号和数据信号；将所述功率信号输出至功率管理单元，以进 行能量储存，以及将所述数据信号输出至通信单元，以进行数据通信。
[0019] 在上述技术方案中，优选的，采用整流电路对所述射频信号进行整流处理，得到所 述功率信号和所述数据信号。
[0020] 在接收端口的输出中增加能量提取电路，从接收到的射频信号中提取出功率信号 和数据信号，该功率信号用于射频功率收集，数据信号用于数据通信。因此，能量提取电路 从接收到的射频载波上提取直流功率，并从相同的射频载波中得到支持数据通信所需要的 功率，实现了在数据通信的同时进行无线能量的收集。

【专利附图】

【附图说明】
[0021] 图1示出了相关技术中的六端口（常用的多端口之一）接收机的示意图；
[0022] 图2示出了根据本发明的一个实施例的接收装置的基本结构框架图；
[0023] 图3示出了根据本发明的一个实施例的接收装置的示意图；
[0024] 图4示出了对应于图3所示的接收装置的同时进行能量收集和数据通信的处理流 程不意图；
[0025] 图5示出了图3所示接收装置中的整流电路的示意图；
[0026] 图6示出了根据本发明的另一实施例的接收装置的示意图；
[0027] 图7示出了该整流器所获得的输出直流功率相对于输入功率的仿真和测量结果；
[0028] 图8示出了 RF-DC (射频-直流）转换效率相对于输入功率的仿真和测量结果；
[0029] 图9示出了根据本发明的实施例的同时进行射频能量提取和数据通信方法的流 程图。

【具体实施方式】
[0030] 为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实 施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施 例及实施例中的特征可以相互组合。
[0031] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可 以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开 的具体实施例的限制。
[0032] N端口接收机的基本工作原理和基本特征已在很多公开出版物中记载，为了方便 理解根据本发明的接收装置的工作原理，下面以六端口接收机为例，简单说明六端口接收 机的基本工作原理，虽然在下文中以六端口接收机为例，但应理解N端口接收机均可结合 于此来实现根据本发明的接收装置。
[0033] 图1示出了相关技术中的六端口接收机的示意图。
[0034] 如图1所示，描绘了一个六端口接收器的结构，一般来说，六端口接收器的结构主 要包括两个部分，即模拟前端102和数字前端104。模拟前端102由一个连接到功率检波 器网络的六端口 1022所组成。六端口 1022是一个线性器件，包括两个输入（接收到的射 频（RF)信号和本机振荡器（L0)信号）和四个输出（由RF和L0信号以一定的相位关系组 成四种不同的组合输出）。测得的功率信号通过模拟信号输入到模数转换器（ADC)，以将模 拟信号转换为数字信号，将转换后的数据输入到通信部分（例如FPGA)。数字前端104包 括模数转换器和通信部分。应理解，在一些实际情况下，ADC可能是包括在FPGA模块中的。 FPGA电路板包含必要的数字信号处理器，这是计算复基带信号所需要的。
[0035] 基于以前的多端口技术的研究和开发，根据本发明的接收装置的基本结构框架可 参见图2,功率采集器2042能够提取射频信号的射频能量，数据传输单元2044完成数据通 信，同时进行能量提取和数据传输。在这样的结构中，可实现数据信息和直流功率的同时接 收，数据信息可以从调制载波信号中提取出来，而直流功率可从射频载波分量来获得。
[0036] 同步能量收集和数据通信是下一代的自供电或混合能源和通信系统的一种很有 前景的方法。一般来说，结构简单、低功耗、体积小、成本低以及高速度都是新兴的无线收发 器所必须的。相比于外差式收发方案，多端口技术在收发器设计上的应用已经显示出显著 的优势。因为多端口零差技术的功率读取简单，而非采用大功率驱动的混频器，故多端口零 差技术一直很引人注目。因此，基于六端口的接收器是对现有接收拓扑结构的有利优化。除 了整流信号的I和Q分量之外，可从一个六端口接收机的输出端得到一个（DC)直流信号。 此直流分量可被循环使用或被用于对除电池外的系统供电。这将减轻电池的负担或延长电 池的使用寿命。因此，同步数据和能量的接收器是可被实现的，这种方案类似于混合气动/ 电动车辆，该车辆的运动可产生电力并再用于车辆自身的供电。
[0037] 为了实现一种同时具有双功能的数据和功率接收系统，六端口接收器的功率检测 器和滤波部分被整流模块所替代，该整流模块具有很高的射频-直流转换效率，并且也具 有分离中频或低频数据信号和直流功率信号的能力。参见图3,根据本发明接收装置基于 六端口接收技术，其主要包括一个六端口接头302，4个能量提取电路304, 一个功率管理单 元306和一个通信单元308,该通信单元308包括ADC模块和FPGA模块。在图3中，能量 提取电路304和功率管理单元306对应于图2中的功率采集器2042,通信单元308对应于 图2中的数据传输单元2044。六端口 302接收来自外部例如发射器的射频信号，能量提取 电路304对该射频信号进行处理，分离出直流功率信号和数据信号（中频或低频信号），其 中，直流功率信号被输出至功率管理单元306,进行能量收集，可为接收器供电，实现接收器 的自供电；数据信号被输出至通信单元308,实现数据传输。
[0038] 在图3中，由于基于六端口技术，因此有四路输出，在每一输出上连接一个能量提 取电路304,以提取每一输出上的射频能量。
[0039] 本领域技术人员应理解，虽然在本文中以六端口技术来说明根据本发明的接收装 置的实施例，事实上，目前的N端口接收技术均可结合于此，每一输出上连接一个能量提取 电路。
[0040] 根据本发明的接收装置的处理流程图可参见图4,图4是同时进行无线功率传输 和数据通信的处理流程图。
[0041] 如图4所示，首先，六端口接头接收来自外部的射频信号402,接着该射频信号被 输入整流电路进行处理404,整流电路的输出分为两个部分：传输给一个最佳的电阻负载 以实现功率收集的无线能量收集部分406,以及传输给数据通信单元以实现数据提取过程 的数据通信部分408。数据信号的提取是通过这些多端口数据信号的相干组合来实现的。 一旦从六端口接头的所有输出端收集到直流功率或整流波，全部收集到的直流电压将由功 率管理单元进行调节，以确保提供一个恒定的直流电压供给。可用一种低泄漏电容作为的 功率管理单元中的存储部件，并用一个直流-直流转换器将低电压的电平拉高。
[0042] 基于上面的描述可知，RF信号由接收天线接收后，通过六端口接头，在四个输出端 与L0信号结合，从而形成不同相位的四个信号。它们是在这四个输出端被注入进整流电路 的。该整流电路的输出信号通过一些过滤过程，然后转移到通信单元进行解调过程和数据 提取。这个过滤过程允许数据信号（基带）和整流直流的分离。最简单的电路可以用适当 的电容形式来做，这些电容器能允许基带通过，却能阻止全部的直流分量，直流分量可被重 新输入到功率管理单元中。
[0043] 在根据本发明的接收装置中，较重要的部分是能量提取电路，该能量提取电路可 由整流电路构成。下面结合图5进一步详细说明根据本发明的接收装置中的整流电路的基 于构成以及基本工作原理。
[0044] 如图5所示，一般情况下，与六端口接头502连接的整流电路可以包括：一个低通 滤波器或带通滤波器504 (在某些应用场景下该滤波器可能不是必需的），采用低通滤波 器或带通滤波器，取决于不同的工作频率，通过整流元件来抑制不想要的高次谐波；阻抗匹 配网络506 ;整流元件508,在本实施例中，该整流元件由一个或多个二极管组成，具体拓 扑结构决于接收装置结构的配置；一个用来平滑直流电压输出和提高系统性能的滤波电 路510,对在整流的非线性处理过程中所产生的高次谐波进行衰减；一个直流负载（或直 流-直流充电模块）。
[0045] 需说明的是，整流电路具有不同的拓扑结构，在本实施例中，可根据实际应用需要 来选择合适的拓扑结构，如多个二极管的串联结构，多个二极管的并联结构，电压倍增式结 构以及桥式结构。串联结构和并联结构可降低二极管损耗，并可作为低功率整流器设计的 较好的备选结构。在一个电压倍增式结构中的两个二极管组成的整流电路可以产生比单二 极管整流器至少高两倍的直流输出电压，同时电路的尺寸保持不变。应理解，上述例子仅仅 是一种示例，并不用于限制本发明。为实现无线功率传送，关键是实现射频到直流的高效 转换效率的整流电路。在设计具有高效的射频到直流的转换效率的整流电路中，二极管是 最重要的元件。一个整流器的功率转换效率主要是由二极管的三个参数来决定，串联电阻 (Rs)通过功率损失直接限制了效率，零偏结电容（CjO)，影响了通过二极管振荡的谐波电 流，以及击穿电压（Vbr)限制了整流电路的功率处理能力（这只在大功率应用上会用到）。 为了实现整流，有必要选择一个具有高速开关特性的二极管，以便能处理高频输入信号，并 且该二极管需具有较低的截止电压，以便在RF输入功率较低时能工作。
[0046] 接下来结合图6进一步说明根据本发明的接收装置的又一实施例。在本实施例 中，整流电路包括带通滤波器504、阻抗匹配网络506和整流元件、滤波电路510,其中整流 元件包括两个二极管￠02和604)，滤波电路510为电容。整流电路可将直流部分从中频或 低频部分分离出来，即从六端口 504的每个输出端口的整流波可收集到直流功率，并且同 时可保持整流波输出的中频或低频（与基带相关）部分，并将其发送到解码器执行解调过 程。在谐波抑制滤波器之后使用一个直流阻塞电容器来完成（应理解，该直流阻塞电容器 可被集成在过滤器中）。整流电路所收集到的直流部分提供了抵消系统功率载荷或给电池 充电所需的功率。而涉及接收到的RF信号的全部I和Q分量的中频或低频部分则被导入 到接收器的数据处理单元。
[0047] 如上所述，本发明提供了一种简单的整流拓扑结构，该结构可用在可能自供电的 收发器结构中。在本实施例中，还设计了两个使用高值电阻设计的阻值很高的路径来保护 二极管，使其免受静电放电（ESD)的损坏，并且当二极管被注入一个高动态范围的信号时 可防止二极管被烧毁。阻抗匹配网络的设计可根据二极管的输入阻抗来决定。
[0048] 为了确保本发明所提出的结构可正常工作在微波和毫米波频段，整流器被设计成 工作在24GHz。根据仿真结果，在35mW及610 Ω电阻负载的RF输入功率时的整流器是最佳 的。图7示出了该整流器所获得的输出直流功率相对于输入功率的仿真和测量结果，图8示 出了射频-直流转换效率相对于输入功率的仿真和测量结果。制作出来的样机是与23GHz 匹配的，故所记录的是在23GHz时所测得的效率，并且在该频率下它表现出了更好的性能。 仿真和制作出来的样机之间在24GHz产生的4%的频移（1GHz)是可以接受的。需说明的 是，在毫米波频段，效率的仿真和测量结果之间是有一定的差异的。这种偏差被认为是因为 整流二极管的非线性结电容的效果。当输入功率小于35mW时，转换效率逐渐增加，之后因 为二极管的电压超过击穿电压，转换效率即迅速下降。
[0049] 根据本发明的接收装置可应用于无线通信设备，例如手机、平板电脑、智能手表等 便携式移动设备。
[0050] 如图9所示，根据本发明的实施例的同时进行射频能量提取和数据通信方法，可 以包括以下步骤：
[0051] 步骤902,接收来自外部的射频信号；步骤904,从射频信号中提取出功率信号和 数据信号；步骤906,将功率信号输出至功率管理单元，以进行能量储存，以及将数据信号 输出至通信单元，以进行数据通信。
[0052] 在上述技术方案中，优选的，采用整流电路对射频信号进行整流处理，得到功率信 号和基带数据信号。
[0053] 在接收端口的输出中增加能量提取电路，从接收到的射频信号中提取出功率信号 和数据信号，该功率信号用于射频功率收集，数据信号用于数据通信。因此，能量提取电路 从接收到的RF载波上提取直流功率，并从相同的RF载波方案得到支持数据通信所需要的 功率，实现了在数据通信的同时进行无线能量的收集。
[0054] 以上结合附图详细说明了根据本发明的技术方案，根据本发明的接收装置能够同 时进行能量提取和数据通信，从而使射频能量可被循环使用或被用于对除电池外的系统供 电，这将减轻电池的负担或延长电池的使用寿命。
[0055] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种接收装置，其特征在于，包括： 接收端口，用于接收来自外部的射频信号； 能量提取电路，连接至所述接收端口，用于从所述射频信号中提取出功率信号和数据 信号，将所述功率信号输出至功率管理单元，以及将所述数据信号输出至通信单元进行数 据通信；所述功率管理单元，连接至所述能量提取电路，用于接收所述功率信号，储存所述 能量提取电路提取的能量。
2. 根据权利要求1所述的接收装置，其特征在于，所述能量提取电路包括整流电路，用 于对所述射频信号进行整流处理，得到所述功率信号和数据信号。
3. 根据权利要求2所述的接收装置，其特征在于，所述接收端口包括N个输出端口，所 述N为大于等于2的整数； 所述整流电路包括N个整流器，所述N个整流器与所述N个输出端口 一一对应连接。
4. 根据权利要求3所述的接收装置，其特征在于，每个整流器包括： 由多个二极管组成的整流单元，通过功率整流将所述射频信号转换成所述功率信号以 及通过干涉技术得到所述数据信号； 滤波电路，接收来自所述整流单元的输出信号，从所述输出信号中过滤出所述数据信 号，剩余信号为所述功率信号。
5. 根据权利要求4所述的接收装置，其特征在于，所述整流器还包括低通滤波器或带 通滤波器，连接在所述整流单元与所述接收端口之间，对所述射频信号进行过滤处理，并将 经过过滤处理的射频信号输出至所述整流单元。
6. 根据权利要求5所述的接收装置，其特征在于，所述整流器还包括阻抗匹配网络，连 接在所述低通滤波器或带通滤波器与所述整流单元之间。
7. 根据权利要求4所述的接收装置，其特征在于，所述滤波电路为电容和/或电感的拓 扑结构。
8. 根据权利要求4所述的接收装置，其特征在于，所述整流单元的拓扑结构为以下结 构中的一种： 多个二级管构成的串联结构、多个二级管构成的并联结构、电压倍增式结构、桥式结 构。
9. 根据权利要求4所述的接收装置，其特征在于，在所述整流单元由多个二级管串联 组成或并联组成时，每个二极管还连接有电阻，以保护相应二极管。
10. 根据权利要求1至9中任一项所述的接收装置，其特征在于，所述功率管理单元包 括： 电池或超级电容； 电压转换器，连接至所述电池或超级电容，用于将所述直流功率信号进行电压转换，并 将经电压转换后的功率信号输出至所述电池或超级电容，以对所述电池或超级电容进行充 电。
11. 一种同时进行射频能量提取和数据通信方法，其特征在于，包括： 接收来自外部的射频信号； 从所述射频信号中提取出功率信号和数据信号； 将所述功率信号输出至功率管理单元，以进行能量储存，以及将所述数据信号输出至 通信单元，以进行数据通信。
12.根据权利要求11所述的同时进行射频能量提取和数据通信方法，其特征在于，采 用整流电路对所述射频信号进行整流处理，得到所述功率信号和所述数据信号。
【文档编号】H02J17/00GK104113145SQ201410356181
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】吴柯 申请人:杭州柯茂睿海科技有限公司