CN107895842A - 一种射频电磁波能量供电的时钟装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种射频电磁波能量供电的时钟装置，该装置集成在一块圆形双层PCB介质板上，PCB介质板顶层刻画成时钟样式；PCB介质板底层包括射频能量收集天线、射频能量收集电路、储能电容和时钟工作电路。所述射频能量收集天线为共面波导馈电的分形天线，该天线贴片样式采用分形结构，分形结构和共面波导馈电能增加天线的带宽，可使天线收集到环境中Wi‑Fi和手机2G、3G、4G信号的射频能量；所述射频能量收集电路包括匹配、整流、滤波电路；所述储能电容为一个高品质的超级电容。本发明的射频电磁波能量供电的时钟装置可收集周围环境中的电磁波能量，也能通过独立发射源或手机为其快速无线充电，将储存能量运用在时钟工作电路，使时钟装置正常工作。

Description

一种射频电磁波能量供电的时钟装置
技术领域
本发明属于自供电时钟领域，涉及到一种多频段分形天线的设计及射频能量收集与存储电路的设计。
背景技术
时至今日，电子技术得以飞速发展，无线传感网络广泛应用于各个领域中并实时地传输监测数据。与此同时，为了满足人类生活需要，越来越多的传感器需要被安放在人迹罕至或者环境恶劣的地区。在一些基础设施监控方面，如医疗监控，无线传感器网络可以实现对人体生理数据的无线监控、对医护人员和患者的追踪、对药品和医疗设备的监测等。应对当前社会老龄化的问题，无线传感器网络通过在鞋、家具、家用电器等物体中嵌入半导体传感器，可以帮助老龄人士以及残障人士接受护理，这样可以减轻护理人员的负担。从以上例子中可以看出无线传感网络为社会提供了不少便利和帮助。但是，无线传感网络节点的持续供能问题越来越成为人们所关注的焦点。目前，电池仍然是传感网络节点和电子设备的主要电源，最常见的例如家用挂壁时钟、电视红外遥控器等。但随着传感网络分布的环境更广泛、更复杂，电池的维护和更换将会是一个非常棘手的问题，并且，随着传感设备的小型化发展，长时间、稳定的绿色供电方式一直是制约其进一步发展的技术难题。同时，更换的废旧电池，还会增加环境污染。因此，发展绿色环保免维护的新型供电方式符合当前无线传感网络长期可靠供电的迫切需求，符合当今社会“绿色环保”的主题，对提高社会经济效益具有重要的实际意义。
一方面，无线传感网络节点功耗已经达到微瓦级别。另一方面，自然环境中存在各种能量，例如太阳能、振动能、热能、射频电磁能。如若将这些能量有效收集利用，就可以作为一种新的供能方式为无线传感网络节点供电，进而替代传统的电池供电。
射频能量存在于当前环境中的普遍性以及射频无线能量收集的便利性和可行性，使其在低功耗自供电系统中具有非常广阔的应用前景。射频无线能量收集主要通过整流天线、能量管理电路等模块实现，天线收集到的射频能可转换成电能，并可直接为ZigBee模块或RFID等低功耗电子设备供电。其中，在天线的研究中，微带天线具有质量轻、体积小和易于制造等优点，现已经广泛应用于个人无线通信中。因此高性能的微带天线的研究设计对整个射频能量收集系统具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种射频电磁波能量供电的时钟装置，该装置可以收集日常生活环境中的电磁波能量，也能通过独立发射源或手机为其快速无线充电，并将收集到的能量进行存储为时钟供电，使得时钟能够正常工作，摆脱电池的束缚，实现自供电功能，降低成本、减小体积、能适于大规模的应用。
本发明的技术方案为：一种射频电磁波能量供电的时钟装置，该装置集成在一块圆形双层PCB介质板上，其中PCB介质板顶层刻画成时钟样式；PCB介质板底层包括射频能量收集天线、射频能量收集电路、储能电容和时钟工作电路。所述射频能量收集天线为共面波导馈电的分形天线，该天线贴片样式采用分形结构，分形结构和共面波导馈电能增加天线的带宽，可使天线收集到环境中Wi-Fi和手机2G、3G、4G信号的射频能量；所述射频能量收集电路包括匹配、整流、滤波电路；所述储能电容为一个高品质的超级电容。本发明的射频电磁波能量供电的时钟装置可收集周围环境中的电磁波能量，也能通过独立发射源或手机为其快速无线充电，将储存能量运用在时钟工作电路，使时钟装置正常工作。
所述分形天线包括基板介质层、圆形金属辐射贴片、金属地平面以及微带馈线，其中圆形金属辐射贴片、金属地平面和微带馈线都位于基板介质层的下表面，金属地平面和微带馈线之间留有间隙，构成共面波导馈电结构。该分形天线的基本结构特征类似于圆盘单极子天线，1阶分形结构即在圆形金属辐射贴片上挖去一个较大的等边三角形，2阶分形结构在1阶的基础上内接一个圆，并在内接圆内挖去一个较小的等边三角形，所挖去的三角形满足Sierpinski triangle分形结构特征，且三角形中心与圆形金属辐射贴片的圆心重合。在圆形金属辐射贴片的一边引出微带馈线，微带馈线与射频能量收集电路相连，我们把结合在一起的圆形金属辐射贴片、金属地平面、微带馈线以及射频能量收集电路称之为整流天线，基板介质层的下表面共分布着上、下、左、右四组整流天线。所述射频能量收集电路的输出端与储能电容相连，射频能量收集电路包括匹配、整流、滤波电路，匹配电路采用π型阻抗匹配电路，整流电路采用二阶倍压整流电路，滤波电路采用LC滤波。所述的储能电容通过导线与时钟工作电路相连，其中储能电容为高品质的超级电容BestCap。
进一步，所述选用的圆形双层PCB介质板为FR4板，板材厚度为1.6mm，介电常数为4.4，正切损耗角为0.02。
进一步，所述分形天线的圆形金属辐射贴片、金属地平面以及微带馈线的材质为铜，微带馈线的特性阻抗为50欧姆，宽度为3mm；金属地平面的长度为23mm，宽度为2mm，与微带馈线间的间隙为0.5mm。射频能量收集电路与储能电容间连线的材质为铜，连线的宽度为3mm。
进一步，所述分形天线圆形金属辐射贴片的半径为22mm，其在位置上与圆形PCB介质板内切；PCB介质板上所挖去三角形的厚度为18um，圆形金属辐射贴片的中心距离所挖去最大三角形顶点的长度为14.7mm，内接圆的半径为9.3mm，圆形金属辐射贴片的中心距离内接圆内所挖去三角形顶点的长度为7.3mm。
进一步，所述射频能量收集电路包括π型阻抗匹配电路、二阶倍压整流电路、LC滤波电路，电路原理图如图5所示。其中π型阻抗匹配电路采用串联电感并联电容的结构；二阶倍压整流电路可解释为当输入信号为负半周期时，VD1导通，VD2截止，电流经过VD1对电容C3充电，当输入信号为正半周期时，VD2导通，VD1截止，电流经过VD2对负载电容C4充电，此时C3已经充满，待到C4充满即负载电容电压是电源电压的两倍，整流电路所用的二极管为低阈值的二极管，其型号为HSMS-2852；LC滤波电路在整流电路之后，主要用于虑除谐波信号，增加能量收集的效率，其截止频率为3GHz。
本发明的技术效果为：
本发明的射频电磁波能量供电的时钟装置运用于开放式环境中，利用收集到的能量使时钟实现自供电功能。所述能量收集天线由分形天线构成，并且采用共面波导馈电，大大提升了天线带宽，因此可以收集到环境中Wi-Fi和手机2G、3G、4G信号的射频能量。分形天线的微带馈线直接与射频能量收集电路相连，利用宽频匹配整流电路对收集到的射频能进行整流，极大地扩展了射频能量的来源；采用滤波电路滤除谐波信号，大大提高了能量转换的效率。
附图说明
图1为本发明能量收集分形天线的结构示意图。
图2为本发明整流天线的示意图。
图3为本发明装置的侧视示意图。
图4为本发明装置的结构示意图。
图5为射频能量收集电路原理图。
图中：1为基板介质层，2为圆形金属辐射贴片，3为金属地平面，4为微带馈线，5为射频能量收集电路，6为储能电容，7为时钟工作电路。
具体实施方式
下面结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“垂直”、“水平”、“底”、“顶”等指示方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“一”、“二”、“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“一”、“二”、“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明“多个”的含义是两个或者两个以上。
如图1到图3所示，分形天线包括基板介质层(1)、圆形金属辐射贴片(2)、金属地平面(3)以及微带馈线(4)，其中圆形金属辐射贴片(2)、金属地平面(3)和微带馈线(4)都位于基板介质层(1)的下表面，金属地平面(3)和微带馈线(4)之间留有间隙，构成共面波导馈电结构；圆形金属辐射贴片(2)上挖去的三角形满足Sierpinski triangle分形结构特征，且三角形的中心与圆形金属辐射贴片(2)的圆心相重合。在圆形金属辐射贴片(2)的一边引出微带馈线(4)，微带馈线(4)与射频能量收集电路(5)相连，射频能量收集电路(5)的输出端与储能电容(6)相连，其中储能电容(6)为高品质的超级电容BestCap，储能电容(6)通过导线与时钟工作电路(7)相连。所述射频能量收集电路(5)包括匹配、整流、滤波电路，匹配电路采用π型阻抗匹配电路，整流电路采用二阶倍压整流电路，滤波电路采用LC滤波。能量收集电路原理图如图5所示，其中π型阻抗匹配电路采用串联电感并联电容的结构；二阶倍压整流电路可解释为当输入信号为负半周期时，VD1导通，VD2截止，电流经过VD1对电容C3充电，当输入信号为正半周期时，VD2导通，VD1截止，电流经过VD2对负载电容C4充电，此时C3已经充满，待到C4充满即负载电容电压是电源电压的两倍，整流电路所用的二极管为低阈值的二极管，其型号为HSMS-2852；LC滤波电路在整流电路之后，主要用于滤除谐波信号，增加能量收集的效率，其截止频率为3GHz。本发明的射频电磁波能量供电的时钟装置可收集周围环境中的电磁波能量，也能通过独立发射源或手机为其快速无线充电，并将能量进行存储为时钟供电，使时钟正常工作。
在本实例中，能量收集天线由分形天线构成，且分形天线采用共面波导馈电，极大地拓展了带宽，更好得收集环境中Wi-Fi和手机2G、3G、4G信号的射频能量。然而单一的分形天线收集到的射频能量有限，为了收集更多的射频能量，本案例采用组合阵列的方式，我们把圆形金属辐射贴片(2)、金属地平面(3)、微带馈线(4)以及射频能量收集电路(5)结合在一起，定义为整流天线，基板介质层(1)的下表面共分布着上、下、左、右四组整流天线，这样大大增加了所收集到的射频能量。为了使分形天线工作在适当的频段范围内，我们采用ANSYS公司的HFSS仿真软件进行优化设计，从而获得最佳的电磁波能量收集天线的物理尺寸：仿真定义圆形金属辐射贴片(2)、金属地平面(3)以及微带馈线(4)的材质为铜，微带馈线(4)的特性阻抗为50欧姆，宽度为3mm；金属地平面(3)的长度为23mm，宽度为2mm，与微带馈线(4)间的间隙为0.5mm；圆形金属辐射贴片(2)的半径为22mm；PCB介质板上所挖去三角形的厚度为18um，圆形金属辐射贴片(2)的中心距离所挖去最大三角形顶点的长度为14.7mm，内接圆的半径为9.3mm，圆形金属辐射贴片(2)的中心距离内接圆内所挖去三角形顶点的长度为7.3mm；仿真选用的介质板为FR4板，板材厚度为1.6mm，介电常数为4.4，正切损耗角为0.02。
综合本发明装置的优越性在于：所述能量收集天线采用分形天线，并采用共面波导馈电结构，能收集到环境中Wi-Fi和手机2G、3G、4G信号的射频能量，采用组合阵列的方式，大大增加收集到的射频能量。该装置实现自供电功能，可利用收集到的射频能量为时钟进行供电，使得时钟能够正常工作，摆脱电池的束缚，绿色环保。
本发明的工作过程如下：
本发明的整体结构：该装置集成在一块圆形双层PCB板上，其中PCB介质板顶层刻画成时钟样式；PCB介质板底层包括适用于能量收集的分形天线、射频能量收集电路、储能电容和时钟工作电路。为达到宽频化效果，分形天线采用共面波导馈电；为了使分形天线工作在Wi-Fi和手机2G、3G、4G信号的频段范围内，我们采用ANSYS公司的HFSS仿真软件进行优化设计；为了增加收集到的射频能量，我们采用组合阵列的方式，使得基板介质层的下表面分布着四组整流天线。设计的射频能量收集电路包括匹配、整流、滤波电路，阻抗匹配应达到宽频化的效果，故采用π型阻抗匹配电路；整流电路采用二阶倍压整流电路；滤波电路采用LC滤波。整个射频能量收集电路的工作流程为：先进行阻抗匹配，再进行整流，最后进行滤波。上述流程结束后，使用高品质超级电容BestCap对直流电进行存储，进而给负载供电。本发明的射频电磁波能量供电的时钟装置可收集周围环境中的电磁波能量，也能通过独立发射源或手机为其快速无线充电，并将能量进行存储为时钟供电，使时钟正常工作。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种射频电磁波能量供电的时钟装置，其特征在于，该装置集成在一块圆形双层PCB介质板上，其中PCB介质板顶层刻画成时钟样式；PCB介质板底层包括分形天线、射频能量收集电路(5)、储能电容(6)以及时钟工作电路(7)；分形天线收集到的电磁能量需先经过射频能量收集电路(5)进行整流滤波转化成直流电输出，然后再使用储能电容(6)对输出的直流电进行存储，存储的电能运用在时钟工作电路(7)上，即可使时钟装置正常工作；该射频电磁波能量供电的时钟装置收集周围环境中的电磁波能量，也能通过独立发射源或手机为其快速无线充电。
2.根据权利要求1所述的一种射频电磁波能量供电的时钟装置，其特征在于，所述分形天线包括基板介质层(1)、圆形金属辐射贴片(2)、金属地平面(3)、微带馈线(4)，其中圆形金属辐射贴片(2)、金属地平面(3)和微带馈线(4)都位于基板介质层(1)的下表面，金属地平面(3)和微带馈线(4)之间留有间隙，构成共面波导馈电结构；圆形金属辐射贴片(2)上挖去的三角形满足Sierpinski triangle分形结构特征，且三角形的中心与圆形金属辐射贴片(2)的圆心相重合；圆形金属辐射贴片(2)的一边引出微带馈线(4)，微带馈线(4)与射频能量收集电路(5)相连。
3.根据权利要求1所述的一种射频电磁波能量供电的时钟装置，其特征在于，圆形金属辐射贴片(2)、金属地平面(3)、微带馈线(4)以及射频能量收集电路(5)构成整流天线，基板介质层(1)的下表面共分布着上、下、左、右四组整流天线；所述射频能量收集电路(5)的输出端与储能电容(6)相连，射频能量收集电路(5)包括匹配、整流、滤波电路，匹配电路采用π型阻抗匹配电路，整流电路采用二阶倍压整流电路，滤波电路采用LC滤波；所述的储能电容(6)通过导线与时钟工作电路(7)相连，其中储能电容(6)为高品质的超级电容BestCap。
4.根据权利要求1所述的一种射频电磁波能量供电的时钟装置，其特征在于，所述分形天线的圆形金属辐射贴片(2)、金属地平面(3)以及微带馈线(4)的材质为铜。
5.根据权利要求1所述的一种射频电磁波能量供电的时钟装置，其特征在于，微带馈线(4)的特性阻抗为50欧姆，宽度为3mm；金属地平面(3)的长度为23mm，宽度为2mm，与微带馈线(4)间的间隙为0.5mm；射频能量收集电路(5)与储能电容(6)间连线的材质为铜，连线的宽度为3mm。
6.根据权利要求1所述的一种射频电磁波能量供电的时钟装置，其特征在于，圆形双层PCB介质板为FR4板，板材厚度为1.6mm，介电常数为4.4，正切损耗角为0.02。
7.根据权利要求1所述的一种射频电磁波能量供电的时钟装置，其特征在于，所述分形天线的圆形金属辐射贴片(2)的半径为22mm，其在位置上与圆形PCB介质板内切；PCB介质板上所挖去三角形的厚度为18um，圆形金属辐射贴片(2)的中心距离所挖去最大三角形顶点的长度为14.7mm，内接圆的半径为9.3mm，圆形金属辐射贴片(2)的中心距离内接圆内所挖去三角形顶点的长度为7.3mm。
8.根据权利要求3所述的一种射频电磁波能量供电的时钟装置，其特征在于，π型阻抗匹配电路采用串联电感并联电容的结构；二阶倍压整流电路中，当输入信号为负半周期时，VD1导通，VD2截止，电流经过VD1对电容C3充电，当输入信号为正半周期时，VD2导通，VD1截止，电流经过VD2对负载电容C4充电，此时C3已经充满，待到C4充满即负载电容电压是电源电压的两倍，LC滤波电路在整流电路之后，用于虑除谐波信号，增加能量收集的效率，其截止频率为3GHz。
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