CN106464149A - 用于提高的rf‑dc整流效率的谐波采集器 - Google Patents

用于提高的rf‑dc整流效率的谐波采集器 Download PDF

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Abstract

一种谐波采集电路设计，用于在传统整流电路的输出处采集包含在基波和谐波频率中的未整流的AC功率。

Description

用于提高的RF-DC整流效率的谐波采集器
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年12月12日提交的美国临时申请No.61/915,237的优先权，其通过整体引用并入在此。
背景技术和发明内容
传统的整流电流设计将交流(AC)信号转换成直流(DC)信号。低势垒肖特基二极管通常被用在低AC功率情况中，例如外界(ambient)RF信号。AC-DC转换带宽和效率与AC功率水平、二极管特性、和负载阻抗相关。二极管特性也依赖于频率、输入功率水平和输出电流。
由于所有的二极管都不是理想的，都具有非零阈值电压和非线性I-V特性，所以整流电路的输出除了期望的DC信号还包括许多谐波信号。本发明的示例性实施例通常涉及一种新型谐波采集(harvesting)电路设计，用于在传统整流电路的输出端采集未整流的AC功率(包含在基波和谐波频率中)。注意，本发明也能被用于具有与传统整流电路类似问题的其它类型的传统AC-DC转换器电路。结果，本发明能够提高整流效率，还能扩展传统整流电路的频率上限，因此能在从700MHz到2500MHz的用于GSM(全球移动通信系统)或Wi-Fi的更高的频率处从射频(RF)信号有效采集能量。
RF能量采集中的最重要的部件中的一个部件是整流器，其将RF信号转换成DC功率。由于它们的低接通电压、小的阻抗、和小的结电容，低势垒肖特基二极管通常被用作在低功率、高频率的整流器电路中的开关。然而，由于二极管阻抗中的欧姆损耗，以及由二极管的非线性I-V属性和整流过程产生的谐波中的未整流的能量，外界RF采集器(harvester)的典型转换效率低于60％。(未整流的信号/能量是未由整流电路转换成DC信号/能量的AC信号/能量。其它类型的AC-DC转换器电路也可被用于本发明。)如在大多数外界RF信号的情况中，在低RF输入功率水平处，很难达到高于50％的整流效率，仅在阻抗匹配、输入功率水平、频率和负载阻抗的非常理想条件下才可能获得。在文献中已经示出输出谐波以包含在传统整流器设计中浪费的多达能量的20％。
除了能够采集包含在由整流二极管的非线性属性产生的谐波中的RF能量外，本发明的新型电路还可以在整流二极管的频率上限处提高整流效率，其中输入RF信号的一部分通过二极管的结电容旁通该二极管。这在传统整流器的输出处产生处于基波频率的未整流的RF信号。这种RF信号通过大的DC保持电容器被短接到地，因此被浪费掉。
此处公开了一种示例性的谐波采集器电路设计，其转换在传统整流器电路的输出处的未整流的信号。在一个可替代的实施例中，本发明的采集器电路连接在传统整流器电路的输出和输入之间，从而形成反馈环电路。采集器电路拓扑的变型的附加实施例由整流二极管、滤波器和阻抗匹配电路的不同布置组成。
除了上面提及的新特征和优势，其它益处将从下面附图和示例性实施例的描述中容易地明白。
附图说明
下面的示例实施例的详细描述参考附图，附图形成详细描述的一部分。详细描述以示例性实施例的方式提供解释。应当理解，在不脱离本发明的精神的情况下，可使用具有结合本发明的范围的机械和电气改变的其它实施例。
除了上面提及的特征，本发明的其它方面将从下面附图和示例性实施例的描述容易地明白，其中几个视图中相同的参考标记指示相同或相应的特征，并且其中：
图1是一个具有单独的2.45GHz音调输入的标准的格莱纳赫倍压(GreinacherVoltage Doubler)电路。
图2是图1所示的标准格莱纳赫倍压电路的输出功率频谱。
图3是增加了本发明的谐波采集器电路块的格莱纳赫倍压电路。操作频率在2.45GHz处。
图4是图3所示的谐波采集器电路块的输出功率频谱。
图5是使用5.8GHz输入的可替代实施例的标准格莱纳赫倍压电路的输出功率频谱。
图6是一个采用5.8GHz输入的图3的谐波采集器电路的输出功率频谱。
图7示出了以级联形式连接多个谐波采集器的本发明的示例性实施例。该实施例中的操作频率在5.8GHz处。
图8示出了以环回配置连接一个或多个谐波采集器的本发明的示例性实施例。
图9(a)示出基于图3的设计实施单独的谐波采集器设计的示例性电路。
图9(b)示出制造的电路板，与没有谐波采集器的测量的转换效率(实线)相比较的作为输入功率的函数的测量的转换效率(虚线)。
图10示出谐波采集器电路的ADS电路模型实施的示例。
图11示出图8的示例电路实施例。
具体实施方式
本发明的示例性实施例旨在提高RF-DC的转换效率，其定义为最终的DC输出功率与输入RF功率的比值。所有的仿真结果采用商用“高级设计系统电路设计详细说明(Advanced Design System Circuit Design Cookbook)”获得。
参考图1，示出了通常用来将RF信号转换成DC功率的标准的格莱纳赫倍压电路的示例性实施例。一个处于-10dBm功率水平的单独的2.45GHz音调的RF源从左边进入该电路。其后跟随阻抗匹配电路，该阻抗匹配电路由用于使返回源的反射最小的单短截线调谐器(single-stub tuner)组成。电容C1用来阻止DC信号传到RF源，同时允许来自源的RF信号通过。接下来是两个整流二极管D1和D2，它们是SMS7630低势垒肖特基二极管。整流后的输出DC信号电平被充电保持电容器C2平滑化。输出被连接到右手侧的1K电阻。理想地，除了一些二极管阻抗的欧姆损耗，所有RF能量应被转换成DC功率，并具有接近100％的高转换效率。如在外界RF能量采集的情况中，操作在低偏压条件下的所有二极管具有非线性I-V特性。这产生谐波信号，其频率是基波频率的倍数。此外，横跨二极管P-N结上的有限结电容允许输入RF信号的一小部分泄漏到输出。泄漏的量随着频率增加。因此，实际整流电路、或“整流器”的输出不只是包含DC。这由图2展示，其示出在整流器的输出处观察到的功率频谱。它示出了基于从-10dBm RF源产生的DC功率的量的存在于基波和谐波频率处的显著功率，转换效率约为24.8％。
图3示出在图1所示的传统整流器12的输出增加谐波采集器10块的示例性实施例。在该示例性实施例中的谐波采集器电路块由隔DC电容C214、后面跟随的阻抗匹配网络电路16(IMN2)、整流二极管D3 18、和隔RF电感L1 20组成，其中隔RF电感L1 20用于防止基波和谐波信号通过C3与地短路。
在图3中，存在于D2输出处的基波和谐波频率处的未整流RF能量被隔RF电感L1阻止，并改道到谐波采集器电路，其由隔DC电容C2、阻抗匹配电路IMN2(其优选与IMN1不同)以及整流二极管D3(在一个实施例中其与D1和D2相同，但是它不是必须相同)组成。
图4中所示的在Vout处观察的图3的计算输出功率频谱表明在基波和谐波频率处的功率水平已经被谐波采集器电路显著降低了。这些能量中的一部分已经被谐波采集器电路模块转换成DC。这导致转换效率从24.8％增加到40％。
在一个可替代的实施例中，可增加附加元件以提供更精细的频率控制。例如，代替单个电容C2，可使用一个简单的高通滤波器；代替单个电感L，可使用一个简单的低通滤波器。这些电气电路元件也可被更复杂的L/C电路代替，以获得更精细的滤波。
在图1的一个可替代实施例中，输入信号的频率从2.45GHz增加到5.8GHz，以证明降低的转换效率是由于更多RF能量通过D1和D2的结电容被泄漏。在图5的输出功率频谱中的输出DC功率水平与在2.45GHz处在图2中获得的输出DC功率水平的比较，显示出显著的DC功率降低。在这种情况下的转换效率是16％。
在图3的可替代实施例中，输入信号的频率从2.45GHz增加到5.8GHz。在图6中的输出功率频谱表明，与图5中的DC功率相比，DC功率增加了。最终的转换效率从16％增加到22％。
图7示出了以级联(串联)形式连接多个谐波采集器22的本发明的示例性实施例，其用于尤其在高泄漏的情形中将更多的功率采集为DC，因为每个谐波采集器的输出可能仍然有非DC成分。重要的是保持谐波采集器的数量最小，因为每个谐波采集器电路中附加的二极管也增加更多的欧姆损耗，从而降低转换效率。
图8示出了以环回24配置连接一个或多个谐波采集器的本发明的示例性实施例。这种配置等价于不使用多个电路的多谐波采集器的实施例，因此与图7中所示的串联配置相比，节省了尺寸和成本。图8中围绕电路的谐波采集器部分的虚线是本发明的采集器电路(如，图3，7的采集器电路)的一般表示，其可被用作图8中的反馈回路(例如，将图3和7的采集器电路用作反馈回路需要使该回路返回到整流器D2的输入)。图11示出图8的反馈回路电路的一个示例实施例。
图9(a)示出实施单独的谐波采集器设计(基于图3的设计)的示例性电路。图9(b)示出制造的电路板，以及与没有谐波采集器的测量的转换效率(实线)相比较的作为输入功率的函数的测量的转换效率(虚线)。在该情况中，对于-5dBm以上的输入功率，谐波采集将转换效率从5％增加到18％。
图10示出谐波采集器电路的ADS电路模型实施的示例。该电路的阻抗匹配网络IMN部分26由传输线TL69和T形接头T9的部分和短路的短接线(shorted stub)TL68组成。在设计优化期间，ADS将自动寻找TL69和TL68的最佳长度，其产生最大的DC输出。
虽然上面详细描述了本发明的特定实施例，但是不认为本发明的范围受到本公开限制，可进行修改，而不脱离由下述权利要求证明的本发明的精神。

Claims (23)

1.一种电路，用于在AC-DC转换器电路的输出处采集未转换的AC信号，所述电路包括：
与所述AC-DC转换器电路的所述输出电气通信的隔DC电路或电路元件，所述隔DC电路或电路元件具有输入和输出；
具有输入和输出的阻抗匹配电路或电路元件，其中，所述阻抗匹配电路或电路元件的所述输入与所述隔DC电路或电路元件的所述输出电气通信；
具有输入和输出的整流电路或电路元件，其中，所述整流电路或电路元件的所述输入与所述阻抗匹配电路或电路元件的所述输出电气通信；以及
具有输入和输出的隔AC电路或电路元件，其中，所述隔AC电路或电路元件的所述输入与所述AC-DC转换器电路的所述输出电气通信，用于允许所述未转换的AC信号流向所述隔DC电路或电路元件。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述AC-DC转换器电路是整流器电路，并且其中，所述未转换的AC信号是未整流的AC信号。
3.根据权利要求1所述的电路，其中所述隔AC电路或电路元件的所述输出与所述整流电路或电路元件的所述输出电气通信，并且其中，所述隔AC电路或电路元件的所述输出与所述整流电路或电路元件的所述输出形成用于采集未转换的AC信号的电路的输出。
4.根据权利要求1所述的电路，其中所述未转换的AC信号是谐波信号，其频率是基波频率的倍数。
5.根据权利要求1所述的电路，其中所述未转换的AC信号中的一种信号是泄漏到所述AC-DC转换器电路的所述输出的RF信号。
6.根据权利要求1所述的电路，其中所述隔DC电路或电路元件是电容器。
7.根据权利要求1所述的电路，其中所述隔DC电路或电路元件是高通滤波器。
8.根据权利要求1所述的电路，其中所述隔AC电路或电路元件是电感器。
9.根据权利要求1所述的电路，其中所述隔AC电路或电路元件是低通滤波器。
10.根据权利要求1所述的电路，其中所述AC-DC转换器电路是传统的整流器电路。
11.根据权利要求1所述的电路，其中所述隔AC电路或电路元件防止基波和谐波信号接地短路。
12.根据权利要求1所述的电路，进一步包括与用于采集未转换的AC信号的电路串联的用于采集未转换的AC信号的第二电路。
13.一种电路，用于在第一AC-DC转换器电路的输出处采集未转换的AC信号，所述电路包括：
与所述第一AC-DC转换器电路的所述输出电气通信的隔DC电路或电路元件，所述隔DC电路或电路元件具有输入和输出；
具有输入和输出的阻抗匹配电路或电路元件，其中，所述阻抗匹配电路或电路元件的所述输入与所述隔DC电路或电路元件的所述输出电气通信；
具有输入和输出的第二AC-DC转换器电路或电路元件，其中，所述第二AC-DC转换器电路或电路元件的所述输入与所述阻抗匹配电路或电路元件的所述输出电气通信；以及
具有输入和输出的隔AC电路或电路元件，其中，所述隔AC电路或电路元件的所述输入与所述第一AC-DC转换器电路的所述输出电气通信，用于允许所述未转换的AC信号流向所述隔DC电路或电路元件。
14.根据权利要求13所述的电路，其中所述第一和第二AC-DC转换器电路是整流器电路，并且其中，所述未转换的AC信号是未整流的AC信号。
15.根据权利要求13所述的电路，其中所述隔AC电路或电路元件的所述输出与所述第二AC-DC转换器电路或电路元件的所述输出电气通信，并且其中，所述隔AC电路或电路元件的所述输出与所述第二AC-DC转换器电路或电路元件的所述输出形成用于采集未转换的AC信号的电路的输出。
16.根据权利要求13所述的电路，其中所述隔AC电路或电路元件防止基波和谐波信号接地短路。
17.根据权利要求13所述的电路，进一步包括与用于采集未转换的AC信号的电路串联的用于采集未转换的AC信号的第二电路。
18.根据权利要求13所述的电路，其中所述第二AC-DC转换器电路或电路元件将基波和谐波信号转换为DC。
19.根据权利要求13所述的电路，其中所述阻抗匹配电路或电路元件被配置为产生最大的DC输出。
20.一种电路，用于在第一AC-DC转换器电路的输出处采集未转换的AC信号，所述电路包括：
与所述第一AC-DC转换器电路的所述输出电气通信的隔DC电路或电路元件，所述隔DC电路或电路元件具有输入和输出；
具有输入和输出的阻抗匹配电路或电路元件，其中，所述阻抗匹配电路或电路元件的所述输入与隔DC电路或电路元件的所述输出电气通信；
具有输入和输出的第二AC-DC转换器电路或电路元件，其中，所述第二AC-DC转换器电路或电路元件的所述输入与所述阻抗匹配电路或电路元件的所述输出电气通信；以及
其中，所述第二AC-DC转换器电路或电路元件的所述输出反馈到所述第一AC-DC转换器电路的输入中以形成反馈环路。
21.根据权利要求20所述的电路，进一步包括：
具有输入和输出的隔AC电路或电路元件，其中，所述隔AC电路或电路元件的所述输入与所述第一AC-DC转换器电路的所述输出电气通信，用于允许所述未转换的AC信号流向所述隔DC电路或电路元件。
22.根据权利要求20所述的电路，其中所述第一和第二AC-DC转换器电路是整流器电路，并且其中，所述未转换的AC信号是未整流的AC信号。
23.根据权利要求20所述的电路，其中所述第二AC-DC转换器电路或电路元件将基波和谐波信号转换为DC。
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