本公开属于射频集成电路设计领域，涉及一种可重构的cmos射频能量采集系统。
背景技术：
近年来，无线传感网络(wsn)得到了广泛应用。无线传感器节点不仅需要较小的尺寸和较低的功耗，而且考虑到其可能应用于较恶劣的自然环境或者是植入式医疗设备中，无法进行电池的更换和有线充电，这就要求无线传感器节点还应具备较强的自供电能力。射频能量采集技术是目前解决wsn中能量受限问题的首选方案，即通过捕获周围环境中的微弱射频能量，将其转换为电能，为低功耗传感器节点提供工作所需的电源电压。
虽然射频能量采集技术具有很好的应用前景，但是也面临了诸多挑战：首先，环境中可用的射频信号功率很微弱，只有μw的量级，若要从μw量级的射频能量源中采集到所需的直流电压，射频能量采集系统必须具备高灵敏度和高效率，为了提高系统灵敏度，应降低整流器的开启电压；其次，射频能量采集系统的射频输入功率随时会发生不可预知的变化，这些变化会间接影响系统的能量转换效率。因此，射频能量采集系统效率的提高不能只是单一地提高某一特定输入功率下的效率，而是应该考虑如何解决效率随输入功率变化而不断变化这一问题，设法在更宽的输入功率范围内保持相对较高的能量转换效率。这就需要射频能量采集系统具备自调谐功能，能够根据输入功率的变化自适应地调节系统内部整流器和阻抗匹配网络的结构或参数，保持系统效率在一个相对较高值。
因而，针对以上射频能量采集系统所面临的问题，亟需一个高效的可自适应调谐的射频能量采集系统，使系统在宽输入功率范围内都能保持一个较高的能量转换效率。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种可重构的cmos射频能量采集系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种可重构的cmos射频能量采集系统，包括：低功率支路，用于将较低功率的射频能量转换成直流能量；高功率支路，用于将较高功率的射频能量转换成直流能量，包含：整流器结构和可调谐阻抗匹配网络，该整流器结构包含若干可进行串联、并联连接切换的整流器单元，该高功率支路能根据不同输入功率的射频能量配置不同的可调谐阻抗匹配网络和整流器结构，将不同输入功率的射频能量最大化的转换成直流能量；以及控制电路，根据不同输入功率的射频能量自动控制低功率支路与高功率支路的切换、以及控制高功率支路中可调谐阻抗匹配网络和整流器结构的配置。
在本公开的一些实施例中，低功率支路具有输入端、输出端、以及控制端，其输入端与射频天线相连，其输出端与cmos射频能量采集系统的输出端相连；高功率支路具有输入端、输出端、以及控制端，其输入端与射频天线相连，其输出端与cmos射频能量采集系统的输出端相连；控制电路，具有输入端和控制字输出端，其输入端分别与cmos射频能量采集系统的输出端和参考电压相连，其控制字输出端分别与低功率支路的控制端和高功率支路的控制端相连。
在本公开的一些实施例中，高功率支路还包含：开关s1，开关s1与可调谐阻抗匹配网络相连；以及开关s2，与整流器结构的输出端相连；其中，整流器结构，与可调谐阻抗匹配网络相连，包括：第二整流器、第三整流器、以及开关组，其中，开关组设置于第二整流器与第三整流器之间，实现第二整流器与第三整流器的串、并联转换，使第二整流器、第三整流器构成相互串联或并联可切换的整流器结构。
在本公开的一些实施例中，第二整流器和第三整流器的结构相同。
在本公开的一些实施例中，整流器单元为交叉耦合结构rf-dc整流器。
在本公开的一些实施例中，可调谐阻抗匹配网络包含：电容c1～c4，电感l1～l4，nmos开关管mn1～mn4，两个射频输入端rfin+、rfin-，两个射频输出端rfout+、rfout-和两个控制端g1、g2；其中，电容c1和nmos开关管mn1连接，构成第一支路；电容c2和nmos开关管mn2连接，构成第二支路；第一支路与第二支路并联，电容c1、c2分别与射频输入端rfin+相连，nmos开关管mn1、mn2分别与射频输入端rfin-相连；电容c3和nmos开关管mn3连接，构成第三支路；电容c4和nmos开关管mn4连接，构成第四支路；第三支路与第四支路并联，在电容c2、c3之间设置有电感l1，在nmos开关管mn2、mn3之间设置有电感l3；在第四支路包含电容c4的一端连接有电感l2，该电感l2与射频输出端rfout+相连；在第四支路包含nmos开关管mn4的一端连接有电感l4，该电感l4与射频输出端rfout-相连；控制端g1分别与开关管mn1、开关管mn3的栅极连接，控制端g2分别与开关管mn2、开关管mn4的栅极连接。
在本公开的一些实施例中，整流器单元包括：电容c1、c2，nmos管mn1、mn2，pmos管mp1、mp2；其中，c1的一端与可调谐阻抗匹配网络的射频输出端rfout+相连，另一端分别与mn1的源极和mp1的源极相连；c2的一端与可调谐阻抗匹配网络的射频输出端rfout-相连，另一端分别与mn2的源极和mp2的源极相连；mn1的漏极与mn2的漏极相连，mn1的栅极与mp1的栅极相连，同时连接到mn2和mp2的源极，mn1的源极与mp1的源极相连；mn2的漏极与mn1的漏极相连，mn2的栅极与mp2的栅极相连，同时连接到mn1和mp1的源极，mn2的源极与mp2的源极相连；mp1与mp2的漏极相连接。
在本公开的一些实施例中，在射频能量的输入功率介于-25dbm～-17dbm之间时，该cmos射频能量采集系统通过控制电路产生控制字，开启低功率支路，关断高功率支路；在射频能量的输入功率介于-17dbm～0dbm之间时，该cmos射频能量采集系统通过控制电路产生控制字，开启高功率支路，关断低功率支路。
在本公开的一些实施例中，当射频能量的输入功率介于-17dbm～-7dbm之间时，控制电路产生控制字，控制整流器单元进行并联，使该cmos射频能量采集系统在这个功率范围内的效率最大，同时，阻抗匹配网络也调谐到与并联的整流器结构相匹配；当射频能量的输入功率介于-7dbm～0dbm之间时，控制电路产生控制字，控制整流器单元进行串联，使该cmos射频能量采集系统在这个功率范围内的效率最大，同时，阻抗匹配网络也调谐到与串联的整流器结构相匹配。
在本公开的一些实施例中，低功率支路包括第一整流器，该第一整流器采用中等阈值mos管。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的可重构的cmos射频能量采集系统，具有以下有益效果：
通过设置低功率支路、高功率支路、以及控制电路，利用控制电路控制低功率支路和高功率支路的开启与关断，以及高功率支路中整流器和阻抗匹配网络的连接方式，能够根据不同的输入功率实现自适应调谐，通过可重构的方式实现对射频能量宽动态范围、高效率的能量采集；同时低功率支路中的整流器采用中等阈值mos管，能够采集更微弱的射频能量，可有效提高能量采集系统的灵敏度。
附图说明
图1为根据本公开一实施例所示的可重构的cmos射频能量采集系统的结构示意图。
图2为根据本公开一实施例所示的低功率支路中第一整流器的结构示意图。
图3为根据本公开一实施例所示的可调谐阻抗匹配网络的结构示意图。
图4为根据本公开一实施例所示的高功率支路中第二整流器和第三整流器的结构示意图。
【符号说明】
100-可重构的cmos射频能量采集系统；
110-低功率支路；
111-第一整流器；
120-高功率支路；
121-开关s1；122-可调谐阻抗匹配网络；
123-第二整流器；124-第三整流器；
125-开关组；126-开关s2；
130-控制电路。
具体实施方式
本公开提供了一种可重构的cmos射频能量采集系统，通过设置低功率支路、高功率支路、以及控制电路，利用控制电路控制低功率支路和高功率支路的开启与关断，以及高功率支路中整流器和阻抗匹配网络的连接方式，能够根据不同的输入功率实现自适应调谐，通过可重构的方式实现对射频能量宽动态范围、高效率的能量采集；同时低功率支路中的整流器采用中等阈值mos管，能够采集更微弱的射频能量，可有效提高能量采集系统的灵敏度。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。本公开中，术语“cmos射频能量采集系统”和“系统”含义相当；“中等阈值mos管”指的是：阈值电压比普通阈值电压低一半左右的mos管，如普通阈值电压为400mv-500mv，中等阈值mos管的阈值电压为200mv左右；“较低功率的射频能量”与“较高功率的射频能量”指的是本领域的常见的射频输入功率范围中较低功率的射频能量与较高功率的射频能量，例如：-25dbm～-17dbm的范围属于较低功率的射频能量；-7dbm～0dbm的范围属于较高功率的射频能量，在具体应用时，较宽功率范围的射频能量可根据实际情况进行适应性调整，均在本公开的保护范围之内。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种可重构的cmos射频能量采集系统。
图1为根据本公开一实施例所示的可重构的cmos射频能量采集系统的结构示意图。
本公开的可重构的cmos射频能量采集系统，包括：低功率支路，用于将较低功率的射频能量转换成直流能量；高功率支路，用于将较高功率的射频能量转换成直流能量，包含整流器结构和可调谐阻抗匹配网络，该整流器结构包含若干可进行串联、并联连接切换的整流器单元，该高功率支路能根据不同输入功率的射频能量配置不同的可调谐阻抗匹配网络和整流器结构，将不同输入功率的射频能量最大化的转换成直流能量；以及控制电路，根据不同输入功率的射频能量自动控制低功率支路与高功率支路的切换、以及控制高功率支路中可调谐阻抗匹配网络和整流器结构的配置。
参照图1所示，可重构的cmos射频能量采集系统100，包括：低功率支路110，具有输入端、输出端、以及控制端，其输入端与射频天线相连，其输出端与cmos射频能量采集系统的输出端vout相连；高功率支路120，具有输入端、输出端、以及控制端，其输入端与射频天线相连，其输出端与cmos射频能量采集系统的输出端vout相连；以及控制电路130，具有输入端和控制字输出端，其输入端分别与cmos射频能量采集系统的输出端vout和参考电压相连，其控制字输出端分别与低功率支路110的控制端和高功率支路120的控制端相连。
本公开的可重构的cmos射频能量采集系统，在较宽的输入功率范围内，比如：-25dbm～0dbm，可根据输入功率自动调谐该cmos射频能量采集系统内部的整流器和阻抗匹配网络结构，使其在宽输入功率范围内都具有较高的功率转换效率。具体的，当输入功率较微弱时，比如，输入功率值范围为：-25dbm～-17dbm，该cmos射频能量采集系统通过控制电路130产生控制字，开启低功率支路110，关断高功率支路120，其中，低功率支路110中的第一整流器111采用中等阈值mos管，能够采集更微弱的射频能量，可有效提高能量采集系统的灵敏度，使该cmos射频能量采集系统在较低输入功率时具备较高的效率；随着输入功率的增加，低功率支路110的第一整流器111的功率转换效率会逐渐下降，因此，为了维持系统的高效率，此时需要使系统切换到高功率支路120，同时关断低功率支路110，通过控制电路130产生控制字，开启高功率支路120，关断低功率支路110，并且根据不同的输入功率自动调整高功率支路120中整流器和阻抗匹配网络的连接方式，能够实现自适应调谐，通过可重构的方式实现对射频能量宽动态范围、高效率的能量采集。
下面结合附图，对本实施例的可重构的cmos射频能量采集系统的各部分进行详细介绍。
本实施例中，参照图1所示，低功率支路110包含第一整流器111，该第一整流器111的输入端与低功率支路110的输入端，即与射频天线相连；该第一整流器111的输出端与低功率支路110的输出端，即与cmos射频能量采集系统的输出端vout相连；该第一整流器111的地端与地信号相连。
图2为根据本公开一实施例所示的低功率支路中第一整流器的结构示意图。
为了进一步提高系统灵敏度，对低功率支路110的第一整流器111采用中等阈值mos管实现，降低了整流器的开启电压，可将更低输入功率的射频能量转换成直流能量，有效的提高了射频能量采集系统的灵敏度。
参照图2所示，本实施例中，第一整流器111包含：一个直流输入端vindc、一个直流输出端voutdc、两个射频输入端rfin+和rfin-、第一级整流单元、第二级整流单元、以及第三级整流单元；
其中，第一级整流单元的直流输入端与第一整流器111的直流输入端vindc相连，第一级整流单元的直流输出端与第二级整流单元的直流输入端相连，第一级整流单元的两个射频输入端分别与第一整流器111的两个射频输入端rfin+和rfin-相连。
其中，第二级整流单元的直流输入端与第一级整流单元的直流输出端相连，第二级整流单元的直流输出端与第三级整流单元的直流输入端相连，第二级整流单元的两个射频输入端分别与第一整流器111的两个射频输入端rfin+和rfin-相连。
其中，第三级整流单元的直流输入端与第二级整流单元的直流输出端相连，第三级整流单元的直流输出端与第一整流器111的直流输出端voutdc相连，第三级整流单元的两个射频输入端分别与第一整流器111的两个射频输入端rfin+和rfin-相连。
参照图1所示，本实施例中，高功率支路120包含：开关s1121、可调谐阻抗匹配网络122、第二整流器123、第三整流器124、开关组125、以及开关s2126；其中，开关s1121与可调谐阻抗匹配网络122相连，可调谐阻抗匹配网络122分别与第二整流器123、第三整流器124相连，开关组125设置于第二整流器123与第三整流器124之间，实现第二整流器123与第三整流器124的串、并联转换，第二整流器123、第三整流器124构成串联或并联连接可切换的整流器结构，该整流器结构的输出端与开关s2126相连。
高功率支路120会根据具体的输入功率情况进行整流器单元的串、并联转换，例如，当输入功率在-17dbm～-7dbm范围内时，控制电路130会输出控制字使第二整流器123和第三整流器124这两个整流器单元进行并联，使系统在这个功率范围内的效率为最大，同时，可调谐阻抗匹配网络122也需调谐到与并联的整流器结构相匹配。当输入功率继续增大，并联结构的效率已不再是最优，系统则通过控制电路输出控制字，将整流器结构变成第二整流器123和第三整流器124这两个整流器单元串联的形式，使其在高输入功率范围内，例如：-7dbm～0dbm，具备最大的功率转换效率，同时阻抗匹配网络也需调谐到与串联的整流器结构相匹配。这样射频能量采集系统就实现了在较宽输入功率范围内都具备最大功率转换效率。
下面根据图1具体介绍高功率支路120的电路结构。
本实施例中，参照图1所示，开关s1121的一端与高功率支路120的输入端，即射频天线相连；开关s1121的另一端与可调谐阻抗匹配网络122的输入端相连；可调谐阻抗匹配网络122的输出端同时与第二整流器123和第三整流器124的输入端相连；第二整流器123和第三整流器124之间设置有开关组125，开关组125包括开关sa、sb和sc，其中，开关sa的一端与第三整流器124的输出端相连，开关sa的另一端与第二整流器123的地端相连；开关sb的一端与第二整流器123的地端相连，开关sb的另一端与地信号相连；开关sc的一端与第三整流器124的输出端相连，开关sc的另一端与第二整流器123的输出端相连；第二整流器123的输出端与开关s2126的一端相连，同时也与开关组125中开关sc的另一端相连；第二整流器123的地端与开关组125中开关sb的一端相连，同时与开关组125中开关sa的另一端相连；第三整流器124的输出端同时与开关组125中开关sa和sc的一端相连；开关s2126的另一端与高功率支路120的输出端，即cmos射频能量采集系统的输出端vout相连。
图3为根据本公开一实施例所示的可调谐阻抗匹配网络的结构示意图。
参照图3所示，可调谐阻抗匹配网络122包含：电容c1～c4，电感l1～l4，nmos开关管mn1～mn4，两个射频输入端rfin+、rfin-，两个射频输出端rfout+、rfout-和两个控制端g1、g2；其中，电容c1和nmos开关管mn1连接，构成第一支路；电容c2和nmos开关管mn2连接，构成第二支路；其中，第一支路与第二支路并联，电容c1、c2分别与射频输入端rfin+相连，nmos开关管mn1、mn2分别与射频输入端rfin-相连；电容c3和nmos开关管mn3连接，构成第三支路；电容c4和nmos开关管mn4连接，构成第四支路；其中，第三支路与第四支路并联，在电容c2、c3之间设置有电感l1，在nmos开关管mn2、mn3之间设置有电感l3；在第四支路包含电容c4的一端，连接有电感l2，该电感l2与射频输出端rfout+相连；在第四支路包含nmos开关管mn4的一端，连接有电感l4，该电感l4与射频输出端rfout-相连；控制端g1分别与开关管mn1、开关管mn3的栅极连接，控制端g2分别与开关管mn2、开关管mn4的栅极连接。
下面根据图3具体介绍可调谐阻抗匹配网络122的电路结构。
本实施例中，参照图3所示，c1的一端与射频输入端rfin+相连，同时与l1和c2的一端相连接，c1的另一端与开关管mn1的漏极连接；开关管mn1的栅极与控制端g1相连，源极与射频输入端rfin-相连，同时与l3的一端、与开关管mn2的漏极连接；l1的另一端同时与c3、c4和l2的一端相连；c2的另一端与开关管mn2的漏极连接；开关管mn2的栅极与控制端g2相连，源极与射频输入端rfin-相连；l3的另一端与l4的一端相连，同时与开关管mn3和mn4的源极相连接；c3的另一端与开关管mn3的漏极连接；开关管mn3的栅极与控制端g1相连；c4的另一端与mn4的漏极相连；开关管mn4的栅极与控制信号g2相连；l2的另一端与射频输出端rfout+相连；l4的另一端与射频输出端rfout-相连。
图4为根据本公开一实施例所示的高功率支路中第二整流器和第三整流器的结构示意图。
本实施例中，高功率支路120中的第二整流器123和第三整流器124优选采用相同的整流器单元，均为交叉耦合结构rf-dc整流器，采用相同结构的整流器单元，其优点是只需控制开关改变整流器单元之间的串、并联方式即可实现不同的整流器结构，覆盖不同的输入功率范围，通过结构复用节省了芯片面积。
如图4所示，交叉耦合结构的整流器单元包括：电容c1、c2，nmos管mn1、mn2，pmos管mp1、mp2；其中，c1的一端与可调谐阻抗匹配网络122的射频输出端rfout+相连，另一端分别与mn1的源极和mp1的源极相连；c2的一端与可调谐阻抗匹配网络122的射频输出端rfout-相连，另一端分别与mn2的源极和mp2的源极相连；mn1的漏极与mn2的漏极相连，mn1的栅极与mp1的栅极相连，同时连接到mn2和mp2的源极，mn1的源极与mp1的源极相连；mn2的漏极与mn1的漏极相连，mn2的栅极与mp2的栅极相连，同时连接到mn1和mp1的源极，mn2的源极与mp2的源极相连；mp1与mp2的漏极相连接，并与输出voutdc连接在一起。
参见图1所示，本实施例中，控制电路130的输入端分别与cmos射频能量采集系统的输出端vout和参考电压vref1、vref2、vref3相连，控制字输出端分别与低功率支路的控制端和高功率支路的控制端相连。
该控制电路130可根据输入功率自动调谐该cmos射频能量采集系统内部的整流器和阻抗匹配网络结构，使其在宽输入功率范围内都具有较高的功率转换效率。当输入功率较微弱时，比如，输入功率值范围为：-25dbm～-17dbm，该cmos射频能量采集系统通过控制电路130产生控制字，开启低功率支路110，关断高功率支路120，其中，低功率支路110中的第一整流器111采用中等阈值mos管，能够采集更微弱的射频能量，可有效提高能量采集系统的灵敏度，使该cmos射频能量采集系统在较低输入功率时具备较高的效率；随着输入功率的增加，低功率支路110的第一整流器111的功率转换效率会逐渐下降，因此，为了维持系统的高效率，此时需要使系统切换到高功率支路120，同时关断低功率支路110，通过控制电路130产生控制字，开启高功率支路120，关断低功率支路110，并且根据不同的输入功率自动调整高功率支路120中整流器和阻抗匹配网络的连接方式。当输入功率在-17dbm～-7dbm范围内时，控制电路130会输出控制字使第二整流器123和第三整流器124这两个整流器单元进行并联，使系统在这个功率范围内的效率为最大，同时，阻抗匹配网络122也需调谐到与并联的整流器结构相匹配。当输入功率继续增大，并联结构的效率已不再是最优，系统则通过控制电路输出控制字，将整流器结构变成第二整流器123和第三整流器124这两个整流器单元串联的形式，使其在高输入功率范围内，例如：-7dbm～0dbm，具备最大的功率转换效率，同时阻抗匹配网络也需调谐到与串联的整流器结构相匹配，能够实现自适应调谐，通过可重构的方式实现对射频能量宽动态范围、高效率的能量采集。
综上所述，本公开提供了一种可重构的cmos射频能量采集系统，通过设置低功率支路、高功率支路、以及控制电路，利用控制电路控制低功率支路和高功率支路的开启与关断，以及高功率支路中整流器和阻抗匹配网络的连接方式，能够根据不同的输入功率实现自适应调谐，通过可重构的方式实现对射频能量宽动态范围、高效率的能量采集；同时低功率支路中的整流器采用中等阈值mos管，能够采集更微弱的射频能量，可有效提高能量采集系统的灵敏度。
需要说明的是，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。