CN104254958A - 能量收集系统 - Google Patents

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Abstract

本文提出了一种用于收集环境中传播的电磁能量的系统。所述系统包括天线单元、收集单元和输入信号适配电路。天线单元被配置成从环境中接收外部电磁辐射，产生相应的电输出。收集单元包括至少一个能量收集电路，每个能量收集电路被配置成并操作为接收指示天线单元的输出的信号，生成并储存相应的电荷，收集电路包括：整流单元，整流单元包括多个整流器，每个整流器被配置成并操作为接收AC电信号，生成相应的DC电功率；以及电荷采集单元，电荷采集单元被配置成并操作为从所述整流单元接收多个DC电功率，将DC电功率转换并积累成表示所收集能量的电荷。输入信号适配电路具有连接到天线单元的输入和连接到整流单元的输出，输入信号适配电路被配置成并操作为调节天线单元和整流单元的预定电性质，从而优化收集电路接收天线单元的电输出。

Description

能量收集系统
技术领域
本发明属于能量收集技术领域，并且涉及可以用在包括医疗装置(例如植入装置)以及电动汽车和各种家用装置的各种应用中的能量收集系统。
背景技术
最近二十年来，电磁通信(诸如RF通信)的使用在人类生活的方方面面(包括移动/卫星通信、医疗等领域)急剧增加，而无线电频谱的不同部分可以用于不同的无线电传输技术和应用(例如TV(电视)或蜂窝应用)。通常，根据国际电信联盟(ITU)的无线电规程，无线电频谱由所有国家的国民、政府和军方用户共享。因此，全世界的人们被在空中传播的具有不同频率和强度的各种电磁信号(辐射)包围。
在本领域中已经进行了一些尝试来采集在空中传播的电磁信号、并产生电力。所说的这种技术中的一些技术例如在以下专利：EP 1,722,284、US 2009/105,782和JP 10146077中有描述。
近年来，在医学植入和附连装置方面取得了快速的技术进步。然而，这些装置中的大多数装置(即使不是所有装置)都要求电力作为其能源。每一个这样的医疗装置使用电池作为一次性电源。就诸如心脏起搏器或除颤器的植入装置来说，每次更换电池都要求重复手术，这会危及病人使他们暴露于各种风险以及手术前担忧、术中的不方便和随后的恢复期。就诸如助听器的附连装置来说，根据装置的类型，一天或一星期更换电池一次也是令人的讨厌。
因此，显然希望有能够对这些装置中的电池充电并可能不需要电池的机制。
发明内容
本领域需要能够以最有效的方式有效采集、使用电磁辐射(例如RF信号)并储存所收集的能量以便供应到电力负载(诸如可充电电池或电力装置以便能够对所述电池充电或操作所述电力装置)的新的能量收集方法。用于收集电磁能量的技术在同一发明人的美国专利申请号13/116554中有描述，其通过引用被全文并入本文中。这种系统从功能上允许从环境中收集已经存在的RF辐射，并将RF辐射转换成可用的能源。
本发明提供一种新的能量收集系统和方法以及一种用于能量收集系统中的新的天线单元。本发明的天线单元被配置成从环境中接收外部电磁辐射，并产生相应的输出电信号。天线单元包括与具有不同的电和/或磁性质的传输介质关联(例如位于传输介质中)的至少两个导电元件。
当从空气中可用的来源收集RF能量时，由于所接收信号的频率和强度的变化，系统的效率是至关重要的。决定收集系统的效率的一个重要因素是天线单元的预定电性质和整流单元的预定电性质的匹配/调节的程度。更具体地，这可能是整流电路的阻抗和输入信号的强度之间的匹配。整流器的阻抗以输入信号的强度的函数动态地变化。更具体地，当输入信号相对于整流器的导电阈值是低功率信号时，整流器的阻抗非常高。当输入信号的强度增大到接近整流器的导电阈值时，整流器的阻抗降低，直到信号的强度超过整流器的导电阈值，整流器的阻抗下降。在静态系统中，整流器被配置成使得它的阻抗匹配输入信号的某个强度水平，但在其它强度，是不匹配的，效率大大降低。因此，可能需要输入信号适配单元/电路，例如适配阻抗匹配单元，其被配置成并操作为动态地/选择性根据变化的输入信号的强度将整流器的阻抗与天线单元的阻抗进行匹配。
满足整流器阻抗的动态变化需要的一种方式是通过提供输入阻抗的动态有源改变。然而，这种技术造成能量消耗，导致能量浪费。
因此，在一些应用中期望通过无源单元来实现这种动态阻抗匹配。关于这一点，应当理解本文中使用的词语“无源单元(passive unit)”和“有源单元(active unit)”指各自基于其预定的工作参数/条件自动操作以及由专用控制器操作以改变工作参数/条件中的一个或多个的单元/电路。本发明提供这种无源滤波单元，其操作以匹配(从天线单元接收的)不同的输入强度的信号的整流器的阻抗，并在所有的输入强度水平最大化收集系统的效率。
在收集电磁能量时，每个整流器的电容器通常很小。然而，需要储存源于几个整流器以及源于同一整流器随时间变化的大的电荷量。本发明提供一种新的电荷采集单元，其可以基于以下两种将在收集过程中获得的小电荷收集到大储存器(即具有相对较大电容的电容器)的新方法中的任何一种方法。在本发明中，这是通过使用开关拓扑电路或者使用允许将获得的小电荷传输到大电容器以实现大电荷储存的适当的电压至电流转换来实现的。为此目的，本发明提供电荷采集单元，所述电荷采集单元包括信号求和单元，所述信号求和单元被配置成并操作为从整流单元的多个整流器接收多个DC电功率，转换DC电功率并将DC电功率积累成电荷(通过电压至电流转换或者开关拓扑电路)，这里，这种电荷代表所收集的能量。
因此，根据本发明的一个宽泛方面，提供了一种用于收集在系统所暴露的环境中传播的电磁能量的系统。所述系统包括：天线单元，所述天线单元被配置成从环境中接收外部电磁辐射，产生相应的电输出；收集单元，所述收集单元包括一个或多个收集电路，其中，每个收集电路被配置成并操作为接收指示所述天线单元的输出的信号，生成并储存相应的代表所收集能量的电荷；以及输入信号适配电路，所述输入信号适配电路具有连接到所述天线单元的输入和连接到所述整流单元的所述至少一个收集电路的输出，所述输入信号适配电路操作为调节所述天线单元和所述至少一个收集电路的预定义电性质，从而优化所述至少一个收集电路接收所述天线单元的电输出。
应当注意的是，在本申请中，词语“单元”和“电路”是互换使用的，原因是他们实际上指限定用于影响/处理电输入的某些功能的一个或多个电路。
收集电路包括：整流单元，所述整流单元包括多个整流器，每个整流器被配置成并操作为接收AC电信号，生成相应的DC电功率；以及电荷采集单元，所述电荷采集单元被配置成并操作为从所述整流单元接收多个DC电功率，转换DC电功率，并将DC电功率积累成代表所收集能量的电荷。
通常，天线单元可以是任何已知的适当配置。不过，优选可以使用本发明的新的天线结构。这种新的天线结构包括至少两个导电元件，所述至少两个导电元件与电和磁性质中至少一个不同的不同的传输介质关联。应当理解，在本文中这种结构只在它响应于结构所暴露的电磁辐射(典型情况是RF辐射)并提供相应的电输出(响应信号)的意义上称作“天线单元”。
在一些实施例中，这样的至少两个不同的传输介质例如可以包括至少两个不同的有生命的组织(在这种情况下，天线单元可以植入主体中)；或者可以包括有生命的组织和空气(在这种情况下，天线单元附连到主体)。然而，应当理解，本发明的天线单元不局限于这些示例，也不局限于任何具体的介质。
输入信号适配单元被配置成并操作为通过将天线单元和整流单元的电参数(例如阻抗)进行匹配来优化收集电路的整流单元接收天线输出。
在一些实施例中，输入信号适配单元包括阻抗匹配单元和连接到阻抗匹配单元的滤波单元。阻抗匹配单元被配置成匹配天线单元的阻抗和滤波单元的阻抗。滤波单元被配置成并操作为将所接收的在环境中传播的RF频带排序成预定数目的子带，每个子带具有预定值的中心频率、带宽和强度。子带的预定数目对应于整流单元中整流器的数目。
在一些实施例中，输入信号调节单元包括适配阻抗匹配单元和连接到适配阻抗匹配单元并对其进行配置和操作的控制单元。适配阻抗匹配单元被配置成并操作为可控地将整流单元的整流器的阻抗调节成由天线单元接收的多个频带的信号强度。
在一些实施例中，电荷采集单元包括信号求和单元，信号求和单元包括开关拓扑电路和控制器。开关拓扑电路包括与整流单元中整流器的数目对应的预定数目的电容器，所有的电容器都电连接到储存电容器。连接到各个整流器的输出的电容器具有相对较小的电容值，而储存电容器具有相对较大的电容值。开关拓扑电路适于借助对应的多个“小”电容器在分别从多个整流器接收的多个DC信号之间可控地切换，以用于功率求和和在“大”电容器上储存相应电荷。
在一些实施例中，电荷采集单元包括信号求和单元，信号求和单元包括电压至电流单元。电压至电流单元包括预定数目的电压至电流转换电路，电压至电流转换电路具有分别连接到相应数目的整流器的输出的输入并具有连到储存电容器的输出。电压至电流单元因此适于通过多个电压至电流转换电路转换并将从多个整流器接收的多个DC信号/功率求和。
所述系统可以进一步包括控制单元，所述控制单元连接到输入信号适配单元(例如阻抗匹配单元)和电荷采集单元中的至少一个。考虑控制单元连接到包括上文描述的开关拓扑电路的至少电荷采集单元，控制单元操作开关拓扑以借助相对较小电容值的对应的多个“小”电容器在分别从多个整流器接收的多个DC信号之间可控地切换，以用于功率求和和在“大”电容器上储存相应电荷。
应当注意，相同的输入信号适配单元可以与多个收集电路关联。同样，相同的电荷采集单元可以通过将电荷采集单元的输入的数目调节为由多个收集电路限定的整流器的总数，与多个收集电路关联。
收集单元可以包括用于将电荷采集单元的输出(由形式为大电容器的电荷储存工具限定)连接到至少一个电负载的连接端口。至少一个电负载可以包括以下当中的至少一个：可充电电池、医疗装置、电动汽车组件、用于家庭使用的电力装置。医疗装置可以包括以下当中的至少一个：起搏器、除颤器和助听器。电动汽车组件包括以下当中的至少一个：电气附件、音频系统和放大器、TV和DVD系统、GPS系统、空调系统、报警系统、灯光和布线系统。
根据本发明的另一宽泛方面，提供了一种天线单元，所述天线单元被配置成并操作为从环境中接收外部电磁辐射，产生相应的输出电信号。天线单元包括至少两个导电元件，所述导电元件位于电和/或磁性质不同的至少两个不同的传输介质中。所接收的外部电磁辐射在所述至少两个导电元件之间产生电势差，产生输出电信号，从而允许从环境中摄取外部电磁辐射。
如上文提到的，在一些具体但非限制性示例中，不同的传输介质可以包括不同的有生命的组织；或者有生命的组织和空气。
根据本发明的又一宽泛方面，提供了一种与暴露到在环境中传播的RF频带的电磁辐射中的天线一起使用的输入信号适配单元。所述输入信号适配单元包括阻抗匹配单元和连接到所述阻抗匹配单元的滤波单元。所述阻抗匹配单元被配置成并操作为将所述天线单元的阻抗和所述滤波单元的阻抗进行匹配，所述滤波单元适于将RF频带排序成预定数目的子带，每个子带有预定频率、带宽和强度。
本发明在其进一步的宽泛方面涉及一种电荷采集单元，所述电荷采集单元包括信号求和单元，所述信号求和单元适于接收多个DC电信号，将形式为储存电容器上的电荷的DC电信号求和，所述信号求和单元包括开关拓扑单元和电压至电流单元中的至少一个。
所述开关拓扑单元可以包括预定数目的电容器，所述电容器具有相对较小的电容值并分别连接到相应数目的整流器的输出以及连接到相对较大电容值的所述储存电容器。所述开关拓扑单元适于借助预定数目的电容器在从所述整流器接收的DC电源之间可控地切换，以用于功率求和。
所述电压至电流单元可以包括预定数目的电压至电流转换电路，所述电压至电流转换电路具有分别连接到相应数目的整流器的输出的输入和连接到所述储存电容器的输出。所述电压至电流单元因而被配置成并操作为通过所述电压至电流转换电路将从所述多个整流器接收的多个DC电源进行转换和求和。
附图说明
下文参照所附的附图描述图示本申请的变形的示例。在附图中，出现在超过一个图中的相同的结构、元件或零件通常在出现的所有图中标示相同的数字。附图中示出的组件和特征的尺寸通常是为呈现的方便和简洁选择的，不一定是按比例绘制的。所呈现的附图形式为示意图示，因此，某些元件可以被大大简化或者不是成比例绘制的，目的是为了图示简洁。附图不旨在是生产附图。附图在下文列出。
图1A-1D是示意性图示本发明的能量收集系统的配置的几个示例的框图；其中，在图1A的示例中，系统主要组件的操作模式是无源模式，这种模式不需要另外的适配就能获得收集系统的适当操作，在图1B所示的示例中，系统主要组件的操作模式是有源模式，这种模式需要将系统的特定单元的操作调节为收集过程的当前状态；图1C和1D图解说明系统的主要组件的操作模式采用半有源模式的两个示例。
图2是本发明的天线单元与植入到人体中的心脏起博器一起使用的一个示例的示意图示。
图3是本发明的天线单元与插入到个人的耳朵中的助听器一起使用的另一示例的示意图示。
图4A-4B是示意性图示本发明的两元件天线系统的示例的框图，两元件天线系统被配置成并操作为从环境中接收能量(图4A)或者连接到发射单元(图4B)。
图5是被配置成最大化RF收集系统的效率的滤波单元的示意框图图示。
图6是用于对整流元件的电容器充电的标准电路的示意框图图示。
图7是用于将小电容器的电荷积累到大电容器的系统的示意框图图示。
图8是在充电开关位置用于将小电容器的电荷积累到大电容器的系统的示意框图图示。
图9是在放电开关位置用于将小电容器的电荷积累到大电容器的系统的示意框图图示。
图10是在单一放电开关位置用于将小电容器的电荷积累到大电容器的系统的示意框图图示。
图11是用于通过将所储存的电荷转换成电流源将小电容器的电荷积累到大电容器的系统的示意框图图示。
具体实施方式
尽管本申请的各个特征可以在单个实施例的背景下描述，但这些特征还可以单独地或以任何适当组合提供。相反，尽管为了简洁本申请在本文中是在分开的实施例的背景下描述的，但本申请还可以在单个实施例中实现。而且，应当理解，本申请可以以各种方式实现或实践，本申请可以在除了本文中下面所描述的示例性实施例之外的实施例中实现。在说明书以及权利要求书中出现的描述、示例和材料不应当解读为是限制性的，而是说明性的。
参照图1A-1D，通过框图，显示了本发明的能量收集系统的配置的几个实施例。所述系统包括：诸如天线单元110、能量收集单元90和输入信号适配单元125这样的主要结构部分，能量收集单元90包括一个或多个收集电路，每个收集电路接收并处理天线单元110的输出。收集电路包括整流单元140和电荷采集布置150，两者中任一个包括储存电容器，或者连接到具有这种储存电容器的单独的储存单元170，用于积累表示所收集能量的电荷。
图1A图解说明能量收集系统配置100，其中，主要组件的操作模式是无源模式，即不需要另外的适配就能获得收集系统的适当操作的模式。系统100包括天线单元110、能量收集单元90和输入信号适配单元125。收集单元90包括整流单元140和电荷采集布置150。在此示例中，输入信号适配单元125包括阻抗匹配单元120和滤波单元130，其操作将在下面进行描述。同样，在此示例中，电荷采集布置150包括电压至电流转换器152，这将在下面进一步具体描述。
通常，天线单元可以是任何已知的适当种类。优选地，系统100中使用的天线单元110采用本发明的新的天线配置。此新配置的天线单元110包括至少两个导体(导电元件)112和113，他们位于构成传输介质115和116的至少两个不同的物质中，具有不同的电和/或磁性质。由于物质115和116的不同的电和/或磁性质，天线单元的环境中的RF辐射在导电元件112和113上产生不同的电势。两个导电元件之间的电势差通过收集电路由收集单元90接收，然后被输入适配单元125处理。为此目的，信号通过单元120经历阻抗匹配，通过单元130经历滤波，单元120、130一起操作以将天线单元110的阻抗调节成整流单元140的阻抗，从而允许所接收信号的最佳传送。
通常，阻抗匹配单元120用来实现最大的电磁能量/功率从天线单元到收集单元的传输。在此图所示的配置中，天线单元110的阻抗包括传输介质的阻抗和导电元件的阻抗，他们将所接收的能量传输到收集单元中。为了将最大的电磁功率从天线传输到收集单元中，天线的阻抗Z天线需要等于(通常尽可能接近)收集单元阻抗的共轭复数Z* 收集单元，即要满足下面的条件：
Z天线＝Z* 收集单元
阻抗匹配单元120可以包括适当的可以包含电容元件和电感元件组合的电路。通常，阻抗匹配单元120可以是现有技术中已知的任何适当配置。
所接收的信号然后传送到滤波单元130。滤波单元130被配置成并操作作为光谱过滤器，并包括一个或多个滤波器的阵列/集合，他们将从天线单元110接收的信号排序/分配到预定的频带。根据本发明的光谱过滤过程是非有源的过程，含义是主要涉及将具有不同强度表征的不同信号频率进行排序。滤波单元的一个具体但非限制性示例将参照图5在下文中进一步描述。滤波器的集合/阵列中的最后的每个滤波器的输出可连接到整流单元140中包括的多个整流器中的专用整流器。整流器被配置成将相应的滤波RF信号根据初级预期的信号强度转换成DC信号，不需要通常消耗能量的有源匹配过程。
整流单元140包括与电荷采集单元的信号求和元件关联的整流器阵列。每个整流器的输出连接到适于接收多个DC电信号的信号求和元件，执行求和，以便允许其储存在储存电容器/单元170中。
在图1A的这个具体但非限制性示例中，整流单元140中每个整流器的输出连接到电压至电流单元152中的相应的电压至电流转换电路。电压至电流单元152被配置成并操作为将几个DC电源相加成一个储存单元170。应当注意，电压至电流单元152优选被配置成允许无源地将几个DC电源积累成公共储存，不需要有源操作，不会引起短路和/或将几个DC电压源直接连接时通常会出现的求和DC电源之间的干扰影响，这将在后文参照图11详细描述。储存单元170被配置成采集全部所收集的能量，储存单元170可以进一步连接到一个或多个电负载(未显示)，诸如可充电电池或电力装置。
图1B图解说明能量收集系统配置102的另一示例，其中，主要组件的操作模式是需要控制单元将系统的特定单元的操作调节成收集过程的当前状态的有源模式。系统102大致与上文描述的系统100类似地配置，因为它包括天线单元110，天线单元110优选根据本发明配置，即包括位于不同的传输介质115和116中的两个导体112和113，并包括收集单元92和输入信号适配单元125。类似于上文描述的示例，收集单元92包括整流单元140和电荷采集布置150。在此示例中，输入信号适配单元125包括适配阻抗匹配单元122和控制工具180。适配阻抗匹配单元122被配置成将天线单元110的阻抗调节为整流单元140的阻抗，从而允许最佳传送所接收的信号。
通常，为了从电磁波中收集能量，需要将从天线单元接收的收集能量整流，从而接收可以重新用作能源的DC电能。整流单元的输入特征阻抗是不稳定的，可以根据整流器输入上的输入RF水平的函数，从几欧变成几兆欧。此外，天线单元的特征阻抗可以是稳定的或者不稳定的。允许将稳定的或不稳定的天线适配成不稳定的输入阻抗前端电路的一种技术是适配阻抗匹配技术。
适配阻抗匹配单元122被配置并由控制单元180操作以不断地将天线阻抗适配成收集电路的不稳定特征阻抗。为此目的，控制单元180操作以控制阻抗匹配单元的参数，使整流器的阻抗匹配天线单元的阻抗。控制单元180操作为根据收集电路上的输入电压改变阻抗匹配单元122的阻抗。控制单元180被配置成并操作为通过根据在电路的预定位置测量的电特征改变阻抗匹配单元122的阻抗，从而最大化电系统的效率。控制电路180操作以改变阻抗匹配单元的输入和输出阻抗值中的至少一个，从而最大化预定位置的电压。控制单元可以是优选由线性电子元件配置的电子单元或者在电子装置上操作的软件工具。控制单元具有：至少两个输入端口，以检测所述预定位置的电参数；比较器模块，以比较所检测参数；以及至少一个输出端口，以向阻抗匹配单元提供控制信号从而改变其阻抗。在图1B图示的具体示例中，控制单元180适于根据所接收信号的强度控制阻抗的适配。
所接收的信号然后传送到整流单元140中的整流器，整流器被调节为将RF信号转换成DC信号。整流单元140的每个整流器的输出连接到电荷采集布置150。在图1B的示例中，电荷采集布置150包括开关拓扑单元190和控制工具，电荷采集布置150被配置成并操作为允许将几个DC电源相加成一个储存电容器单元170。电荷采集布置150的控制工具和输入信号适配单元125的控制工具可以合并在单独的控制器中，或者可以是相同的控制单元180的一部分。开关拓扑单元190包括几个开关电路，其操作由相应的(例如在控制单元180中的)控制工具控制。开关拓扑单元的一个示例的详细描述将参照图6-10在下文中描述。储存单元170采集全部的所收集能量，并且如上文所述，储存单元170可以进一步连接到可充电电池或电力装置。
图1C例示了收集系统103，其中，主要组件的操作模式是半有源模式，该模式要求控制单元将系统的操作调节成收集过程的当前阶段。系统103大致类似于上文描述的系统100和102配置，包括：天线单元110、收集单元93和输入信号适配单元125，天线单元优选包括位于不同的传输介质115和116中的两个导体112和113。收集单元93具有至少一个收集电路，以接收天线单元的RF输出。收集单元93，其每个收集电路，类似于上文描述的示例，包括整流单元140和电荷采集布置150，电荷采集布置150包括或连接到能量储存电容器单元170。系统103类似于上文描述的单元102(图1B)，原因是输入信号适配单元125包括适配阻抗匹配单元122和由控制单元180构成的控制工具。适配阻抗匹配单元122被控制单元180配置、控制以将天线单元110的阻抗调节为收集单元93(整流单元)的阻抗，从而允许最佳传送所接收的信号，例如通过根据所接收信号的强度控制阻抗的适配。收集单元93类似于上文描述的单元90(图1A)，原因是其电荷采集布置150被配置为电压至电流转换器。因此，所接收的天线信号传送到整流单元140中的整流器，该整流器被调节为将RF信号转换成DC信号。每个整流器的输出连接到电压至电流单元152，这允许将几个DC电源相加成一个储存单元170，储存单元170被配置成采集全部的所收集能量。如上文指出的，储存单元可以进一步连接到可充电电池或电力装置(未显示)。
图1D图解说明能量收集系统104的又一示例，系统的主要组件采用半有源操作模式。系统103大致类似于上文描述的系统100、102和103配置，包括：天线单元110、收集单元94和输入信号适配单元125，天线单元110优选包括位于不同的传输介质115和116中的两个导体112和113，收集单元94具有用于接收天线单元的RF输出的至少一个收集电路。收集单元94(其每个收集电路)与上文描述的示例类似，包括整流单元140和电荷采集布置150，电荷采集布置150包括或连接到能量储存电容器单元170。系统104类似于上文描述的单元100(图1A)，原因是其输入信号适配单元125包括阻抗匹配单元120和滤波单元130，他们被配置成将天线单元的阻抗调节为整流单元140的阻抗，从而允许最佳传输所接收的信号。收集单元94类似于上文描述的单元92(图1B)，原因是其电荷采集布置150包括开关拓扑单元190和由控制单元180构成的控制工具，电荷采集布置150被配置成并操作为允许将几个DC电源相加成一个储存单元170。
所接收的信号传送到整流单元140中包括的整流器，该整流器被调节成将RF信号转换成DC信号。根据此图中图示的变形，整流单元140的每个整流器的输出从功能上连接到开关拓扑单元190中的开关拓扑电路，其允许将几个DC电源相加成一个储存单元170。用于充电/放电配置的开关位置由控制单元180确定。
应当注意，本发明的原理不局限于上文提到的单元中任何一个的任何具体配置，任何已知的适当配置可以用在本发明的系统中，正如本领域的任何技术人员都可以配置，只要这些单元具有上文描述的用于实施本发明的技术的功能特征。此外，本文中提供的收集系统可以包括不用定制的天线，同时优选至少两个天线元件位于不同物质(传输介质)中。如上文描述的，本发明的这种天线单元由于在导电元件周围有不同的传输介质，因而提供最大增益增强，导电元件功能上产生允许从环境中摄取电磁辐射的天线效应。
导电元件被插入或附连到具有不同电和/或磁性质(例如，导磁性、介电常数和导电率)的至少两个不同的传输介质，以便提高天线的最大增益，从而功能上允许获得更好的天线性能。在本发明的一些应用中，这种新的天线单元的至少一个导电元件位于与用户的身体接触。如果天线附连到身体，不同的传输介质因此可以是但不限于皮肤和空气，或者当天线植入身体中时，传输介质可以是但不限于两种不同的组织类型，诸如肌肉和脂肪、肌肉和细胞内液、肌肉和脂肪组织、真皮和脂肪组织以及其任何其它的组合。新的天线还可以用于在生命体外部使用，只要导电元件位于电和/或磁性质彼此不同的至少两个不同的物质中。
电磁现象的普遍理论基于麦克斯韦方程，它构成由四个成对的一阶偏微分方程组成的集合，对标量源密度(散度)和矢量源密度(旋度)产生电场和磁场的空间和时间变化。对于静止的介质，不同形式的麦克斯韦方程有：
( 1 ) - - - ▿ · D ( r , t ) = ρ ( r , t )    (高斯电场定律)
( 2 ) - - - ▿ · B ( r , t ) = 0    (高斯磁场定律)
( 3 ) - - - ▿ xE ( r , t ) = - ∂ B ( r , t ) / ∂ t    (法拉第定律)
( 4 ) - - - ▿ xH ( r , t ) = ∂ D ( r , t ) / ∂ t + J ( r , t )    (安培定律)
其中，E是电场密度[伏特/米]；H是磁场密度[安培/米]；D是电通量密度[库仑/平方米]；B是磁通量密度[特斯拉或韦伯/平方米]；ρ是自由电荷密度[库仑/立方米]；J是自由电流密度[安培/平方米]。
麦克斯韦方程只涉及宏观电磁场，只显式涉及产生自由电流密度J(r,t)的自由电荷的宏观密度ρ(r,t)。束缚于介质分子的宏观电荷和电流密度的效应由辅助幅值D和H指示，他们通过描述介质行为的所谓本构方程与电场E和磁场H有关。通常，这些方程中的量是位置(r)和时间(t)的函数。
在自由空间中电磁场携带的功率密度由坡印廷矢量定义：
(5)  S＝E x H[瓦特/平方米]
它代表通过与传播矢量r垂直的单位面积的功率。在物质内部，功率密度Sv[瓦特/立方米]与提供给电荷分布的做功(或热量)有关：
(6)  Sv＝dS/dv＝E·J
这称为焦耳定律的点形式。
在物质内部，引入附加物理量描述波与分子的相互作用。介电常数ε与电场和电通量关联，还与被称作电极化矢量的新宏观矢量P[库伦/平方米]关联，诸如：
(7)  D＝εE+P
对于为线性各向同性介质的大多数材料，特别是人体组织，宏观矢量P可以认为是共线的，垂直于所施加的电场。因此，得到：
(8)  P＝εχeE
其中，χe是物质的电极化率(即物质被极化的能力)，D可以写成：
(9)  D＝εoεrE
物质中的磁行为涉及用下面关系式的类似处理：
(10)  H＝B/μ-M
(11)  M＝χmH
(12)  B＝μoμrH
其中，μ是导磁率，χm是磁化率。由于人体有非常小的磁效应，所以这里我们忽视了组织的磁性质，只考虑其电性质。通常，在任何给定点，电场E和电流密度J之间的关系由欧姆定律给出：
(13)  J(r,t)＝σE(r,t)
其中，σ[欧姆/米]是物质的导电率。
现在，考虑在空气(“传输介质A”)和物质(“传输介质B”)之间的边界中的电磁波的配置。在自由空间中，存在的场是纯的电场E和磁场H，功率密度遵守坡印廷定律，εr＝1以及μr＝1。在人体中，场由电通量密度D和磁场密度H表示(因为在没有磁场效应情况下，B＝H)，局部参数是物质的介电常数ε(实际上是复数，写成(εo(ε′+jε″))和导电率σ。
当在自由空间中传播的平面波与人体相互作用时，波的能量的一部分反射回空气，一部分能量穿透人体。在穿透部分中，一部分继续在身体内传播，一部分由组织和骨骼吸收。所吸收的功率可以相加，作为许多局部相互作用的整体。
(14)  S(吸收)＝0.5∫Pv dv＝0.5∫(E·J)dv＝0.5∫σ|E|2dv
因数0.5指示耗散与平均功率而不与峰值功率有关。人体中所吸收的功率通常由项目SAR(比吸收率)表示，比吸收率是：
(15)  SAR＝(σ/2ρ)|E|2
其中，σ是任何特定面积的导电率[欧姆/米]，ρ是任何特定面积的质量密度[千克/立方米]。SAR数量的单位因此是[瓦特/千克]。SAR是RF暴露的安全标准的最普通使用的指标和度量。
下面的表例示了在900MHz对于几个组织的组织介电常数和导电率：
组织 εr σ(S/m)
皮肤 35 0.6
肌肉 58 1.4
脂肪 6 0.08
脊髓 49 1.1
血液 62 1.5
软骨 35 0.6
上文描述的新天线单元优选使用小型天线元件。例如，天线的导电元件的最大尺寸明显比为天线设计的波长更小。因此，它大大地降低天线的波形因素，因此降低承载天线的负担。而且，导电元件的小尺寸使得它一般可以植入生命体中，特别是人体中。
导电元件可以是任何适当的形状，诸如但不限于环形形状(例如导电衬垫)或线性形状(例如导线)
在本发明的一些应用中，天线单元与医疗装置一起使用。天线从环境中接收外部电磁辐射，产生相应的输出电信号以操作医疗装置。
应当注意，尽管在上述的示例中，本发明的新的天线单元显示为用在电磁收集系统中，以提供改进的环境能量摄取，此天线单元可以用在通信系统中以用于发射和接收数据，以及用于例如在植入医疗装置和外部元件/系统之间的数据/信号交换的通信的医疗应用中。
在本发明的具体的但非限制性示例中，新的天线单元可以植入和/或附连到使用医疗装置(诸如起博器、心脏除颤器、助听器、整形外科电脉冲产生装置和可以植入或附连到生命体的其它任何电装置)的人体中。
关于这一点，参照图2，图2示意性图解说明本发明的系统与植入医疗装置一起使用，其中，天线单元210连接到人体200的体内器官。在此示例中，天线单元210植入人体200的心脏201中，收集单元90与除颤器270(是一体的或者与其连接)关联。天线单元210的导电元件212和213分别嵌入到两个不同的传输介质215和216，传输介质例如可以是心脏和心脏肌肉周围的脂肪层。由于这两个介质215和216的电学性质的差异，他们以不同方式与周围的RF辐射交互，因此在物质中从而相应地在导体212和213上获得不同的电势，从而产生天线效应，将来自环境的电磁辐射传输到收集单元290。尽管在附图的示意中，输入信号适配单元显示为连接到收集单元290的单独的单元，但应理解这种输入信号适配电路可以与如图1A-1D的非限制性示例中所示的收集单元是一体的。同样，应当注意尽管在此示例中，输入信号适配单元被称作阻抗匹配单元220，但输入信号适配单元以及整个收集单元(接收器)290可以根据图1A-1D的上述示例中的任何一个配置和操作。替代性地，如上文提到的，所述系统可以使用连接到具有任何已知的适当阻抗匹配电路的任何已知的适当能量收集装置的本发明的新的天线单元。因此，天线单元210通过收集单元290连接到除颤器270。应当清楚，在此图中描述的所有的电路和装置是示意性绘制的，以强调整体配置。
参照图3，图3示意性图解说明本发明可以用于另一医疗应用的方式。这里，本发明的系统与助听器380关联。如图中所示，天线单元310附连到耳朵300，使得天线单元的导电元件312保持在空气中(构成传输介质315)，而导电元件313通过其一端附连到耳朵300(构成不同的传输介质316)。导电元件312、313通过他们的自由端连接到收集单元390；在本非限制示例中，连接是通过具有阻抗匹配电路320的单独的输入信号适配单元进行的。收集单元390的输出(例如其储存单元)连接到助听器380。所有的电路和装置是示意性绘制的，以强调整体配置。如上文提到的，应当理解，收集单元连同阻抗匹配电路可以具有任何已知的适当配置，但优选根据上文参照图1A-1D例示的配置。
现在参照图4A和4B，他们分别图解说明表示为400和400’的本发明的天线系统的两个示例。所述系统被配置成两元件接收天线，其中，天线单元410包括分别嵌入不同的传输介质415和416中的导电元件412和413。在这些特定的非限制性示例中，导电元件412具有闭环配置，或者是环状元件(例如称为“导电衬垫”)，而导电元件413基本上是笔直的条状元件(例如称为“导线”)。应当理解，导电元件可以具有任何形状/几何形状，例如两者都可以是导电衬垫或导线的形式。
在图4A的示例中，导电元件412和413通过阻抗匹配单元/电路420连接到收集单元490(例如根据如上文描述的本发明配置，或者任何其它能量采集单元)，收集单元490的输出可以进一步连接到电负载(未显示)。在图4B的示例中，导电元件412和413通过阻抗匹配单元/电路420连接到为发射数据而配置的发射单元460。
阻抗匹配单元420可以包括如参照图1B和1C例示的适配阻抗匹配电路，或者替代性可以包括如上文参照图1A和1D大致例示的连接到滤波单元的阻抗匹配电路，这将参照图5更加具体地描述。
本发明在其另一方面提供一种被配置成用于最大化能量收集系统的效率的新的输入信号适配单元。为此目的，输入信号适配单元被配置为由阻抗匹配单元/模块和滤波单元/模块形成的专用无源阻抗匹配滤波电路。滤波单元的配置和操作基于这样的事实，即在来自环境的RF收集系统中，可以预先定义大多数收集信号的频率和强度(力量)，即信号的频率和强度或者是已知的优选，或者是可预测的，因此通过使用频率过滤，可以实际上针对不同强度(力量)将所接收信号进行区别/排序。
例如，预期在来自环境的RF收集系统的输入信号中通常有两种主要类型的信号，这两种类型都源于移动电话RF系统。第一种是从基站到蜂窝电话(下行)的信号，第二种是从蜂窝电话到基站(上行)的信号。下行信号由相对较低水平的信号和与具有较高强度的上行信号不同的频率表征。RF射频信号还预期具有与下行信号相同的频率和强度特征。
滤波单元可以包括：具有足够宽的频带以包括上行和下行频带的初级宽带通滤波器电路以及两个或两个以上窄带滤波器电路(限定至少一对这样的窄带滤波器)，其中的一个或多个被配置成用于(若干)上行频带，其中的另外的一个或多个被配置成用于(若干)下行频带。第一宽带滤波器负责从收集天线接收RF信号，允许上行和下行频率的信号通过。每个窄带滤波器负责允许AC信号在适当的频带通过，因此以适当的相应强度到达专用整流器，以便根据预期输入强度匹配整流器的阻抗。窄带滤波器可以并行操作，以便同时允许不同的窄频带中的AC信号通过。
要理解，在不同的地理位置，预期频率范围和预期强度可以不同，因此，宽带滤波器和窄带滤波器的选择可以因国家、地区而不同，和/或滤波器电路可以包括一对以上(例如大的对数)的滤波器，以覆盖宽带滤波器和窄带滤波器的多种组合。
要理解，移动(蜂窝)技术和/或移动(蜂窝)传输协议的变化可以限定可用于从环境中进行收集的各种频带。然而，由于预计其频率和强度的能力，可以设计专用的窄带滤波器和相应的整流器。
应当理解，上文论述的蜂窝上行和下行RF信号只是空气中可用的RF信号的示例，其它的信号也在本发明的范围内。本发明的上述方面在图5中例示，图5是本发明的滤波单元500的示意框图图示，用于最大化RF收集系统的效率。滤波单元500包括宽带滤波器510，宽带滤波器510具有可以从收集系统天线(未显示)接收交流射频信号的输入和连接到窄带滤波器的输出，在图5的示例中示出了两个这种滤波器521和522。窄带滤波器521设计成允许蜂窝系统的上行频率范围内的信号通过，并且并联连接到窄带滤波器522，窄带滤波器522设计成允许蜂窝系统的下行频率范围内的信号通过。宽带滤波器510被配置成使上行和下行频带通过。
窄带滤波器521连接到为接收预计强度的信号而设计的专用整流器531，窄带滤波器522连接到为最佳地从滤波器522获得预期频率和强度的信号而类似设计的另一专用整流器532。根据源于RF系统的在特定的频带中的预期强度参数(强度)匹配每个整流器531和532的阻抗。
为了实现上文描述的示例性滤波单元，本文中提供数字示例：中心频率为1GHz、带宽(BW)为800MHz的辐射带由天线接收。此频带包含需要被收集的期望频率。根据此特定示例的频率是915MHz和950MHz。所接收的频带从天线传输到第一宽频带滤波器，第一宽频带滤波器允许传输中心为930MHz、60MHz的频带。从第一滤波器获得的所接收信号因此频率介于900MHz到960MHz之间。并联的第二和第三窄带滤波器接收介于900MHz到960MHz的信号，而第二滤波器设置为中心频率为915MHz，BW为30MHz，第三滤波器设置为中心频率为945MHz，BW为30MHz。在915MHz频段中所接收的信号强度预计范围在(-30)dbm到(-20)dbm内，950MHz频段中所接收的信号强度预计范围在(-5)dbm到5dbm内。
连接到滤波单元的整流器单元包括相应数目的整流器，连接到第二带通滤波器的整流器匹配为整流范围在(-30)dbm到(-20)dbm的信号强度，连接到第三带通滤波器的整流器匹配为整流范围在(-5)dbm到5dbm的信号强度。
应当理解本发明既不限制上文描述的滤波单元中滤波器的数目，也不限制任何特定的频带。在天线的环境中传播的适合由这样的滤波电路使用的另外的信号包括具有商用无线电信道的先验已知频率和强度的那些信号。从商用无线电信道接收的预期信号强度从(-50)dbm到(-40)dbm。在这种情况下，滤波器可以针对该信道频率设置，相应的整流器可以匹配到(-50)到(-40)dbm的强度范围。在并联无线电信道的情况下，例如在88MHz和108MHz之间，接收器(例如收集单元)可以匹配到从带通滤波器接收的整个频带的强度。
本发明在其又一方面提供适于用在能量收集系统中的新的电荷采集单元。本发明的电荷采集单元配置为适于将来自相对较小电容器单元的电荷积累到大电容器单元的信号求和工具。
在本发明的一些实施例中，这种信号求和工具被配置成通过改变单元的各个组件的拓扑来适当地积累电荷。在这种情况下，求和工具可以包括如相对较小的储存充电电路和连接到相对较大的储存充电电路的开关电路的这样的功能模块/电路(可以是收集系统中的储存单元的电路)。
小储存充电电路包括多个电容器单元。小储存充电电路例如可以适于积累从整流单元(即多个整流器)的输出获得的电荷，并适于储存在多个电容器单元上产生的电荷。小储存充电电路中的每个电容器单元可以包括串联和/或并联连接的多个电容器。
开关电路可以适于确定电路的模式、限定其功能为充电功能或为放电功能。小储存充电电路的放电可以同时或者一次一个充电单元或者根据针对多个储存充电单元的预定时间模式执行。开关电路中的多个开关可以独立地操作，还可以根据预定开关模式连接、开关(操作)，例如某个开关根据本地邻近的开关的操作状态而被激活。开关电路中的多个开关可以可控地根据参照图1B和1D例示的来操作。
本发明的电荷采集单元可以设计成与多个收集单元关联。每个收集单元可以捕获RF能量、整流并将能量储存为电容器单元上的电荷。在本发明的一些实施例中，多个收集单元可以捕获多个频带，其中，每个收集单元可以适于捕获特定的频带。另外或替代性地，至少两个收集单元可以适于捕获相似的频带。
大储存充电电路可以适于在大储存充电单元中积累并储存预先储存在多个小电容器单元中每一个的电荷，以便后续使用。大储存充电电路可以包括串联和/或并联连接的多个电容器。大储存充电电路的输出后面例如可以接以下当中的一个或多个：升压变换器、稳压器、电池充电电路、电容器阵列、电负载。在一些实施例中，大储存充电子单元的输出可以被切换或持续短路连到电路。
下文参照图6-10提供各种开关选择的一些示例。
图6是图解说明可以用在本发明的能量收集系统中的标准电荷采集电路600的示意框图。采集电路600包括多个充电电容器单元-在此非限制示例中示出了三个这种单元621、622和623。在此示例中，电荷采集电路600操作以从包括多个整流器元件(在此非限制示例中示出了三个这种元件611、612和613)的整流单元采集电荷。每个充电电容器单元连接到整流器元件中的对应一个整流器元件，并连接到地。每个整流器611、612和613从收集天线单元或从位于天线单元和整流器之间的任何其它元件(例如输入信号适配单元，例如阻抗适配器)接收AC信号，对信号整流，相应的能量作为电荷储存在电容器单元621、622和623的相应一个电容器单元中。要理解，每个电容器单元可以配置为单电容器单元或多电容器单元，在多电容器单元中，多个电容器可以以任何串联和/或并联连接来连接。还要理解，每个整流器元件可以在类似的或不同频带接收AC信号。应当注意，电路600既不限制整流器-电容器布置的具体数目，也不限制电容器的具体电连接，图6只是电荷采集单元的操作原理的一个示例。
现在参照图7，图7是根据本发明配置和操作的电荷采集单元700的示意框图图示。电荷采集单元700作为信号求和单元操作，包括多个小电容器单元-在此非限制示例中示出了三个这种单元721、722和723。电容器单元721、722和723在一端通过开关电路分别连接到整流器711、712和713，在另一端连接到地750。同时，在电荷采集单元700中提供大电容器单元740，大电容器单元740通过开关电路连接到电容器单元721、722和723。开关电路包括多个开关731、732、733、734和735，每个开关配置有两种工作/操作位置1和2。开关位置在位置1和2之间的分配决定开关电路的功能，这将参照图8和9进行描述。如此图中所示的，开关731、733和735选择性将电荷采集单元700连接到整流单元。
因此，每个整流器从收集天线或从将天线信号传送到整流器的任何其它中间电路接收AC信号。由整流单元的多个整流器中的每个整流器整流的能量作为电荷储存在电荷采集单元700的相应电容器单元中。如图中所示以自解释方式，每个电容器单元在其另一端选择性通过相应的两状态开关连接到地750或者大电容器单元740，在其另一端选择性通过其它的两状态开关连接到相应的整流器或大电容器单元740。
电荷采集单元按以下方式操作。开关731-735由控制器控制，控制器可以基于连接到整流器的输出的电容器721-723中每一个的实时监控将开关变成任何给定模式(充电/放电)。基于从每个电容器接收的这些信息(电压水平)，控制器可以确定是否将电路保持在充电模式或者是否准备好对储存电容器放电。从电容器721-723接收的信息还可以指示收集过程是否在继续，此时达到的电压水平是否是最大的。基于此信息，控制器将开关转换到充电或放电模式。
而且，控制器可以定义完全放电模式(当所有电容器一起放电时)、半放电模式(只有一些电容器放电，而其它电容器保持充电模式)和充电模式(所有电容器都在充电)。
控制器操作的另一种选择是基于可编程模式(即预定值)。当电容器721-723的电压达到特定电压水平(如定义的)时，开关转到放电模式。当放电结束时(同样可以定义)，开关转回到充电模式。此方法允许有三种模式：完全放电、半放电和完全充电。
应当理解，每个电容器单元721、722和723可以配置为单电容器单元或多电容器单元，在多电容器单元中，电容器的阵列以串联和并联连接的某种组合连接。类似地，大电容器单元740可以具有单电容器配置或者可以是在电容器之间采用适当的串联和/或并联连接的多电容器电路。
应当理解，本文中例示的配置既不限制整流单元中整流器的数目，也不限制电荷采集单元700中小电容器单元的数目。还应当清楚，此图中描述的所有电路和装置是示意性绘制的，以强调整体配置。
图8和9示意性图解说明本发明的电荷采集或信号求和单元800的另一示例。电荷采集单元800大致类似于上文描述的单元700配置，即包括表示为821、822和823分别连接到整流单元的多个整流器811、812、813，及在充电配置中通过包括多个开关831、832、833、834和835的开关电路连接到大电容器单元840的多个小电容器单元。电容器单元821、822和823一端连接到整流器，另一端连接到地850。
如上文提到的，小电容器单元821、822和823以及大电容器单元840可以包括以串联和/或并联连接彼此连接的(若干)单电容器配置或(若干)多电容器配置。同样，本发明不限制整流单元中整流器的数目；小电容器单元的数目是根据整流器的数目选择的。而且，同样如上文提到的，在此图中描述的所有电路和装置是示意性绘制的，以强调整体配置。
配置800在开关元件831、832、833、834和835有稍微不同的配置不同于上文描述的图7的示例。每个开关831、833、835选择性将相应的电容器单元连接到相应的整流器或大电容器单元840，其它开关选择性将相应的电容器单元连接到地850或大电容器单元840。
图8显示了与充电配置对应的求和单元800的开关配置。每个电容器单元直接连接到其相应的整流器，被充电。要理解，电容器单元821、822和823可以充不同电荷。
图9显示了处于放电配置的图8的信号求和单元800。如图所示，开关元件831、832、833、834和835处于将每个小电容器单元821、822和823连接到大电容器单元840的开关位置拓扑。在此放电配置中，所有的小电容器单元821、822和823串联连接，他们的合成电容器并联连接到大电容器单元840，即电荷从小电容器单元821、822和823转移到大电容器单元840。开关状态从图8描述的拓扑到图9描述的拓扑的变化导致电荷从小电容器单元821、822和823转移到大电容器单元840。由于小电容器单元两端的电压比大电容器单元840两端的电压高，所以电荷的流动是从小电容器单元指向大电容器单元，直到达到平衡。
图10例示了图8-9的信号求和单元800修改为具有单个放电配置。在此图中图示的情形中，开关元件831、832和835处于开关位置拓扑，此拓扑将小电容器单元821和823分别在一侧连接到整流器811和813在另一侧连接到地850，同时从大电容器单元840上断开。此开关配置是分别与(一个或若干)收集单元关联的整流器811和813对电容器821和823的充电配置。不过，开关元件833和834位于允许在并联配置(即在放电位置)将小电容器单元822连接到大电容器单元840的拓扑。换言之，在图10图示的情形中，一个或多个电容器单元可以放电，同时一个或多个其它电容器单元保持充电：小电容器单元822可以向大电容器单元840放电，而其它电容器单元821和823保持充电。
根据图10的示例，开关元件833和835配置有三种可选位置，每个位置改变电路的拓扑和其功能。这些开关元件当处于第一操作状态/位置时，将小电容器单元822和823连接到相应的整流器812和813，因此允许对电容器单元822和823充电。当在开关元件833和835的第二操作位置时，他们产生小电容器单元821、822和823的串联连接，从而允许同时将小电容器单元放电到大电容器单元840。这些开关元件的第三操作位置允许将小电容器单元822或823直接放电到大电容器单元840。应当理解，小电容器单元821可以实现自主地直接放电到大电容器单元840。
如上文指出的，此实施例的求和单元也不局限于任何特定数目的小电容器单元，此数目对应于整流单元中整流器的数目，在此图中描述的所有电路和装置是示意性绘制的，以强调整体配置。
如参照图1A和1C在上文描述的，在本发明的一些实施例中，电荷采集单元或信号求和单元允许通过将连接到整流器的输出的电容器上形成的电压转换成电流源在收集系统中积累电荷。在这种变形中，求和单元包括小储存充电工具/电路、电压至电流转换器工具/电路以及大储存充电工具/电路。
小储存充电电路可以主要适于通过如上文所述使用多个电容器单元储存通过多个整流器获得的电荷。电压至电流转换器电路可以被配置成在达到阈值时将小储存充电工具中形成的电压转换成电流以传送到大储存充电工具。大储存充电工具可以被配置成积累并将来自电压至电流转换的电流以电荷形式储存在大储存充电单元中，以用于后续使用。
在本发明的一些实施例中，小储存充电电路可以设计为多个收集单元。每个收集单元可以捕获RF能量、整流并将能量储存为电容器单元上的电荷。
多个收集单元可以捕获多个频带，其中，每个收集单元可以适于捕获特定的频带，或者至少两个收集单元可以适于捕获与其它收集单元的那个/那些频带不同的类似频带。
多个收集电路可以具有多个电容器值。在一些实施例中，小储存充电电路中的多个电容器单元中的每个电容器单元可以包括串联和/或并联连接的多个电容器(电容器阵列)。
小储存充电单元的放电可以通过使用电压至电流转换器单元将多个电容器单元中每个电容器单元上形成的电压转换成电流来执行。电压至电流转换器电路的多个电压至电流转换器单元可以独立地操作；和/或可以由控制器操作，控制器控制所有的电压至电流转换器单元或其中一部分。电压至电流转换器单元可以具有限定触发电压至电流转换的最小电压的电压阈值。电压至电流转换器单元的电压阈值可以是不同的；也可以由控制器改变。
多个电压至电流转换器单元可以基本上同时操作，这是因为每个单元独立操作，不会干扰其它单元转换的电流。
每个电压至电流转换器单元可以限制电流从大储存充电电路向后流动到小储存充电电路，这是由于电压至电流转换器具有迫使电荷在特定方向流动的能力。
大储存充电电路可以包括串联和/或并联连接的多个电容器。在一些实施例中，大储存充电电路的输出可以连接到以下当中的一个或多个：升压变换器；稳压器；电池充电电路；电容器阵列和电负载。在一些实施例中，大储存充电电路的输出可以被切换或总是短路连到电路。
图11示意性图解说明电荷采集单元或信号求和单元900的一个示例，电荷采集单元或信号求和单元900用于积累与收集系统的整流工具的多个整流器911、912、913的输出对应的电荷。信号求和单元900包括：小电容器电路，在本示例中小电容器电路由表示为921、922和923的小电容器单元形成；电压至电流转换器电路，在本示例中，由多个电压至电流转换器931、932和933形成；以及大电容器单元/电路940。小电容器单元921、922和923在一端分别连接到整流器911、912和913以及电压至电流转换器931、932和933；在另一端连接到地950。
每个整流器从收集天线单元(或者从位于天线单元和整流器之间的任何其它中间工具)接收AC信号，并对信号进行整流。每个整流器911、912和913还连接到电压至电流转换器931、932和933中的相应一个。每个整流器911、912和913的电荷被储存为小电容器单元921、922和923中相应一个的电荷，直到预定阈值。每个电压至电流转换器931、932和933具有本征电压阈值，该阈值将电压至电流转换器从断开位置(不操作状态)切换到连接位置(操作状态)。在电压至电流转换器931、932和933之一的断开位置，来自相应整流器的所有电流流向相应的小电容器单元。因此，在相应的小电容器单元中的电荷积累增大了相应的小电容器单元上的电压。当达到电压阈值时，相应的电压至电流转换器作为单向连接器操作，迫使在小电容器单元中形成的电荷直接流向大电容器单元940。
要理解，每个小电容器单元921、922和923以及大电容器单元940可以配置为单个电容器单元或者可以包括以串联和并联连接的某种组合连接的电容器阵列。还应当明白，可以使用任何数目的整流器，小电容单元的数目和电压至电流转换器的数目是相应选择的，在此图中描述的所有电路和装置是示意性绘制的，以强调整体配置。

Claims (26)

1.一种用于收集在环境中传播的电磁能量的系统，所述系统包括：
天线单元，所述天线单元被配置成从环境中接收外部电磁辐射，并且产生相应的电输出；
收集单元，所述收集单元包括至少一个能量收集电路，每个能量收集电路被配置成并操作为接收指示所述天线单元的输出的信号，生成并储存相应的电荷，所述收集电路包括：整流单元，所述整流单元包括多个整流器，每个整流器被配置成并操作为接收AC电信号，生成相应的DC电功率；以及电荷采集单元，所述电荷采集单元被配置成并操作为从所述整流单元接收多个DC电功率，将所述DC电功率转换并积累成表示所收集能量的电荷；以及
输入信号适配电路，所述输入信号适配电路具有连接到所述天线单元的输入和连接到所述整流单元的输出，所述输入信号适配电路被配置成并操作为调节所述天线单元和所述整流单元的预定义电性质，从而优化所述收集电路接收所述天线单元的电输出。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述天线单元包括至少两个导电元件，所述导电元件位于电和磁性质中的至少一个不同的至少两个不同的传输介质中。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述至少两个不同的传输介质包括至少两个不同的有生命的组织。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述至少两个不同的传输介质包括有生命的组织和空气。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述输入信号适配单元被配置成将所述天线单元的阻抗调节成所述整流单元的阻抗。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述输入信号适配单元包括阻抗匹配单元和连接到所述阻抗匹配单元的滤波单元，所述阻抗匹配单元被配置成将所述天线单元的阻抗和所述滤波单元的阻抗进行匹配，所述滤波单元被配置成并操作为将所接收的在环境中传播的RF频带排序成预定数目的子带，每个子带具有预定中心频率、带宽和强度，子带的预定数目与所述整流单元中的整流器的数目相对应。
7.根据权利要求5项所述的系统，其中，所述输入信号调节单元包括：适配阻抗匹配单元，所述适配阻抗匹配单元被配置成并操作为可控地将所述整流单元的整流器的阻抗调节成由所述天线单元接收的多个频带的信号强度；以及控制单元，所述控制单元可连接到所述适配阻抗匹配单元，并被配置和操作为进行所述适配阻抗匹配单元的操作。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电荷采集单元包括信号求和单元，所述信号求和单元包括开关拓扑电路和控制器，所述开关拓扑电路包括：预定数目的电容器，所述电容器具有相对较小的电容值，并分别连接到相应数目的整流器的输出；以及相对较大电容值的储存电容器，所述开关拓扑电路适于借助相应的多个相对较小电容值的电容器在分别从所述多个整流器接收的多个DC信号之间可控地切换，以用于功率求和和相应电荷在相对大的电容值的所述电容器上的储存。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电荷采集单元包括信号求和单元，所述信号求和单元包括电压至电流单元，所述电压至电流单元包括预定数目的电压至电流转换电路，所述电压至电流转换电路具有分别连接到相应数目的整流器的输出的输入和连接到储存电容器的输出，所述电压至电流单元因此适于通过所述多个电压至电流转换电路将从所述多个整流器接收的多个DC信号转换并求和。
10.根据权利要求1所述的系统，包括控制单元，所述控制单元连接到所述输入信号适配单元和所述电荷采集单元中的至少一个，所述控制单元被配置并操作为控制所述收集电路的操作。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述控制单元连接到至少所述电荷采集单元，所述电荷采集单元包括开关拓扑电路，所述开关拓扑电路包括：预定数目的电容器，所述电容器具有相对较小的电容值，并分别连接到相应数目的整流器的输出；以及相对较大电容值的储存电容器，所述开关拓扑电路适于借助相应的多个相对较小电容值的电容器在分别从所述多个整流器接收的多个DC信号之间可控地切换，以用于功率求和和相应电荷在相对大的电容值的所述电容器上的储存。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述收集电路包括连接端口，所述连接端口用于将所述电荷采集单元的输出连接到至少一个电负载。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述至少一个电负载包括以下当中的至少一个：可充电电池、医疗装置、电动汽车组件和用于家庭使用的电力装置。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述医疗装置包括以下当中的至少一个：起搏器、除颤器和助听器。
15.根据权利要求13所述的系统，其中，所述电动汽车组件包括以下当中的至少一个：电气附件、音频系统和放大器、TV和DVD系统、GPS系统、空调系统、报警系统、灯光和布线系统。
16.一种用于前述权利要求中的任何一个所述的系统中的天线单元，所述天线单元包括至少两个导电元件，所述导电元件位于电和磁性质中的至少一个不同的至少两个不同的传输介质中，使得所接收的外部电磁辐射在所述至少两个导电元件之间产生电势差，产生输出电信号，从而允许从环境中摄取外部电磁辐射。
17.一种天线单元，所述天线单元被配置成并操作为从环境中接收外部电磁辐射并产生相应的输出电信号，所述天线单元包括至少两个导电元件，所述导电元件位于电和磁性质中的至少一个不同的至少两个不同的传输介质中，使得所接收的外部电磁辐射在所述至少两个导电元件之间产生电势差，产生输出电信号，从而允许从环境中摄取外部电磁辐射。
18.根据权利要求17所述的天线单元，其中，所述至少两个不同的传输介质包括不同的有生命的组织。
19.根据权利要求17所述的天线单元，其被附连到生命体，其中，所述至少两个不同的传输介质包括有生命的组织和空气。
20.一种用于权利要求1-15中的任何一项所述的系统中的输入信号适配单元，所述输入信号适配单元包括阻抗匹配单元和连接到所述阻抗匹配单元的滤波单元，所述阻抗匹配单元被配置成将所述天线单元的阻抗和所述滤波单元的阻抗进行匹配，所述滤波单元适于将RF频带排序成预定数目的子带，每个子带具有预定频率、带宽和强度。
21.一种与暴露到在环境中传播的射频(RF)频带的电磁辐射中的天线一起使用的输入信号适配单元，所述输入信号适配单元包括阻抗匹配单元和连接到所述阻抗匹配单元的滤波单元，所述阻抗匹配单元被配置成将所述天线单元的阻抗和所述滤波单元的阻抗进行匹配，所述滤波单元适于将RF频带排序成预定数目的子带，每个子带具有预定频率、带宽和强度。
22.一种用于权利要求1至15中的任何一项所述的系统中的电荷采集单元，所述电荷采集单元包括信号求和单元，所述信号求和单元适于接收多个DC电功率，以储存电容器上的电荷的形式将DC电功率求和，所述信号求和单元包括开关拓扑单元和电压至电流单元中的至少一个。
23.一种用于能量收集电路中的电荷采集单元，所述电荷采集单元包括信号求和单元，所述信号求和单元适于接收多个DC电功率，以储存电容器上的电荷的形式将DC电功率求和，所述信号求和单元包括开关拓扑单元和电压至电流单元中的至少一个。
24.根据权利要求23所述的电荷采集单元，其中，所述求和单元包括开关拓扑单元和控制器，所述开关拓扑单元包括预定数目的电容器，所述电容器具有相对较小的电容值并分别可连接到相应数目的整流器的输出以及连接到相对较大电容值的所述储存电容器，所述开关拓扑单元适于借助所述预定数目的电容器在从所述整流器接收的DC电源之间可控地切换，以用于功率求和。
25.根据权利要求23所述的电荷采集单元，其中，所述电压至电流单元包括预定数目的电压至电流转换电路，所述电压至电流转换电路具有分别可连接到相应数目的整流器的输出的输入和连接到所述储存电容器的输出，所述电压至电流单元因而被配置成并操作为通过所述电压至电流转换电路将从所述多个整流器接收的多个DC电源进行转换和求和。
26.一种包括至少一个能量收集电路的能量收集单元，其中，每个能量收集电路被配置成并操作为从天线单元接收信号，产生并储存相应的电荷，所述收集电路包括：
输入信号适配电路，所述输入信号适配电路可连接到天线单元的输出；整流单元，所述整流单元连接到所述输入信号适配电路的输出，所述整流单元包括多个整流器，每个整流器被配置成并操作为接收AC电信号并产生相应的DC电功率；电荷采集单元，所述电荷采集单元被配置成并操作为从所述整流单元接收多个DC电功率，将所述多个DC电功率转换并积累成表示所收集能量的电荷；
所述收集电路具有以下配置中的至少一个：
(a)所述输入信号适配单元包括阻抗匹配单元和连接到所述阻抗匹配单元的滤波单元，所述阻抗匹配单元被配置成将所述天线单元的阻抗和所述滤波单元的阻抗进行匹配，所述滤波单元适于将RF频带排序成预定数目的子带，每个子带具有预定频率、带宽和强度；以及
(b)所述电荷采集单元包括信号求和单元，所述信号求和单元适于接收多个DC电功率，以储存电容器上的电荷的形式将DC电功率求和，所述信号求和单元包括开关拓扑单元和电压至电流单元中的至少一个。
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