CN108242859A - 一种60GHz无线射频能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种60GHz无线射频能量收集装置，其包括：一60GHz接收天线，用于耦合空间中的60GHz无线射频能量而产生电信号；一天线匹配电路，连接于60GHz接收天线的馈电端，用于将60GHz接收天线回馈的电信号整流为直流信号；一能量收集电路，连接于天线匹配电路的输出端，用于对天线匹配电路输出的直流信号进行升压和储能。本发明能收集空间中60GHz频段的毫米波无线射频能量，进而适应5G通信技术的推广应用，并提高能量转换效率。

Description

一种60GHz无线射频能量收集装置

技术领域

本发明涉及能量转换装置，尤其涉及一种60GHz无线射频能量收集装置。

背景技术

随着移动通信技术的发展，现有通信技术已经越来越不能满足用户的需求。因此，下一代通信技术的需要也越来越急迫。为了占据未来通信技术的制高点，5G通信研究正在全球范围内迅猛展开。而世界主要国家的频率范围分布在57-66GHz。在5G通信中，因速率需要达到10Gbps，通信的小区会越来越小，其发射的射频信号能量也越来越集中。60GHz通信载波是波长为5mm的无线电磁波，该波段属于毫米波，具有频带宽、波长短的基本特征。这些频率特征决定了60GHz频段的电磁波具有极强的数据传输能力和极高的波形分辨率，使60GHz无线通信具有众多优势。通常情况下，天线的尺寸与载波波长的数量级相比拟，由于60GHz载波波长处于毫米级别，其天线的尺寸相对于低波段天线而言大为减小，可以弥补载波在传输过程中的路径损耗，也有利于实现电路的集成。

现有技术中，常见的能量收集装置包括太阳能收集的硅光电池、压电特性能量收集装置、振动能量收集装置、现有频段射频信号收集能量装置等等。另外一类为接收读头发射过来的能量，如被动式电子标签、非接触式IC卡，其中IC卡标准为ISO/IEC 10536、ISO/IEC 14443、ISO/IEC 15693。其中，硅光电池、压电特性收集、振动能量收集装置等无法收集空中的射频能量。而常见的无线射频能量接收转换装置主要的频率范围分布在57-66GHz，并且仅对这些频段的无线射频能量具有较好的效果，但是应对5G通信频段范围的射频能量时，这些能量接收装置的接收效率极低，无法有效收集能量，由此可见，现有技术中缺少一种能够对5G通信领域中60GHz频段的射频能量信号进行收集和转换的装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种60GHz无线射频能量收集装置，用以收集空间中60GHz频段的的毫米波无线射频能量，进而适应5G通信技术的推广应用，并提高能量转换效率。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种60GHz无线射频能量收集装置，其包括：一60GHz接收天线，用于耦合空间中的60GHz无线射频能量而产生电信号；一天线匹配电路，连接于60GHz接收天线的馈电端，用于将60GHz接收天线回馈的电信号整流为直流信号；一能量收集电路，连接于天线匹配电路的输出端，用于对天线匹配电路输出的直流信号进行升压和储能。

优选地，所述60GHz接收天线包括基材和设于基材上的多个天线单元，多个天线单元呈阵列式分布，且多个天线单元之间通过馈线连接。

优选地，所述天线单元呈六边形，且所述天线单元包括两个相平行的第一边、两个相平行的第二边和两个相平行的第三边。

优选地，所述第一边的长度为0.95mm，所述第二边的长度为1.3mm，所述第三边的长度为0.3mm。

优选地，所述基材是介电常数为3.38的FR4基材，所述天线单元和馈线均镀制于所述基材上。

优选地，所述天线匹配电路包括输入结点、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第一整流管和第二整流管，所述输入结点用于连接60GHz接收天线的馈电端，所述第一电感的前端和第二电感的前端均连接于输入结点，所述第一电感的后端通过第一电容而连接于第一整流管的阳极，所述第二电感的后端通过第二电容而连接于第二整流管的阴极，所述第一整流管的阴极作为天线匹配电路的输出端正极，所述第二整流管的阳极作为天线匹配电路的输出端负极。

优选地，所述天线匹配电路的输出端正极通过第一滤波电容连接于60GHz接收天线的接地端，所述天线匹配电路的输出端负极通过第二滤波电容连接于60GHz接收天线的接地端。

优选地，所述第一电感的前端连接有第一负载，所述第二电感的前端连接有第二负载。

优选地，所述第一负载和第二负载均为扇形负载，且所述第一负载的圆心连接于第一电感的前端，所述第二负载的圆心连接于第二电感的前端。

优选地，所述能量收集电路包括能量收集芯片及其外围电路，所述能量收集芯片为BQ25570芯片，所述天线匹配电路的输出端正极连接于能量收集芯片的输入端。

本发明公开的60GHz无线射频能量收集装置中，设置了一个60GHz接收天线，该60GHz接收天线通过感应空间中的60GHz无线射频能量而产生电信号，再通过对该电信号进行整流、升压和储能，形成可供用电设备使用的电能。基于上述装置，本发明实现了对空间中60GHz频段的的毫米波无线射频能量进行收集，从而适应5G通信技术的推广应用，并具有较高的能量转换效率。

附图说明

图1为本发明60GHz无线射频能量收集装置的电路框图。

图2为天线单元的结构示意图。

图3为天线匹配电路的结构示意图。

图4为图3中天线匹配电路的原理图。

图5为能量收集电路的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。

本发明公开了一种60GHz无线射频能量收集装置，结合图1至图5所示，其包括：

一60GHz接收天线1，用于耦合空间中的60GHz无线射频能量而产生电信号；

一天线匹配电路2，连接于60GHz接收天线1的馈电端，用于将60GHz接收天线1回馈的电信号整流为直流信号；

一能量收集电路3，连接于天线匹配电路2的输出端，用于对天线匹配电路2输出的直流信号进行升压和储能。

上述60GHz无线射频能量收集装置中，设置了一个60GHz接收天线1，该60GHz接收天线1通过感应空间中的60GHz无线射频能量而产生电信号，再通过对该电信号进行整流、升压和储能，形成可供用电设备使用的电能。基于上述装置，本发明实现了对空间中60GHz频段的的毫米波无线射频能量进行收集，从而适应5G通信技术的推广应用，并具有较高的能量转换效率。

关于天线部分，所述60GHz接收天线1包括基材和设于基材上的多个天线单元10，多个天线单元10呈阵列式分布，且多个天线单元10之间通过馈线14连接。

进一步地，所述天线单元10呈六边形，且所述天线单元10包括两个相平行的第一边11、两个相平行的第二边12和两个相平行的第三边13。

关于天线的尺寸和材质，所述第一边11的长度为0.95mm，所述第二边12的长度为1.3mm，所述第三边13的长度为0.3mm。所述基材是介电常数为3.38的FR4基材，所述天线单元10和馈线14均镀制于所述基材上。

其中，所述基材采用介电常数为3.38的FR4材料，厚度为0.5mm，具有较好的方向特性和较高的天线增益水平。天线单元为多边形单个天线体，采用T型功分连接，组成阵列，可有效提高天线接收能量的效率。

关于匹配电路结构，本实施例中，结合图3和图4所示，所述天线匹配电路2包括输入结点P31、第一电感L31、第二电感L32、第一电容C1、第二电容C3、第一整流管D31和第二整流管D32，所述输入结点P31用于连接60GHz接收天线1的馈电端，所述第一电感L31的前端和第二电感L32的前端均连接于输入结点P31，所述第一电感L31的后端通过第一电容C1而连接于第一整流管D31的阳极，所述第二电感L32的后端通过第二电容C3而连接于第二整流管D32的阴极，所述第一整流管D31的阴极作为天线匹配电路2的输出端正极，所述第二整流管D32的阳极作为天线匹配电路2的输出端负极。

其中，60GHz接收天线1输出的电信号经过第一电感L31和第二电感L32滤除高频谐波后，利用第一整流管D31和第二整流管D32将交流信号整流为直流信号后输出。

为了对直流信号进行滤波，所述天线匹配电路2的输出端正极通过第一滤波电容C2连接于60GHz接收天线1的接地端，所述天线匹配电路2的输出端负极通过第二滤波电容C4连接于60GHz接收天线1的接地端。

实际应用中，所述天线匹配电路2还包括对天线进行阻抗匹配的结构，具体是指，所述第一电感L31的前端连接有第一负载M1，所述第二电感L32的前端连接有第二负载M2。进一步地，所述第一负载M1和第二负载M2均为扇形负载，且所述第一负载M1的圆心连接于第一电感L31的前端，所述第二负载M2的圆心连接于第二电感L32的前端。

上述结构是优化后的整流电路匹配结构，通过调整相应部分的宽度、长度，以及第一负载M1和第二负载M2的扇形大小，可以有效提高与天线的匹配特性，充分耦合天线接收的射频信号。

作为一种优选方式，所述能量收集电路3包括能量收集芯片U1及其外围电路，所述能量收集芯片U1为BQ25570芯片，所述天线匹配电路2的输出端正极连接于能量收集芯片U1的输入端VIN_DC。

上述能量收集电路3可实现将整流电路转换来的低压直流电转换为后续设备能够使用的较高电压。其采用3级能量存储系统：第一级为超低漏电流的瓷片电容，存储整流后的能量，供升压电路使用；第二级为超级电容，将升压后的能量首先存储于超级电容中，可以快速的对该超级电容进行充电和放电，可以有效提高升压电路的效率；第三级为锂电池，可以将超级电容中为使用的电量转换为锂电池的充电电流，在超级电容无法满足系统需求时，从锂电池中放电，满足系统长期工作需要。该能量收集电路还可以对整个系统的能量进行监控，按照既定的策略进行能量存储、释放，满足系统能量需求。其中的升压和能量管理电路采用TI的BQ25570芯片设计而成。

本发明公开的60GHz无线射频能量收集装置，经过仿真、模拟试验后得出，其不仅达到了较高的天线增益和较好的方向特性，而且匹配电路具有较佳的匹配特性，此外能量收集电路相比现有技术中的其它收集电路而言，也具有较高的转换收集效率。

以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种60GHz无线射频能量收集装置，其特征在于，包括：

一60GHz接收天线(1)，用于耦合空间中的60GHz无线射频能量而产生电信号；

一天线匹配电路(2)，连接于60GHz接收天线(1)的馈电端，用于将60GHz接收天线(1)回馈的电信号整流为直流信号；

一能量收集电路(3)，连接于天线匹配电路(2)的输出端，用于对天线匹配电路(2)输出的直流信号进行升压和储能。

2.如权利要求1所述的60GHz无线射频能量收集装置，其特征在于，所述60GHz接收天线(1)包括基材和设于基材上的多个天线单元(10)，多个天线单元(10)呈阵列式分布，且多个天线单元(10)之间通过馈线(14)连接。

3.如权利要求2所述的60GHz无线射频能量收集装置，其特征在于，所述天线单元(10)呈六边形，且所述天线单元(10)包括两个相平行的第一边(11)、两个相平行的第二边(12)和两个相平行的第三边(13)。

4.如权利要求3所述的60GHz无线射频能量收集装置，其特征在于，所述第一边(11)的长度为0.95mm，所述第二边(12)的长度为1.3mm，所述第三边(13)的长度为0.3mm。

5.如权利要求2所述的60GHz无线射频能量收集装置，其特征在于，所述基材是介电常数为3.38的FR4基材，所述天线单元(10)和馈线(14)均镀制于所述基材上。

6.如权利要求1所述的60GHz无线射频能量收集装置，其特征在于，所述天线匹配电路(2)包括输入结点(P31)、第一电感(L31)、第二电感(L32)、第一电容(C1)、第二电容(C3)、第一整流管(D31)和第二整流管(D32)，所述输入结点(P31)用于连接60GHz接收天线(1)的馈电端，所述第一电感(L31)的前端和第二电感(L32)的前端均连接于输入结点(P31)，所述第一电感(L31)的后端通过第一电容(C1)而连接于第一整流管(D31)的阳极，所述第二电感(L32)的后端通过第二电容(C3)而连接于第二整流管(D32)的阴极，所述第一整流管(D31)的阴极作为天线匹配电路(2)的输出端正极，所述第二整流管(D32)的阳极作为天线匹配电路(2)的输出端负极。

7.如权利要求6所述的60GHz无线射频能量收集装置，其特征在于，所述天线匹配电路(2)的输出端正极通过第一滤波电容(C2)连接于60GHz接收天线(1)的接地端，所述天线匹配电路(2)的输出端负极通过第二滤波电容(C4)连接于60GHz接收天线(1)的接地端。

8.如权利要求6所述的60GHz无线射频能量收集装置，其特征在于，所述第一电感(L31)的前端连接有第一负载(M1)，所述第二电感(L32)的前端连接有第二负载(M2)。

9.如权利要求8所述的60GHz无线射频能量收集装置，其特征在于，所述第一负载(M1)和第二负载(M2)均为扇形负载，且所述第一负载(M1)的圆心连接于第一电感(L31)的前端，所述第二负载(M2)的圆心连接于第二电感(L32)的前端。

10.如权利要求1所述的60GHz无线射频能量收集装置，其特征在于，所述能量收集电路(3)包括能量收集芯片(U1)及其外围电路，所述能量收集芯片(U1)为BQ25570芯片，所述天线匹配电路(2)的输出端正极连接于能量收集芯片(U1)的输入端(VIN_DC)。