CN106961167A - 一种多天线串联式射频能量收集器 - Google Patents
一种多天线串联式射频能量收集器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106961167A CN106961167A CN201710189965.3A CN201710189965A CN106961167A CN 106961167 A CN106961167 A CN 106961167A CN 201710189965 A CN201710189965 A CN 201710189965A CN 106961167 A CN106961167 A CN 106961167A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- voltage multiplying
- multiplying rectifier
- network
- tandem
- antenna
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Rectifiers (AREA)
Abstract
本发明公开了一种多天线串联式射频能量收集器，由第一天线至第N天线这N个天线和第一倍压整流网络至第N倍压整流网络这N个倍压整流网络构成，N>1，其中，每个倍压整流网络为二端口网络，第一倍压整流网络至第N倍压整流网络通过前一倍压整流网络的第二输出端连接后一倍压整流网络的第二输入端而实现依次串联，第一天线至第N天线按照一一对应的方式连接至第一倍压整流网络至第N倍压整流网络的第一输入端，第一倍压整流网络的第二输入端均接地，第一倍压整流网络至第N倍压整流网络的第一输出端均空置，第N倍压整流网络的第二输出端作为所述多天线串联式射频能量收集器的能量输出端。
Description
技术领域
本发明涉及生物医疗电子器械领域，具体是一种多天线串联式射频能量收集器。
背景技术
射频能量收集是实现如植入式医疗器械等低功耗电子设备长期免维护工作的一项关键技术，其原理是通过从周围环境或特定的能量源捕获能量并将其转化为电能，经存储后提供给所述低功耗电子设备使用。目前，低功耗电子设备正朝集成化、微型化、无线化及智能化等方向迅速发展，而植入式医疗电子设备作为一种低功耗电子设备，其体积更小、功耗更低。为了适应植入式医疗电子设备的需求以及避免电池的频繁更换，射频能量无线供电是为植入式医疗电子设备无线供能的可选方案。现有的Villard射频能量收集器由单个天线和多级倍压整流网络构成，其在植入式医疗电子设备中应用存在以下局限性：
1、一般来说，射频能量源的发射功率较小，由于Villard射频能量收集器只有单个接收天线，其单位时间内收集的能量也比较少，使得Villard射频能量收集器的输出电流较低；
2、由于Villard射频能量收集器的单个接收天线收集的能量比较小，加之其倍压整流网络自身具有能量损耗，导致Villard射频能量收集器的系统转换效率较低。
因此，需要一种新的射频能量收集器，能够提高输出电流和能量转换效率，从而能够为如植入式医疗电子设备等低功耗电子设备无线供能，避免频繁更换其电池。
发明内容
本发明的目的是为了解决和克服现有Villard射频能量收集器所存在的技术问题和缺陷，提供一种多天线串联式射频能量收集器。
为了实现上述目的，本发明提供一种多天线串联式射频能量收集器，由第一天线至第N天线这N个天线和第一倍压整流网络至第N倍压整流网络这N个倍压整流网络构成，N>1，其中，每个倍压整流网络为二端口网络，第一倍压整流网络至第N倍压整流网络通过前一倍压整流网络的第二输出端连接后一倍压整流网络的第二输入端而实现依次串联，第一天线至第N天线按照一一对应的方式连接至第一倍压整流网络至第N倍压整流网络的第一输入端，第一倍压整流网络的第二输入端均接地，第一倍压整流网络至第N倍压整流网络的第一输出端均空置，第N倍压整流网络的第二输出端作为所述多天线串联式射频能量收集器的能量输出端。
进一步的，所述N个天线选自陶瓷天线、橡胶天线或微带天线中的一种或多种。
进一步的，所述N个天线均为微带天线，所述微带天线均使用FR_4作为介质基板，其介电常数Er为4.4，损耗正切角为0.02，厚度为2.54mm。
进一步的，所述微带天线采用蛇形曲流设计结构，包括首端的矩形金属微带线部分以及续接在所述矩形金属微带线一侧的蛇形弯绕部分，所述蛇形弯绕部分由多个上部的蜿蜒段、多个下部的蜿蜒段以及连接在相应的上部的蜿蜒段和下部的蜿蜒段之间的竖直段组成。
进一步的，所述矩形金属微带线部分的输入阻抗为50Ω，宽度和长度分别取值1.8mm和2mm。
进一步的，所述蛇形弯绕部分与所述矩形金属微带线一侧的续接微带线长度为1.5mm，所述续接微带线上设有圆形馈电点，所述圆形馈电点的直径为0.8mm。
进一步的，所述蛇形弯绕部分的上部的蜿蜒段宽度和下部的蜿蜒段的宽度均为0.5mm，且相邻的上部的蜿蜒段之间的间隙和相邻的下部的蜿蜒段之间的间隙均为0.3mm；所述蛇形弯绕部分上部的蜿蜒段的高度为1mm，所述下部的蜿蜒段的高度为1.6mm，连接在相对应的上部的蜿蜒段和下部的蜿蜒段之间的竖直段的高度为3mm。
进一步的，所述N个倍压整流网络均相同。
进一步的，所述倍压整流网络由两个电容和两个肖特基二极管或两个场效应管组成，具体电路连接为：第一个电容的一端为该倍压整流网络的第一输入端，另一端连接第一个肖特基二极管的阴极和第二个肖特基二极管的阳极，所述第一个肖特基二极管的阳极作为该倍压整流网络的第二输入端，并通过第二个电容和第二个肖特基二极管的阴极相连，第二个肖特基二极管的阳极作为该倍压整流网络的第一输出端，第二个肖特基二极管的阴极作为该倍压整流网络的第二输出端；当所述肖特基二极管采用具有低阈值或开启电压的场效应管代替时，需将场效应管的栅极和漏极连接到一起，充当肖特基二极管的阳极，而场效应管的源极充当肖特基二极管的阴极。
进一步的，所述肖特基二极管为选用Avago公司的HSMS-282x、HSMS-285x和HSMS-286x中的任一种甚高频肖特基二极管。所述电容采用贴片电容，取值10pF。
与现有技术相比，本发明的多天线串联式射频能量收集器具有以下有益效果：
1、本发明的多天线串联式射频能量收集器采用多天线以及串联的多级倍压整流网络接收能量，所以其输出电压比只具有单天线的Villard射频能量收集器高；
2、本发明的多天线串联式射频能量收集器采用多天线串联来收集能量，所以其能量转换效率比只具有单天线的Villard射频能量收集电路高。
3、本发明的多天线串联式射频能量收集器，由于其输出电流和能量转换效率均相对较高，从而能够为如植入式医疗电子设备等低功耗电子设备无线供能，避免频繁更换其电池。
附图说明
图1是本发明具体实施例的多天线串联式射频能量收集器的系统框图；
图2是本发明具体实施例的多天线串联式射频能量收集器的具体电路图；
图3为本发明具体实施例的多天线串联式射频能量收集器的天线结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，介绍一种多天线串联式射频能量收集器的具体实现方法。应当说明该实施例仅用于解释本发明，本发明的保护范围不局限于所述实施例。
本发明提供一种多天线串联式射频能量收集器，由第一天线至第N天线这N个天线和第一倍压整流网络至第N倍压整流网络这N个倍压整流网络构成，N>1，其中，每个倍压整流网络为二端口网络，第一倍压整流网络至第N倍压整流网络通过前一倍压整流网络的第二输出端连接后一倍压整流网络的第二输入端而实现依次串联，第一天线至第N天线按照一一对应的方式连接至第一倍压整流网络至第N倍压整流网络的第一输入端，第一倍压整流网络的第二输入端均接地，第一倍压整流网络至第N倍压整流网络的第一输出端均空置，第N倍压整流网络的第二输出端作为所述多天线串联式射频能量收集器的能量输出端。
具体地，请参考图1，所述第一天线与所述第一倍压整流网络的第一输入端1相连，所述第一倍压整流网络的第二输入端2接地，所述，第一倍压整流网络的第一输出端3空置，第一倍压整流网络的第二输出端4连接至所述第二倍压整流网络的第二输入端2；第二倍压整流网络的第一输入端1与第二天线相连，第二倍压整流网络的第一输出端3空置，第二倍压整流网络的第二输出端4连接至第三倍压整流网络的第二输入端2；依理，所述第三至第N天线和第三至第N倍压整流网络的连接方式与所述第二天线和第二倍压整流网络的连接方式相同，从而实现第一倍压整流网络至第N倍压整流网络的串联，所述第N倍压整流网络的第二输出端4输出N个天线收集的能量。其中，所述N个天线选自陶瓷天线、橡胶天线或微带天线中的一种或多种，可以相同，也可以不同，所述N个倍压整流网络可以完全相同，也可以不同。每个倍压整流网络可以由两个电容和两个肖特基二极管组成，具体地电路连接为：第一个电容的一端为该倍压整流网络的第一输入端1，另一端连接第一个肖特基二极管的阴极和第二肖特基二极管的阳极，所述第一个肖特基二极管的阳极作为该倍压整流网络的第二输入端2，并通过第二个电容和第二肖特基二极管的阴极相连，第二肖特基二极管的阳极作为该倍压整流网络的第一输出端3，第二肖特基二极管的阴极作为该倍压整流网络的第二输出端4。在本发明的其他实施例中，两个肖特基二极管可以分别替换为具有低阈值(或开启)电压的场效应管，此时需将场效应管的栅极和漏极连接到一起，充当肖特基二极管的阳极，而场效应管的源极充当肖特基二极管的阴极。
请参考图2，以N＝3为例，来详细说明本发明的多天线串联式射频能量收集器，其中，3个天线为相同规格的微带天线。
当N＝3时，该多天线串联式射频能量收集器为三天线串联式射频能量收集器，由第一微带天线、第二微带天线至第三微带天线3个天线和第一倍压整流网络至第三倍压整流网络3个相同的倍压整流网络构成。所述第一微带天线与所述第一倍压整流网络的第一输入端1相连，所述第一倍压整流网络的第二输入端2接地，所述第一倍压整流网络的第一输出端3空置，所述第一倍压整流网络的第二输出端4连接至第二倍压整流网络的第二输入端2；第二微带天线连接至第二倍压整流网络的第一输入端1，所述第二倍压整流网络的第一输出端3空置，所述第二倍压整流网络的第二输出端4连接至第三倍压整流网络的第二输入端2；第三微带天线连接至第三倍压整流网络的第一输入端1，所述第三倍压整流网络的第一输出端3空置，所述第三倍压整流网络的第二输出端4作为该三天线串联式射频能量收集器的能量输出端，输出3个微带天线收集的能量。
其中，第一倍压整流网络由C11、C12两个电容和D11、D12两个肖特基二极管组成，具体地电路连接为：第一个电容C11的一端为第一倍压整流网络的第一输入端1，另一端连接第一个肖特基二极管D11的阴极和第二肖特基二极管D12的阳极，所述第一个肖特基二极管D11的阳极作为第一倍压整流网络的第二输入端2，并通过第二个电容C12和第二肖特基二极管D12的阴极相连，第二肖特基二极管D12的阳极作为第一倍压整流网络的第一输出端3，第二肖特基二极管D12的阴极作为第一倍压整流网络的第二输出端4。
第二倍压整流网络由C21、C22两个电容和D21、D22两个肖特基二极管组成，具体地电路连接为：第一个电容C21的一端为第二倍压整流网络的第一输入端1，另一端连接第一个肖特基二极管D21的阴极和第二肖特基二极管D22的阳极，所述第一个肖特基二极管D21的阳极作为第二倍压整流网络的第二输入端2，并通过第二个电容C22和第二肖特基二极管D22的阴极相连，第二肖特基二极管D22的阳极作为第二倍压整流网络的第一输出端3，第二肖特基二极管D22的阴极作为第二倍压整流网络的第二输出端4。
第三倍压整流网络由C31、C32两个电容和D31、D32两个肖特基二极管组成，具体地电路连接为：第一个电容C31的一端为第三倍压整流网络的第一输入端1，另一端连接第一个肖特基二极管D31的阴极和第二肖特基二极管D32的阳极，所述第一个肖特基二极管D31的阳极作为第三倍压整流网络的第二输入端2，并通过第二个电容C32和第二肖特基二极管D32的阴极相连，第二肖特基二极管D32的阳极作为第三倍压整流网络的第一输出端3，第二肖特基二极管D32的阴极作为第三倍压整流网络的第二输出端4。
本实施例中，上述各个肖特基二极管选用Avago公司的甚高频肖特基二极管HSMS-282x、HSMS-285x和HSMS-286x中的任一种，所述各个电容采用贴片电容，取值10pF。
请继续参考图2，图2中，第一倍压整流网络的第二输出端4相对于其第二输入端2的电压为Vo1；第二倍压整流网络的第二输出端4相对于其第二输入端2的电压为Vo2；第三倍压整流网络的第二输出端4相对于其第二输入端2的电压为Vo3，且第三倍压整流网络的第二输出端4相对于地的电压为Vout。则当射频能量源发射的能量为10dBm@2.4GHz，负载为10kΩ，且发射天线位于第二微带天线正前方5cm，三个微带天线之间间距5mm时，本实施例中上述各节点电压测试结果如下表所示：
| 节点 | 电压(V) |
| Vo1 | 0.60 |
| Vo2 | 0.45 |
| Vo3 | 0.52 |
| Vout | 1.57 |
这也说明了本发明的多天线串联式射频能量收集器采用多天线串联接收能量，其输出电压会比只具有单天线的Villard射频能量收集器高。
请参图3，本实施例中，所述第一微带天线、第二微带天线以及第三微带天线均使用FR_4作为介质基板，其介电常数Er为4.4，损耗正切角为0.02，厚度为2.54mm，采用蛇形曲流设计方案，具体包括首端的矩形金属微带线部分31以及续接在所述矩形金属微带线31一侧的蛇形弯绕部分33，所述矩形金属微带线部分31的输入阻抗为50Ω，其宽度W50和长度L50分别取值1.8mm和2mm；所述蛇形弯绕部分33与所述矩形金属微带线31一侧的续接微带线32的长度Lin为1.5mm，所述续接微带线32上设有圆形馈电点321，所述圆形馈电点321的直径d为0.8mm；所述蛇形弯绕部分33均匀蜿蜒，其各个蜿蜒段(包括上部的蜿蜒段331、下部的蜿蜒段333)的宽度w为0.5mm，且所述蛇形弯绕部分33相邻的蜿蜒段之间的间隙s为0.3mm；所述蛇形弯绕部分33的上部的蜿蜒段331的高度W1为1mm，下部的蜿蜒段333的高度W2为1.6mm，连接在上部的蜿蜒段331和下部的蜿蜒段333之间的竖直段332的高度X1为3mm。所述蛇形弯绕部分33的接地面长度可以为11mm。在本发明的其他实施例中W50、L50、Lin、w、s、W1、W2、X1及接地面长度的取值可以进行适应性调整，以满足器件性能要求。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种多天线串联式射频能量收集器，其特征在于，由第一天线至第N天线即N个天线，和第一倍压整流网络至第N倍压整流网络即N个倍压整流网络构成，N>1，其中，所述倍压整流网络为二端口网络，第一倍压整流网络至第N倍压整流网络通过前一倍压整流网络的第二输出端连接后一倍压整流网络的第二输入端而实现依次串联，第一天线至第N天线按照一一对应的方式连接至第一倍压整流网络至第N倍压整流网络的第一输入端，第一倍压整流网络的第二输入端均接地，第一倍压整流网络至第N倍压整流网络的第一输出端均空置，第N倍压整流网络的第二输出端作为所述多天线串联式射频能量收集器的能量输出端。
2.根据权利要求1所述的多天线串联式射频能量收集器，其特征在于，所述N个天线选自陶瓷天线、橡胶天线或微带天线中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的多天线串联式射频能量收集器，其特征在于，所述N个天线均为微带天线，所述微带天线均使用FR_4作为介质基板，其介电常数Er为4.4，损耗正切角为0.02，厚度为2.54mm。
4.根据权利要求1所述的多天线串联式射频能量收集器，其特征在于，所述微带天线采用蛇形曲流设计结构，包括首端的矩形金属微带线部分以及续接在所述矩形金属微带线一侧的蛇形弯绕部分，所述蛇形弯绕部分由多个上部的蜿蜒段、多个下部的蜿蜒段以及连接在相应的上部的蜿蜒段和下部的蜿蜒段之间的竖直段组成。
5.根据权利要求4所述的多天线串联式射频能量收集器，其特征在于，所述矩形金属微带线部分的输入阻抗为50Ω，宽度和长度分别取值1.8mm和2mm。
6.根据权利要求4所述的多天线串联式射频能量收集器，其特征在于，所述蛇形弯绕部分与所述矩形金属微带线一侧的续接微带线长度为1.5mm，所述续接微带线上设有圆形馈电点，所述圆形馈电点的直径为0.8mm。
7.根据权利要求4所述的多天线串联式射频能量收集器，其特征在于，所述蛇形弯绕部分的上部的蜿蜒段宽度和下部的蜿蜒段的宽度均为0.5mm，且相邻的上部的蜿蜒段之间的间隙和相邻的下部的蜿蜒段之间的间隙均为0.3mm；所述蛇形弯绕部分上部的蜿蜒段的高度为1mm，所述下部的蜿蜒段的高度为1.6mm，连接在相对应的上部的蜿蜒段和下部的蜿蜒段之间的竖直段的高度为3mm。
8.根据权利要求1所述的多天线串联式射频能量收集器，其特征在于，所述倍压整流网络由两个电容和两个肖特基二极管或两个场效应管组成，具体电路连接为：第一个电容的一端为该倍压整流网络的第一输入端，另一端连接第一个肖特基二极管的阴极和第二个肖特基二极管的阳极，所述第一个肖特基二极管的阳极作为该倍压整流网络的第二输入端，并通过第二个电容和第二个肖特基二极管的阴极相连，第二个肖特基二极管的阳极作为该倍压整流网络的第一输出端，第二个肖特基二极管的阴极作为该倍压整流网络的第二输出端；当所述肖特基二极管采用具有低阈值或开启电压的场效应管代替时，需将场效应管的栅极和漏极连接到一起，充当肖特基二极管的阳极，而场效应管的源极充当肖特基二极管的阴极。
9.根据权利要求8所述的多天线串联式射频能量收集器，其特征在于，所述肖特基二极管为选用Avago公司的HSMS-282x、HSMS-285x和HSMS-286x中的任一种甚高频肖特基二极管。
10.根据权利要求8所述的多天线并联式射频能量收集器，其特征在于，所述电容采用贴片电容，取值10pF。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710189965.3A CN106961167A (zh) | 2017-03-28 | 2017-03-28 | 一种多天线串联式射频能量收集器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710189965.3A CN106961167A (zh) | 2017-03-28 | 2017-03-28 | 一种多天线串联式射频能量收集器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106961167A true CN106961167A (zh) | 2017-07-18 |
Family
ID=59471894
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710189965.3A Pending CN106961167A (zh) | 2017-03-28 | 2017-03-28 | 一种多天线串联式射频能量收集器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106961167A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108054524A (zh) * | 2017-12-11 | 2018-05-18 | 中山大学 | 整流天线 |
| CN112290686A (zh) * | 2020-10-19 | 2021-01-29 | 湖南速文科技有限公司 | 高效率电磁波能量收集电路 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102694565A (zh) * | 2012-05-18 | 2012-09-26 | 西安电子科技大学 | 一种集成蛇形天线的3d-mcm射频系统 |
| CN105305663A (zh) * | 2015-10-22 | 2016-02-03 | 江苏科技大学 | 一种多电极构成的多天线高效率射频能量收集器 |
-
2017
- 2017-03-28 CN CN201710189965.3A patent/CN106961167A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102694565A (zh) * | 2012-05-18 | 2012-09-26 | 西安电子科技大学 | 一种集成蛇形天线的3d-mcm射频系统 |
| CN105305663A (zh) * | 2015-10-22 | 2016-02-03 | 江苏科技大学 | 一种多电极构成的多天线高效率射频能量收集器 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108054524A (zh) * | 2017-12-11 | 2018-05-18 | 中山大学 | 整流天线 |
| CN112290686A (zh) * | 2020-10-19 | 2021-01-29 | 湖南速文科技有限公司 | 高效率电磁波能量收集电路 |
| CN112290686B (zh) * | 2020-10-19 | 2024-03-19 | 湖南速文科技有限公司 | 高效率电磁波能量收集电路 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR20160076976A (ko) | 다대역 무선 주파수 에너지 활용을 위한 정류회로 | |
| JP2016119836A5 (zh) | ||
| CN104659499A (zh) | 一种多频段射频能量获取系统 | |
| CN105305663B (zh) | 一种多电极构成的多天线高效率射频能量收集器 | |
| Alam et al. | Design of a low power 2.45 GHz RF energy harvesting circuit for rectenna | |
| CN106961167A (zh) | 一种多天线串联式射频能量收集器 | |
| CN111262045B (zh) | 一种宽动态输入功率范围的紧凑型整流天线 | |
| Wang et al. | Design of a rectifier for 2.45 GHz wireless power transmission | |
| Sedeek et al. | High efficiency 2.45 GHz low power hybrid junction rectifier for RF energy harvesting | |
| Kadupitiya et al. | Optimizing RF energy harvester design for low power applications by integrating multi stage voltage doubler on patch antenna | |
| Chuc et al. | Investigation of rectifier circuit configurations for microwave power transmission system operating at S Band | |
| CN205429134U (zh) | 一种频率大范围可重构的不等分功率分配器 | |
| Agrawal et al. | An efficient RF energy harvester with tuned matching circuit | |
| Thierry et al. | COTS-based modules for far-field radio frequency energy harvesting at 900MHz and 2.4 GHz | |
| CN106961166A (zh) | 一种多天线并联式射频能量收集器 | |
| Adam et al. | Rectifier for RF energy harvesting using stub matching | |
| Muhammad et al. | Design of a dualport multi-band rectifier circuit | |
| Trad et al. | Preliminary investigations into a simple and effective rectenna for RF energy harvesting | |
| Shekhar et al. | An optimized 2.4 GHz RF energy harvester for energizing low-power wireless sensor platforms | |
| Adam et al. | RF energy harvesting with efficient matching technique for low power level application | |
| Asmeida et al. | Fast switching wideband rectifying circuit for future RF energy harvesting | |
| Thierry et al. | RF energy harvesting and remote powering at 900MHz and 2.4 GHz | |
| Lakhal et al. | Wireless power transmission technologies and applications | |
| US11271434B2 (en) | Rectenna device | |
| Yamamoto et al. | The design of mw-class RF-DC conversion circuit using the full-wave rectification |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170718 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |