CN105356627A - 一种用于无线传感节点供电的射频能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于无线传感节点供电的射频能量收集装置，包括：宽带接收天线，用于接收射频信号；阻抗匹配网络，位于宽带接收天线和射频直流转换电路之间；射频直流转换电路，连接于阻抗匹配网络的输出端，采用整流器将经阻抗匹配的射频能量转化为直流电压；电压监控模块，位于射频直流转换电路和功率管理模块之间，用于调整充到电路中的电压，并调整电荷存储装置上的电压；电荷储存装置，位于射频直流转换电路和电压监控模块之间、电压监控模块和功率管理模块之间以及功率管理模块和被供电的无线传感网节点之间；功率管理模块，位于电压监控模块和无线传感网节点之间，并连接至射频直流转换电路形成反馈环路。

Description

一种用于无线传感节点供电的射频能量收集装置

技术领域

本发明涉及一种用于无线传感节点供电的射频(RF)能量收集装置，特别是涉及一种利用自由空间传播的射频信号为无线传感网节点供电的射频能量收集装置。

背景技术

无线传感网(WSN)是物联网(TOT)的核心技术之一，在日常生活和工业生产中发挥着越来越重要的作用，其基本单元是无线传感节点。无线传感节点供电的主要特点是低电流和恒定负载，目前主要使用一次电池，存在的问题，首先一次电池终会耗尽，更换下来的废旧电池会对环境产生污染，其次在某些应用场合中电池难以更换或者更换成本高，从而制约无线传感节点的连续工作时间。因此优化和更新现有的无线传感节点的供电方式，使其应用范围不再受一次电池工作寿命的制约，具有十分现实的意义。

发明内容

为克服上述现有无线传感节点供电技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种用于无线传感节点供电的射频能量收集装置，其可以将自由空间传播的射频信号转化为直流能量，为无线传感网节点供电。

为达上述及其它目的，本发明提出一种用于无线传感节点供电的射频能量收集装置，包括：

宽带接收天线，用于接收射频信号，收集射频(RF)波的辐射功率；

阻抗匹配网络，位于宽带接收天线和射频直流(RF-DC)转换电路之间，用于保证系统以最大功率传输能量；

射频直流(RF-DC)转换电路，连接于阻抗匹配网络的输出端，采用整流器将经阻抗匹配后的射频能量转化为直流电压；

电压监控模块，位于射频直流(RF-DC)转换电路和功率管理模块之间，用于调整充到电路中的电压，并调整电荷存储装置上的电压；

电荷储存装置，位于射频直流(RF-DC)转换电路和该电压监控模块之间、电压监控模块和功率管理模块之间以及功率管理模块和被供电的无线传感节点之间；

功率管理模块，位于电压监控模块和该无线传感节点之间，并连接至射频直流(RF-DC)转换电路形成反馈环路。

进一步地，该反馈环路根据无线传感器节点的供电需求动态调整射频直流(RF-DC)转换电路的输出电压

进一步地，射频直流(RF-DC)转换电路采用多级倍压电路级联而成的射频直流(RF-DC)转换电路。

进一步地，射频直流(RF-DC)转换电路中的单级倍压电路包括1个直流(DC)输入端连接第一级浮栅晶体管的源极，第一级浮栅晶体管的漏极连接第二级浮栅晶体管的源极，第二级浮栅晶体管的漏极连接直流(DC)输出端；射频(RF)输入端连接第一电容，第一电容连接该第一级浮栅晶体管的漏极；第二级浮栅晶体管的漏极连接第二电容，第二电容的另一端接地。

进一步地，射频直流(RF-DC)转换电路的倍压级联阶数为36阶。

进一步地，宽带接收天线采用印刷电路板(PCB)上的弯折线天线，内环置于一对相匹配的外环之间，天线的一对端口位于内环。

进一步地，宽带接收天线接收天线采用4层FR4基材的PCB实现。

进一步地，电荷储存装置采用超级电容或者二次电池。

与现有技术相比，本发明提供一种用于无线传感节点供电的射频能量收集装置，其通过采用新型倍压电路级联而成的射频直流(RF-DC)转换电路，实现将自由空间传播的射频信号转化为直流能量，为无线传感节点供电的目的，本发明所述的阻抗匹配网络的阻抗能够程控调节，从而确保以最大功率传输能量；倍压电路中采用浮栅晶体管代替传统二极管，由于其输入阻抗极大，即具有很高的品质因数，因此射频直流(RF-DC)的转换效率很高；另外，浮栅晶体管的使用降低整流器的阈值电压，从另一个方面也提高整流效率；由于引入电压监控模块与功率管理模块，从而使无线传感节点得到更稳定的电压和功率，避免电压过高或者不足对于无线传感节点的影响。

附图说明

图1为本发明一种用于无线传感节点供电的射频能量收集装置的系统架构图；

图2为本发明较佳实施例之射频直流(RF-DC)转换电路中的新型倍压电路的单级倍压电路结构示意图；

图3为本发明较佳实施例之射频直流(RF-DC)转换电路中的新型倍压电路的多级倍压电路级联框图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种用于无线传感节点供电的射频能量收集装置的系统架构图。如图1所示，本发明一种用于无线传感节点供电的射频能量收集装置，包括：包括宽带接收天线11、新型倍压电路级联而成的射频直流(RF-DC)转换电路12、电荷储存装置13、电压监控装置14、功率管理装置15、阻抗匹配网络16以及无线传感节点(即供电负载)17。

其中，宽带接收天线11，用于接收射频信号，收集射频(RF)波的辐射功率，其采用印刷电路板(PCB)实现的弯折线天线，内环置于一对相匹配的外环之间，天线的一对端口位于内环；阻抗匹配网络16，位于能量采集器的接收天线和射频直流(RF-DC)转换电路之间，其阻抗值能够程控调节，阻抗匹配网络用于保证系统以最大功率传输能量；新型倍压电路级联而成的射频直流(RF-DC)转换电路12，连接于阻抗匹配网络16的输出端，采用整流器将经阻抗匹配后的射频能量转化为直流(DC)电压；电压监控模块14位于射频直流(RF-DC)转换电路12和功率管理模块15之间；电荷储存装置13位于射频直流(RF-DC)转换电路12和电压监控模块14之间、电压监控模块14和功率管理模块15之间以及功率管理模块15和被供电的无线传感网节点17之间，采用超级电容或者二次电池实现；功率管理模块15位于电压监控模块14和无线传感节点17之间，并连接至射频直流(RF-DC)转换电路12形成反馈环路。

具体地，本发明之能量收集装置工作于包含射频(RF)信号的工作环境中，射频信号是周期性或者非周期性的；本发明适合工作于距离射频信号发射源的较近的位置。

图2为本发明较佳实施例之射频直流(RF-DC)转换电路中的新型倍压电路的单级倍压电路结构示意图。图3为本发明较佳实施例之射频直流(RF-DC)转换电路中的新型倍压电路的多级倍压电路级联框图。如图2所示，本发明之射频直流(RF-DC)转换电路中的新型倍压电路包括n级倍压级联电路，其中，单级倍压电路包括一个直流(DC)输入端连接第一级浮栅晶体管的源极，第一级浮栅晶体管的漏极连接第二级浮栅晶体管的源极，第二级浮栅晶体管的漏极连接DC输出端；RF信号输入端连接第一电容(电容1)，第一电容(电容1)连接第一级浮栅晶体管的漏极；第二级浮栅晶体管的漏极连接第二电容(电容2)，第二电容(电容2)的另一端接地。

具体地，本发明提供一个射频直流(RF-DC)的转换电路，即使在接收功率和电压很低的情况下，也可有效地将远场区的射频(RF)能量转化为直流(DC)电压；无源的整流电路把浮栅晶体管作为整流二极管；另外，采用4层FR4基材的PCB板实现的接收天线使系统以最大功率传输能量。

为使本发明正常工作，需提供射频(RF)信号的外部发射源，发射源发射的射频(RF)信号的频率要在3Hz到30GHz之间，可以是周期信号或者非周期信号。

可见，本发明通过宽带接收天线、整流器和阻抗匹配网络实现射频直流(RF-DC)的转换，其通过形成一个高品质因数的谐振器实现无源电压放大功能。天线用于采集RF波的辐射能量，阻抗匹配网络保证系统以最大功率传输能量，射频直流(RF-DC)转换电路中的整流器则用以把射频(RF)转换为直流(DC)电压。无源电压放大是通过接收天线和整流电路之间的阻抗匹配实现的。由于电压整流电路具有高品质因数的特性，阻抗匹配网络在接收天线与整流电路之间构成一个高品质因数的谐振网络。

以下将配合图1说明本发明的工作过程：

接收天线11采集射频信号，经过阻抗匹配16后输入射频直流(RF-DC)转换器12，从而把射频信号转化为直流电压并储存在电荷存储装置1上；电压监控装置14调节电荷存储装置13上的直流电压，其输出为电荷存储装置2充电；功率管理模块15控制电压监控装置14的输出和待供电无线传感网节点17之间的导通；当节点工作时，由功率管理模块15为其供电；电荷存储装置3储存功率管理模块15所产生的过量电荷，当节点需要更多电流时释放其储存的电荷。功率管理模块15一般包括一个开关电路。

电压监控模块14用来调整充到电路中的电压，并调整电荷存储装置上的电压，以防止其不工作。监控电压比系统提供的供电电压高100mV左右。

功率管理模块15通过控制能量采集器与传感器节点之间的电荷转移来保证传感器节点的安全工作。当传感器节点有功率需求时，电荷传输通道会被开启；否则电荷传输通道将处于关闭状态。

从功率管理模块15到射频直流(RF-DC)转换模块12的反馈回路用来控制射频直流(RF-DC)转换模块的工作状态。反馈环路根据无线传感节点的供电需求动态调整射频直流(RF-DC)转换模块的输出电压。在带有天线的系统中，反馈环路用于隔离射频直流(RF-DC)转换模块和天线，从而使得射频直流(RF-DC)模块可以用于其他目的。另外，反馈环路还可触发浮栅晶体管的栅极充电过程。

与现有技术相比，本发明的优点是阻抗匹配网络的阻抗能够程控调节，从而确保以最大功率传输能量；倍压电路中采用浮栅晶体管代替传统二极管，由于其输入阻抗极大，即具有很高的品质因数，因此射频直流(RF-DC)的转换效率很高。另外，使用浮栅晶体管降低整流器的阈值电压，另一方面也提高整流效率；由于引入电压监控模块与功率管理模块，从而使无线传感节点得到更稳定的电压和功率，避免电压过高或者电压不足对于无线传感节点的影响。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种用于无线传感节点供电的射频能量收集装置，包括：

宽带接收天线，用于接收射频信号，采集射频波的辐射能量；

阻抗匹配网络，位于宽带接收天线和射频直流转换电路之间，用于保证系统以最大功率传输能量；

射频直流转换电路，连接于阻抗匹配网络的输出端，采用整流器将经阻抗匹配后的射频能量转化为直流电压；

电压监控模块，位于射频直流转换电路和功率管理模块之间，用于调整充到电路中的电压，并调整电荷存储装置上的电压；

电荷储存装置，位于射频直流转换电路和电压监控模块之间、电压监控模块和功率管理模块之间以及功率管理模块和被供电的无线传感网节点之间；

功率管理模块，位于电压监控模块和无线传感网节点之间，并连接至射频直流转换电路形成反馈环路。

2.如权利要求1所述的一种用于无线传感节点供电的射频能量收集装置，其特征在于：该反馈环路根据无线传感器节点的供电需求动态调整射频直流转换电路的输出电压。

3.如权利要求1所述的一种用于无线传感节点供电的射频能量收集装置，其特征在于：射频直流转换电路采用多级倍压电路级联而成的射频直流转换电路。

4.如权利要求3所述的一种用于无线传感节点供电的射频能量收集装置，其特征在于：射频直流转换电路中的单级倍压电路包括1个直流输入端连接第一级浮栅晶体管的源极，第一级浮栅晶体管的漏极连接第二级浮栅晶体管的源极，第二级浮栅晶体管的漏极连接直流输出端；射频输入端连接第一电容，第一电容连接第一级浮栅晶体管的漏极；第二级浮栅晶体管的漏极连接第二电容，第二电容的另一端接地。

5.如权利要求4所述的一种用于无线传感节点供电的射频能量收集装置，其特征在于：射频直流(RF-DC)转换电路的倍压级联阶数为36阶。

6.如权利要求4所述的一种用于无线传感节点供电的射频能量收集装置，其特征在于：宽带接收天线采用印刷电路板上的弯折线天线，内环置于一对相匹配的外环之间，天线的一对端口位于内环。

7.如权利要求6所述的一种用于无线传感节点供电的射频能量收集装置，其特征在于：宽带接收天线采用4层FR4基材的PCB板实现。

8.如权利要求4所述的一种用于无线传感节点供电的射频能量收集装置，其特征在于：电荷储存装置采用超级电容或者二次电池。

9.如权利要求4所述的一种用于无线传感节点的射频信号能量收集装置，其特征在于：该能量收集装置与发射源之间的距离在3米到40米之间。

10.如权利要求9所述的一种用于无线传感节点的射频信号能量收集装置，其特征在于：该发射源发射的RF信号的频率在3Hz到30GHz之间。