CN109729749A - 多频带能量采集 - Google Patents

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Abstract

环境RF EM能量采集发生器及相应的方法，包括接收并产生RF输出的天线布置，该RF输出由RF至DC整流器整流成DC输出。RF EM天线布置包括至少一个天线模块，该天线模块具有天线三元组，该天线三元组被配置成分别吸收第一频率范围、第二频率范围和第三频率范围内的环境RF辐射，并且与可兼容的LC电路耦合。最低频率范围被振荡引发天线吸收，该振荡引发天线诱发三元组的其他两个天线之间的振荡。除了整流电路之外，整流器还包括电容矩阵，该电容矩阵以并联和串联安装的高频率高电压低阻抗的微电容器的阵列表征，其可操作用于瞬时积聚整流电路的经整流的DC输出。

Description

多频带能量采集
技术领域
本发明总体上涉及能量采集(harvest，收集、收获、撷取)，特别地涉及环境射频电磁辐射采集。
背景技术
包括智能电话在内的移动设备本质上需要能够在不连接外部功率供应器的情况下进行操作。为了满足这一需要，移动设备通常由可充电电池供电。遗憾的是，安装在移动设备中的可充电电池传统地被配置成使得那些移动设备必须周期性地与有线功率供应器接合以便为其电池充电，从而在再充电时变为“非移动”或需要手动更换电池。
此外，房屋和商业建筑物内的许多标准设备诸如烟雾或气体探测器，由于它们依赖于电池电力而需要持续的维护。这可能非常费力，并且在某些情况下，当电池没有按时更换时，对健康和安全有害。一些新建筑将这些布线到内部电路中，但是这对于旧建筑物的改造而言可能是相当昂贵的。保持这些设备自动供电或充电的方法会使人们更安全，在紧急情况下挽救生命。
由于移动设备诸如移动电话、电视和Wi-Fi网络的使用增加，射频(RF)波在全世界都很常见，特别是在建筑物内部。虽然存在将RF波转换成可用功率的技术，但是在任何商业环境中使用加以利用的功率都不够高效或强大。
当前可用的无线充电解决方案取决于待充电的设备的紧密接近度和/或精确置位，并且利用主功率源或另一功率源作为能量源。由于现代社会中RF波的可用性，新的射频利用技术有改变小型移动设备的供电方式的潜力。
Philip Khoury的“A Power-Efficient Radio Frequency Energy-HarvestingCircuit(节能射频能量采集电路)”公开了一篇探索射频(RF)能量采集的论文，特别是关于整流天线电路的设计。本论文研究了理想的天线设计，重点在于提高低水平功率转换的整体效率的Koch分形环形天线。查阅了以前的工作，作者发现了一种理想的设计，包括七元件的Greinacher整流器和若干个多分叉的多频率Koch环形和蜿蜒的户外短截线天线。这种最终设计利用软件包遍及各种无线电频率进行模拟。
Drayson Technologies的一出版物“RF Energy Harvesting for the LowEnergy Internet of Things(用于低能量物联网的RF能量采集)”描述了一种高效率的射频能量-采集系统。它讨论了一种标准采集器，用于收集环境射频并转换环境射频以供电低能量设备。这种采集器一般由天线、阻抗匹配网络、非线性部件以及RF滤波器和功率源管理模块构成。天线可以根据不同波长范围的应用而变化，但是天线被配置用于一个特定波长范围。
Nimo等人的出版物“Ambient Electromagnetic Wireless Energy Harvestingusing MultibandPlanar Antenna(使用多频带平面天线的环境电磁无线能量采集)”讨论了使用平面天线聚集电磁能量的方法。讨论了一种简单的电路，用于将来自天线的信号转换成DC功率。本论文的一般目标是优化被实施成使从环境电磁浓度的能量收集的效率最大化的天线。该出版物公开的是使用多频带/宽带采集将提高RF波的电磁采集器的效率。
Ufuk Muncuk的“Design Optimization and Implementation for RF EnergyHarvestingCircuits(用于RF能量采集电路的设计优化和实施)”讨论了各种使RF能量采集最大化的配置。具体地，它针对能量采集的效率优化了整流器级数以及优化了若干个子电路级布置的模拟，并模拟所使用的不同类型和数量的天线的差异。总体而言，Muncuk通过改变整流器级数以及不同类型和数量的天线来优化RF能量采集电路，通过计算机模拟优化当前技术。
发明内容
根据本公开的发明，提供了一种环境射频(RF)电磁(EM)能量采集发生器和系统以及用于操作该采集发生器和系统的相应方法。该发生器包括产生RF输出的天线布置，该RF输出由RF至DC整流器整流成DC输出。RF EM天线布置包括天线三元组，该天线三元组与包括电感器、电容器的可兼容LC电路耦合，并且被配置成分别吸收第一频率范围、第二频率范围和第三频率范围内的环境RF辐射。最低频率范围被振荡引发天线吸收，该振荡引发天线诱发三元组的其他两个天线之间的振荡。除了整流电路之外，整流器还包括电容矩阵，该电容矩阵以并联和串联安装的高频率高电压低阻抗的微电容器的阵列表征，并且可操作用于瞬时积聚整流电路的经整流的DC输出。
根据本发明的一个方面，因此提供了一种环境RF EM能量采集发生器，该环境RFEM能量采集发生器包括用于接收RF EM辐射并提供RF输出的天线布置。该天线布置包括至少一个天线模块，该天线模块被配置成吸收环境EM辐射以产生RF输出。该发生器还包括连接到天线布置的RF至DC整流器，用于接收RF输出并提供经整流的DC输出。整流器包括用于将RF输出转换成不稳定的经整流DC输出的整流电路，并且包括用于积聚作为不稳定的经整流DC输出被接收的电荷的电容矩阵。该电容矩阵包括并联安装的高频率高电压低阻抗的微电容器的阵列，用于瞬时积聚作为整流电路的不稳定的经整流DC输出被接收的电荷，并允许电荷以未经调节的经整流DC输出被释放。
根据本发明的另一方面，因此提供了一种环境RF EM能量采集发生器，该环境RFEM能量采集发生器包括用于接收RF EM辐射并提供RF输出的天线布置，并且包括用于接收RF输出并提供经整流的DC输出的RF至DC整流器。该天线布置包括至少一个天线模块，该天线模块被配置成吸收环境EM辐射以产生RF输出，其中RF EM天线模块包括天线三元组和可兼容的LC电路。天线三元组包括高频率范围(UFR)天线，该高频率范围天线被配置成吸收第一频率范围内的环境RF辐射，例如，在1GHz至6GHz的UFR内。第一频率范围可以从2GHz约延伸至4GHz。该天线模块还包括低频率范围(LFR)天线，该低频率范围天线被配置成吸收低于第一频率范围的第二频率范围内的环境RF辐射，例如，在40MHz至3GHz的LFR内。第二频率范围可以从800MHz起延伸，约延伸至2GHz，约延伸至1GHz。天线三元组还包括振荡引发天线，用于在UFR天线和LFR天线之间诱发振荡，振荡引发天线被配置成吸收低于第二频率范围的第三频率范围内的环境RF辐射，其完全或部分地处于50Hz以上的范围，例如在1.5MHz至1.5GHz的VLF范围内。第三频率范围可以从27MHz约延伸至1GHz。该天线模块还包括LC电路，该LC电路包括响应第一频率范围、第二频率范围和第三频率范围内的谐振的电感器和电容器(LC)网络，并且其中UFR天线、LFR天线和振荡引发天线被连接，使得第一频率范围、第二频率范围和第三频率范围内的RF能量被LC电路吸收。该天线布置还可以包括放大器，该放大器在其输出处连接到所述天线模块，用于放大所述RF输出，并提供经放大的RF输出。该第一天线、第二天线和/或第三天线可以是具有导向偶极子元件Yagi-Uda(“Yagi(八木)”)状天线。该天线可另外被折叠或缠绕。
根据本发明的其他一方面，因此提供了一种环境RF EM能量采集系统，该环境RFEM能量采集系统除了环境RF EM能量采集发生器之外还包括下述中的至少一种：电压稳定器，该电压稳定器与整流器耦合，用于将未经调节的经整流DC输出调节成经调节的DC输出；电荷内部存储器，用于存储由发生器提供的电荷，以用于供给发生器部件以及用于对外部宿主存储器充电；电压倍增器，用于提供DC输出的适当电压；以及控制器，用于管理和控制RF EM采集、内部存储器的充电、外部宿主存储器的充电、系统的部件的馈送、以及外部功率源的馈送。
根据本发明的其他一方面，因此提供了一种用于采集环境RF EM能量的方法，该方法包括下述步骤：通过至少一个天线布置吸收环境EM辐射，从而提供RF输出；以及通过RF至DC整流器将RF输出整流成未经调节的DC输出。该整流包括通过整流电路将RF输出转换成不稳定的经整流DC输出；并且还可以包括通过电容矩阵——该电容矩阵包括并联安装的高频率高电压低阻抗的微电容器的阵列——瞬时积聚从整流电路作为不稳定的经整流DC输出被接收的电荷，以提供未经调节的经整流DC输出。通过至少一个天线布置吸收环境EM辐射可以包括：通过被配置成吸收第一频率范围内的环境RF辐射的天线吸收UFR的RF EM能量，该第一频率范围例如在1GHz至4GHz的MF范围内；通过被配置成吸收低于第一频率范围的第二频率范围内的环境RF辐射的天线吸收低频率范围(LFR)的RF EM能量，该第二频率范围例如在40MHz至1GHz的LF范围内；由振荡引发天线诱发MFR天线和LFR天线之间的振荡，该振荡引发天线被配置成吸收低于第二频率范围的第三频率范围内的环境RF辐射，该第三频率范围完全或部分地处于50Hz以上的范围，例如在1.5MHz至1.5GHz的VLF范围内；并且使MFR天线、LFR天线和振荡引发天线与包括电感器电容器(LC)网络的LC电路耦合，该电感器电容器网络对第一、第二和第三频率范围内的谐振为响应性的，使得在第一频率范围、第二频率范围和第三频率范围内的RF能量被LC电路吸收，以提供RF输出。
附图说明
参考附图描述了本发明的实施方式。在附图中，相同的附图标记表示相同的或功能相似的元件。另外，附图标记的最左边的数字标识首先出现该附图标记的图。
图1是根据本公开的发明构建和运作的环境射频(RF)电磁(EM)能量采集系统的实施方式的方框图；
图2是图1的实施方式的电路示意图；
图3是根据本公开的发明构建和运作的环境能量发生器的电路示意图；
图4示出了根据本公开的发明构建和运作的中频率(MF)RF EM采集天线；
图5示出了根据本公开的发明构建和运作的低频率(LF)RF EM采集天线；
图6示出了根据本公开的发明构建和运作的天线的两个部分，总体上标记为271；
图7示出了根据本公开发明的构建和运作的类似于Yagi-Uda(“Yagi”)状天线阵列的结构的天线。
图8示出了根据本公开的发明构建和运作的折叠偶极子天线；
图9示出了根据本公开的发明构建和运作的呈螺旋构造的Yagi状天线；以及
图10是根据本公开的发明运作的用于采集环境RF EM能量的方法的框图。
具体实施方式
本发明的实施方式利用所获取的局部环境能量(EM采集)来转换成电能。本发明使得电磁采集设备能够为其自己的电池以及宿主设备诸如移动或无线设备的电池充电，而无需布线到外部功率供应器。该采集设备可以设置在移动能量-消耗宿主设备中，该宿主设备包括为该宿主设备供电的采集电路，形成自供电无线设备。
在其最广泛的方面，本公开的发明以环境射频(RF)电磁(EM)能量采集发生器、系统和方法表征，用于采集RF范围内的能量，尤其包括微波范围。该发生器包括天线布置和至少一个天线模块，该天线布置用于接收RF EM辐射并提供RF输出，该天线模块被配置成吸收环境EM辐射以产生RF输出。该发生器还包括连接到天线布置的RF至DC整流器，用于接收RF输出并提供经整流的DC输出。
根据本发明的一个新颖的方面，整流器包括用于将RF输出转换成未经调节的DC输出的整流电路，并且包括电容矩阵。该电容矩阵能够接收和存储处于高度变化的非线性电压(以高且无序的“频率”变化)的低电流，并提供稳定的未经调节的DC输出，该未经调节的DC输出可由标准DC调节器调节。该电容矩阵以并联安装的高频率高压低阻抗的微电容器的阵列表征，用于顺序地瞬时积聚作为整流电路的未经调节的DC输出被接收的电荷。电容器依次顺序地充电，并同时以未经调节的DC电流放电，并提供未经调节的经整流DC输出。
应当理解的是，与电子部件相关的所有术语——诸如“电容器”、“电感器”、“电阻”、“二极管”、“天线”等——表示其功能性操作，并不限于这些简单元件，并且可以通过提供等效(或改进的)性能和操作的所有等效结构——包括复合结构和组合——来实施。
根据本发明的另一个新颖的方面，天线模块包括布置有电感器电容器(LC)电路的三个天线。该天线三元组包括第一天线、第二天线和第三天线。第一天线是高频率范围(UFR)天线，该第一天线被配置成吸收在第一频率范围内的环境RF辐射，例如，主要在1GHz至6GHz的中频率(MF)范围内的环境RF辐射。第一频率范围可以从2GHz约延伸至4GHz。第二天线是低频率范围(LFR)天线，该第二天线被配置成吸收在低于第一频率范围的第二频率范围内的环境RF辐射，例如，主要在40MHz至3GHz的LF范围内的环境RF辐射。第二频率范围可以从800MHz起延伸，约延伸至2GHz，约延伸至1GHz。第三天线是振荡引发天线，用于在UFR天线和LFR天线之间诱发振荡。振荡引发天线被配置成吸收低于第二频率范围的第三频率范围内的环境RF辐射，第三频率完全或部分地处于50Hz以上，例如在1.5MHz至-1.5GHz的极低频率(VLF)范围内。第三频率范围可以从27MHz约延伸至1GHz。应当理解的是，三元组天线的任何天线可以由用作“天线”并提供等效或改进的功能、性能和操作的复合组件或天线阵列来实施。将进一步理解的是，术语“高频率”、“中频率”、“低频率”和“极低频率”用作相对命名法，但并不意味着限制表示除所限定的频率之外的特定频率。
LC电路包括对第一频率范围、第二频率范围和第三频率范围内的谐振为响应性的LC网络，其中UFR天线、LFR天线和振荡引发天线被连接，使得第一频率范围、第二频率范围和第三频率范围内的RF能量被LC电路吸收。由振荡引发天线诱发的自发谐振振荡“更新”电路中的电流并防止由UFR和LFR天线吸收的RF能量使LC电路饱和，因此天线模块作为永久地且持续地采集环境能量(采集的一些能量作为热量消散)的自发的RF能量泵运作，而不需要另外的能量源来产生RF输出(除了放大——如下文所述，这是满足处理所采集的能量的当代电子部件的标准所必需的)。RF输出经由整流电路被顺序地馈送到电容矩阵的微电容器的阵列，该电容矩阵的微电容在并联连接的同时提供高响应机制，有效地接收和存储具有快速变化的混沌电压的小电流。该微电容器被配置成包含到达微电容器的几乎所有“工作”频率。通常，微电容器依次顺序地充电并同时放电。
现在参考本文的附图，其中相同的数字表示相同的部分。现在参考图1，图1是根据本公开的发明构建和运作的环境RF EM能量采集系统的实施方式的方框图，该能量采集系统总体上标记为50。能量采集系统50包括采集天线模块120、电流放大器112、RF至DC整流器132和DC稳定器140。放大器112从多个功率源中选择功率源，确保输出选定的恒定电压Vant152。将Vant152提供到采集模块120，以便放大所采集的环境RF能量。放大器112包括天线控制装置160和天线放大器150。放大器112被设计为接收电流(例如，DC 161)并选择性地提供放大的输出Vant。天线控制装置160确保适当的电压可用且从大量电压源中选择。天线放大器150确保提供适当的电压，例如，Vant可以是3.3V。采集模块120具有吸收来自多样频率范围的环境RF辐射的多个天线。放大部件202将采集的环境RF辐射与Vant152组合。采集模块120提供经放大的RF AC输出124，VRF。
RF至DC整流器132将经放大的RF AC输出124转换成未经调节的DC输出138。RF至DC整流器132包括整流电路134和电容矩阵136。整流电路134将AC转换成DC。电容矩阵136包括微电容器的阵列，用于瞬时积聚电荷以提供未经调节的DC输出138。DC稳定器140将未经调节的DC调节成具有恒定电压的DC。具体地，DC稳定器140将未经调节的DC 138调节成经调节的DC 142。
RF EM能量采集系统50中的剩余元件包括内部控制电路175、内部存储器170、电压倍增器190，以及外部宿主存储器300和外部功率源310。控制电路175是能够根据预定条件将多个电流诸如经调节的DC 142引导到多个其他组件或设备的可配置组件。控制电路175以电荷控制器180以及内部和外部电荷分配控制装置200表征。电荷控制器180管理和控制RF EM的采集、存储、充电和消耗。外部电荷分配控制装置200通过接口210连接外部宿主存储器300和功率源310。
电压倍增器190使电压输入诸如来自控制电路175的DC馈送176倍增，以产生经倍增的DC电流191、192和193。电压倍增器190将DC电流191提供到放大器112，该放大器又将Vant 119提供给采集天线模块120。电压倍增器190还可以向内部存储器170提供DC电流192。内部存储器170存储放大器112在其被要求运作时待使用的DC电流192。电压倍增器190最终可以向控制电路175提供DC电流193。
控制装置180和控制装置200连接到内部存储器170、电压倍增器190和接口210。控制装置180和控制装置200由下述若干源中的至少一个来供给：具有经调节的DC 142的调节器140，具有Vbat的内部存储器170，以及具有DC供应器的外部功率源310。控制电路175将从源(例如，经调节的DC 142、来自外部功率源310的DC、以及来自内部存储器170的DC Vbat)中的任何源接收的DC直接地或通过电压倍增器190馈送返回到内部存储器170、到天线控制装置160、以及到外部宿主存储器300(通过接口210)。当需要使电压倍增时使用电压倍增器190。应注意，控制装置180、控制装置200可选地在将任何DC输出馈送到外部宿主存储器300(例如，待由系统50服务的移动设备的电池)之前将内部存储器170保持在最小充电水平(例如，电池基本上是满的)。相应地，当内部存储器170不处于最小充电水平(如为满足性能需求而预定的)时，从可用功率源(外部功率源310或环境能量发生器100)接收的DC最初被提供给内部存储器170直到达到最小充电水平。控制器160连接到天线布置110、整流器132和可能的内部存储器170，用于管理和控制：RF EM采集，内部存储器的充电，外部宿主存储器的充电，部件诸如采集天线模块120、RF至DC整流器132和控制电路175的馈送，以及当外部功率源310插入RF EM能量采集系统时这样的源到RF EM采集系统的任何部件的馈送。
控制器160将能量处理部件连接到采集天线模块120。控制器160连接到采集天线模块120、RF至DC整流器132、并且可能连接到内部存储器170。控制器160管理和控制：RF EM采集，内部存储器170的充电，外部宿主存储器300的充电，部件诸如采集天线模块120、RF至DC整流器132和控制电路175的馈送，以及当将外部功率源310插入RF EM能量采集系统时这样的源到RF EM采集系统的任何部件的馈送。
能量采集系统50包括由虚线表示的、共享部件的三个部分交叠的功能区段：环境能量发生器100、天线布置110和DC供应器130。环境能量发生器100将来自采集天线模块120的所采集的RF能量转换成未经调节的DC138。环境能量发生器100包括采集天线模块120和RF至DC整流器132。RF至DC整流器132连接到DC调节器140，并且将未经调节的DC馈送到DC调节器140，该DC调节器调节DC并将其馈送到控制电路175。天线布置110包括采集天线模块120和放大器112。DC供应器130包括RF至DC整流器132和DC稳定器140。
应注意，RF放大是可选的，并且被实施成适合通常在DC供应器130中使用的电子部件的需求(例如，需要最小电压)。相应地，可以省略放大器112，并且天线布置110可以直接馈送其采集的RF而无需放大并且不需要DC馈送。
应注意，整流器132的未经调节的DC 138输出的稳定或调节是满足其他电子部件标准所需的优选事项，并且在一些实施方式中可省略调节器140，其中整流器132的未经调节的DC 138输出被直接馈送到控制装置180、控制装置200和系统50的其他部件。
另外参考图2，图2是图1的实施方式的电路示意图。该电路示意图扩展了具有示例性设备和仪器的环境RF EM能量采集系统50(图1)的实施方式的方框图。如图1所示的设备和仪器用虚线表示。
DC调节器140将未经调节的DC 138调节成处于恒定电压(例如，3.3V)的经调节的DC 142。电压稳定器140与整流器132耦合，该整流器提供未经调节的DC 138。电荷内部存储器170(电池)与稳定器140和天线布置110耦合，用于存储由电压倍增器190的经倍增的DC192馈送的电荷，并用于提供DC馈送例如3.3V至3.7V，以供给有源天线模块或其RF放大器和系统的其他部件，以及用于对外部宿主存储器例如纳入有该充电器的宿主设备中的手机电池充电，或者对完全设置在充电器位置外部的客户端存储器充电。电压倍增器190向外部宿主提供足够的DC输出电压(例如，6.2V)。
环境RF EM能量采集发生器100可以包括放大器112，该放大器包括天线放大器150和天线控制装置160。天线放大器150以50dB的增益因数放大RF输出，以提供放大的DC输出。天线放大控制装置160被配置成按层级向天线模块120分配功率源，包括分配外部电荷源、然后是分配整流器的经整流DC输出、并且最后是分配内部存储器的DC电流馈送。当外部功率源310插入环境RF EM能量采集发生器100时，外部功率源310提供额外的放大功率。当内部存储器170被充电到低于预定阈值时，RF至DC整流器132的经整流的DC输出提供额外的放大功率。当内部存储器170被充电到高于预定阈值时，内部存储器的DC电流馈送Vbat 171提供额外的放大功率。可选地，电荷控制器180可运作用于按层级向外部宿主存储器300和EM能量采集系统50的部件分配功率源，包括：分配外部电荷源310，然后是分配RF至DC整流器132的经整流的DC输出，并且最后是分配内部存储器170的DC电流馈送。将外部电荷源插入EM能量采集系统50，以供给EM能量采集充电器的所有部件，包括内部存储器170，只要外部宿主存储器300和内部存储器170不是满的。
现在也参考图3，图3是根据本公开的发明构建和运作的环境能量发生器100(图1)的电路示意图。环境能量发生器100包括采集天线模块120、整流电路134和电容矩阵136。采集天线模块120采集环境RF能量并提供RF AC输出124。采集天线模块120包括具有高频率范围(UFR)天线204、低频率范围(LFR)天线206、振荡引发天线208的天线三元组和放大部件202。该天线三元组具有足够的电路，用于有效地吸收富于特定频率范围的环境RF能量。应注意，取决于采集需求和可用于容纳天线模块的空间，可以将或多或少的环境天线模块120安装在一起，以倍增环境能量发生器100的采集容量。
UFR天线204被配置成吸收在第一频率范围内——可选地在“高频率”(通常为1GHz至4GHz的UF范围，其可以从低至500MHz或1GHz向上延伸至6GHz)内——的环境RF辐射。LFR天线206被配置成吸收低于第一频率范围的第二频率范围内的环境RF辐射，该第二频率范围处于40MHz至1GHz的“低频率”LF范围内，或者部分地交叠高频率范围例如低至40MHz或800MHz、高至2GHz或3GHz。振荡引发天线208诱发UFR天线204和LFR天线206之间的振荡。振荡引发天线208被配置成吸收在第三频率范围内的环境RF辐射，该第三频率范围可选地低于第二频率范围(可以部分交叠)，全部或部分地处于50Hz之上的范围，例如在1500kHz至1.5GHz的“极低频率”(VLF)范围内(可以从27MHz延伸至最高达1GHz或1.5GHz)。
UFR天线206或LFR天线208可以包括矩形微条带贴片的板，具有切口(cut out，切掉、切出)蚀刻条带，形成弯曲的折叠倒置共形天线(FICA)样式，其尺寸被配置用于设置在移动蜂窝设备中。两个天线之中任一个可以另外包括矩形板，具有切口蚀刻条带，形成平面的倒置式‘F’天线(PIFA)样式，其尺寸被配置用于设置在移动蜂窝设备中；其中UFR天线和LFR天线，分别为206和208，平行设置并由介电材料分隔开。振荡引发天线208可以包括线(wire，导线)，被配置用于设置在移动蜂窝设备中。
UFR天线可以被压印在双面印刷电路板(PCB)的一面上，并且LFR天线可以被压印在该PCB的另一面上。PCB可以包括二层夹式电介质基板，其中UFR天线206和LFR天线208压印在其外部面上，并且其中，包括至少一个线圈的另外电路元件压印在夹于电介质基板的二层之间的内部面上。
UFR天线206可以包括6mm宽的平行平坦条带的阵列，该陈列的条带由切口蚀刻条带以2.5mm的间隙隔开，每两个相邻的UFR条带在其交替的端部处由相同宽度的转向(sheer，垂直的、透明的、极薄的)UFR条带垂直连接。LFR天线208可以包括8.5mm至9mm宽的平行平坦LFR条带的阵列，该陈列的条带由切口蚀刻条带以5mm间隙间隔开，该条带在其一端部处由相同宽度的转向LFR条带垂直连接。
天线模块120还包括LC电路211，适用于接收第一频率范围、第二频率范围和第三频率范围内的RF能量。通常，这种电路包括电感器电容器(LC)网络诸如网络211，其对第一频率范围、第二频率范围和第三频率范围内的谐振为响应性的，其中UFR天线204、LFR天线206和振荡引发天线208被连接，使得第一频率范围、第二频率范围和第三频率范围内的RF能量被LC电路吸收。
LC网络211包括另外的电路部件，诸如电感器元件212和双电容器布置214。电容器布置214包括用于在第一频率范围内诱发谐振的高频率范围电容器元件216，以及用于在第二频率范围内诱发谐振的低频率范围电容器元件218，其中，高频率范围电容器元件216和低频率范围电容器元件218的组合可兼容用于在第三频率范围内诱发谐振。电感器元件以及电容器元件216和218并联连接。二极管元件221分离出一个分支，即分支222，该分支连接两个电容器元件216和218，其中UFR天线204和LFR天线206连接到电路的一分支即分支224，其间连接有电容器元件中之一即电容器元件216(可以与电容器元件218互换)，并且其中振荡引发天线208连接到连接另一个电容器元件(即，218或与216互换)和电感器元件212的分支。电感器212可以是线圈。应注意，代替天线204和206，可以将另外类似的天线结合到模块120中，以增强相似频率范围的吸收，或者可以将另外的非相似天线实施到模块120中以添加另外的频率范围的吸收。可以利用更复杂的布置中的另外的电路元件(例如，电容器、电感器、电阻器、二极管、其他振荡引发天线等)来实施另外的天线的添加。
天线布置110还包括放大器(即，天线放大器150，图1)，该放大器通过放大部件202在天线布置110的输出203处连接到天线模块120，用于放大RF输出，例如以增益因数50dB放大，并且该天线布置提供经放大的RF AC输出124。经放大的RF AC输出124由RF至DC整流器132接收。RF至DC整流的第一级是整流电路134。RF至DC整流器132将由天线模块120馈送的经放大的RF AC输出124整流成未经调节的DC138。RF至DC整流器132包括整流电路134和电荷电容矩阵136。整流电路134将经放大的RF AC输出124转换成未经调节的DC输出。整流电路134可以包括例如二极管或晶闸管及电容器和其他元件的布置，诸如用于格里茨桥(Graetz bridge)整流器、全波整流器、半波整流器和类似物。整流电路134和电容矩阵136将经放大的RF AC输出124转换成未经调节的DC输出138。整流电路134包括二极管或晶闸管及电容器和其他元件的布置，诸如用于格里茨桥整流器、全波整流器、半波整流器和类似物。来自RF至DC整流器132的电流到达电容矩阵136，该电容矩阵包括并联和串联安装的高频率高电压低阻抗的微电容器230的阵列，用于瞬时积聚作为整流电路134的未经调节的DC输出被接收的电荷。
电容矩阵136包括安装在串联-并联阵列中的高频率高电压低阻抗的微电容器230的阵列，形成用于瞬时积聚从整流电路134作为未经调节的DC输出138被接收的电荷的矩形矩阵。未经调节的DC输出138通常在3V至35V之间波动。通常，并联安装的多样电容器依次按顺序充电，其中充电几乎是瞬时的，并且同时放电，其中缓慢地以经调节的DC输出(例如，5V至30V)放电，并且因此提供未经调节的经整流DC输出。微电容器230的特点可以在于例如70-100个电容器，电容在μF至几微法拉的范围内(μF读作微法拉；1微法拉是1乘以10的-6次方法拉，即0.1μF至10μF)，例如，2μF至7μF，特别是4.7μF。除了并联安装微电容器的阵列(用于达到最小或足够的电流强度)之外，可以串联安装其他类似的电容器的阵列(用于增加输出电压)。
现在参考图4和图5讨论特定的天线。图4示出了根据本公开的发明构建和运作的中频率(MF)RF EM采集天线。图5示出了根据本公开的发明构建和运作的低频率(LF)RF EM采集天线。在一优选的实施方式中，天线模块120还包括特定的UFR天线240和特定的LFR242，最佳如图7和8中所示。MFR天线240包括矩形微条带贴片246的板，该板可选地为镀覆银的铜或市售的复合材料诸如“RT/5870/5880”(https://www.rogerscorp.com/documents/606/acm/RT-duroid-5870-5880-Data-Sheet.pdf)，具有切口蚀刻条带247，形成弯曲的折叠倒置共形天线(FICA)样式，类似于方形正弦波状路径，其尺寸可以被配置成用于设置在移动蜂窝设备中。LFR天线242包括矩形板248，可选地为镀覆银的铜或市售的复合材料，具有切口蚀刻条带256，形成平面的倒置式‘F’天线(例如，PIFA)样式，类似于耙状齿条，其尺寸可以配置成用于设置在移动蜂窝设备中。UFR天线240和LFR天线242可以平行设置并由介电材料分隔开。天线模块120还包括振荡引发天线208，该振荡引发天线包括线诸如印刷条带251，其被配置成用于设置在移动蜂窝设备中。根据一特定的实施方式，天线模块210包括双面印刷电路板(PCB)252，其中UFR天线240被压印在其一面上，LFR天线242被压印在其另一面上。根据一特定的实施方式，PCB 252包括二层夹式电介质基板，其中UFR天线240和LFR天线242压印在其外部面上，并且其中，包括例如至少一个线圈的另外电路元件压印在夹于电介质基板的二层之间的内部面上。
根据一特定的实施方式，耙状齿条LFR天线242包括8.5mm宽的平行平坦LFR条带或齿254(中部条带)和9mm宽的条带或齿256(周缘条带)的阵列，这些条带或齿由蚀刻有切口的条带以5mm的间隙隔开，条带254、256在其一端部处由相似宽度(例如，9mm)的转向LFR条带或连接条258垂直连接。齿254、256的长度可以约为39.5mm。尺寸的变化可以选择成最佳地满足其中容纳有天线242的可用空间内的最佳吸收。齿的尺寸、间距和多样性的变化会影响吸收的频率范围、捕获的能量的量、捕获的谐频数等等[即，较长的齿用于较低频率/较高波长，更远的齿用于另外的谐频，较大的齿间距(8.5mm齿宽5mm齿间距256)用于较低频率范围]。
根据一特定的实施方式，方形正弦弯曲的UFR天线240包括6mm宽的平行平坦UFR条带或长肋264的阵列，该阵列的条带或长肋由切口蚀刻条带247以2.5mm的间隙隔开，每两个相邻的UFR条带264在其交替的端部268处由相同宽度的转向UFR条带或短肋270垂直连接。长肋264的长度可以约为63.5mm，短肋270的长度可以约为14.5mm。尺寸的变化可以选择成最佳地满足其中容纳有天线242的可用空间内的最佳吸收。肋的尺寸、间距和多样性的变化会影响吸收的频率范围、捕获的能量的量、捕获的谐频数等等，即，较长肋(短肋270)捕获较低频率(较高波长)，更远的肋(肋264)捕获另外的谐频，更大的肋间距(5mm宽和2.5mm间距247)用于较低的频率范围。
现在参考图6、图7、图8和图9。图6示出了根据本公开的发明构建和运作的天线的两部分，总体上标记为271。图7示出了根据本公开的发明构建和运作的类似于Yagi-Uda(“Yagi”)状天线阵列的结构的天线，总体上标记为281。图8示出了根据本公开的发明构建和运作的折叠偶极子天线，总体上标记为291。图9示出了根据本公开的发明构建和运作的呈螺旋构造的Yagi状天线。图6的天线271包括两个单独的延展性传导线272和274，每个导线具有从其延伸的多个谐频调谐的导向偶极子元件276。线272和274连接到环形元件(未示出)并延伸到最佳传导长度，以接收环境能量，例如460mm。线272和274一起用于吸收RF环境能量。图7的天线281是具有环形元件285的Yagi状天线，两个延展性传导线282和284大致平行，谐频调谐的导向偶极子元件286交替于每个延展性传导线282和284。图8的天线291是折叠的环形天线，其由单件可延展传导线292制成。线292形成具有圆角边缘的矩形，例如，420mm×40mm的矩形，420mm是半波长。为简单起见，本文描述的天线是二维情境的，但也可以被折叠、卷起或缠绕以形成三维设备。例如，Yagi状天线281可以不止一次折叠在其自身上，具有多处折叠，类似于手风琴式或风琴式折叠。天线281的折叠可能导致元件286中的每一个堆叠在彼此之上。可替换地，如图9所示，螺旋形Yagi状天线300包含环形部件302和两根线304和306。线304和306可以一起以螺旋形曲线相缠结(类似于图7的线284和286的构造)或者并发地向外扩展(类似于图6的线272的构造)，围绕核心(core，芯部)308，类似于阿基米德螺旋天线。另外，天线291可绕轴294缠绕，使天线291具有半径296，例如30mm，形成螺旋形状。根据需要，可以以任何形式折叠、缠绕或以其他方式操纵每个所提到的天线或其他工业标准。
现在参考图10，图10是根据本公开的发明运作的用于采集环境RF EM能量的方法400的方框图。用于采集环境RF EM能量的方法400包括至少两个主要步骤，该两个主要步骤通过吸收环境EM辐射即采集步骤402以及通过RF至DC整流器将RF输出整流成未经调节的DC输出即整流步骤404来提供RF输出。整流步骤404可选地包括：通过整流电路将RF输出转换成不稳定的经整流DC输出的子步骤406。参考图1和图2，利用整流电路134将经放大的RF125转换成DC。整流步骤404还包括用电容矩阵瞬时积聚电荷的子步骤408。参考图1和图2，来自整流电路的不稳定的经整流DC输出被馈送到并联安装的高频率高电压低阻抗的微电容器的阵列，即是电容矩阵136。在这种并联布置中，电容器依次顺序地充电并且以未经调节的经整流DC 138同时放电。
采集步骤402可选地同时从子步骤410、子步骤412和子步骤414开始。在子步骤410中，被配置成吸收第一频率范围内的环境RF辐射的天线吸收RF EM能量的高频率范围(UFR)。参考图1和图2，UFR天线204吸收1GHz至6GHz的中频范围或其一部分内的环境RF辐射。在子步骤412中，被配置为吸收低于第一频率范围的第二频率范围内的环境RF辐射的天线吸收RF EM能量的低频率范围(LFR)。参考图2，LFR天线206吸收40MHz至3GHz的低频率(LF)范围或其一部分内的环境RF辐射。在子步骤414中，振荡引发天线通过在UFR天线和LFR天线之间诱发振荡来吸收低于低频率范围的第三频率范围内的环境RF辐射。参考图2，振荡引发天线208吸收50Hz至1.5GHz的极低频率(VLF)范围或其一部分内的环境RF辐射。
在子步骤416中，使UFR天线、LFR天线和振荡引发天线与对多个频率范围内的谐振为响应性的LC电路耦合，以提供RF输出。参考图3，将UFR天线204、LFR天线206和振荡引发天线208与LC电路耦合。LC电路包括电感器电容器(LC)网络211，其对UFR、LFR和VLF范围内的谐振为响应性的，使得每个频率范围内的RF能量被LC电路211吸收，从而提供RF输出。步骤402还可以包括通过可操作用于提供经放大的RF输出的放大器放大RF输出的子步骤418，该放大器诸如可操作用于以50dB的增益因数放大RF输出的天线调节器。参考图1和图2，将Vant119从放大器112馈送到放大部件202。放大部件202将Vant 119与从各种天线采集的RF能量组合。放大的子步骤418还可以包括通过天线放大控制装置来控制放大的子步骤420，该天线放大控制装置被配置成按层级向天线模块分配功率源。参考图1和图2，天线控制装置160按层级控制对采集天线模块120的功率源分配，该层级包括：当外部电荷源310可用时，当内部存储器170被充电到低于预定阈值时为经整流的DC 142，以及当内部存储器170被充电到高于预定阈值时为DC馈送Vbat 171。
用于采集环境RF EM的方法400还包括可选的步骤430，通过与整流器耦合的电压稳定器将未经调节的整流DC输出调节成经调节的DC输出。参考图1和图2，DC稳定器140将具有3V至35V之间的电压的未经调节的DC 138调节为具有3.3V的恒定电压的经调节的DC142。可选的步骤432，选择性地将由稳定器的经调节的DC输出提供的电荷存储在与稳定器和天线布置耦合的电荷内部存储器中，并且每个存储器机构能够提供DC馈送以用于供给天线布置、涉及RF EM采集的其他部件，或用于对外部宿主存储器充电。参考图1和图2，经调节的DC 142存储在外部宿主存储器300或内部存储器170中，并且外部存储器300和内部存储器170中的每一个都提供DC馈送以在RF EM能量采集系统50中的其他地方使用。可选的步骤434通过倍增器向外部宿主提供DC输出的适当电压。参考图1和图2，电压倍增器190将经调节的DC 142调整成大量的具有6.6V电压的流。
可选的步骤436包括控制器管理，并且从下述中的至少一个选择用于采集天线模块的放大电流：RF EM采集；内部存储器的充电；外部宿主存储器的充电；天线布置、整流器、控制器的馈送；和/或当外部功率源可用时这样的源到RF EM采集系统的任何部件的馈送。参考图1和图2，天线控制器160管理和选择适当的馈送，该馈送被选择成增补到能量采集系统50的来自Vbat 171和DC 161之间的任何元件。另外，步骤436详述对功率源到外部宿主存储器的按层级的管理、控制和分配。首先，在外部电荷源310可用时来自外部电荷源310的馈送用于为EM能量采集系统50的所有部件供电，包括内部存储器170，只要外部宿主存储器300和内部存储器170不是满的。接下来，当内部存储器170被充电到低于预定阈值时，根据需要选择性地从RF至DC整流器132馈送未经调节的DC 138。最后，当内部存储器170被充电到高于预定阈值时，选择性地馈送Vbat171。
应理解，本公开的具体实施方式部分而不是摘要旨在用于解释权利要求。本公开的摘要可以提出本发明的示例性实施方式中的一个或多个但不是全部，并且因此，不旨在以任何方式限制本发明和所附权利要求。
对于相关(多个)领域的技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在本文中进行形式和细节上的各种改变。因此，本发明不应受任何上述示例性实施方式的限制，而应仅根据所附权利要求及其等效体来限定。

Claims (28)

1.环境射频(RF)电磁(EM)能量采集发生器，包括：
(a)用于接收RF EM辐射并提供RF输出的天线布置，所述天线布置包括：至少一个天线模块，所述天线模块被配置成吸收环境EM辐射以产生所述RF输出；以及
(b)RF至DC整流器，所述RF至DC整流器连接到所述天线布置，以用于接收所述RF输出并提供经整流的DC输出，所述整流器包括：
(i)整流电路，用于将所述RF输出转换成不稳定的经整流DC输出；以及
(ii)电容器矩阵，所述电容器矩阵包括(并联和串联安装的)高频率高电压低阻抗的微电容器的阵列，用于瞬时积聚作为所述整流电路的所述不稳定的经整流DC输出被接收的电荷，并提供未经调节的经整流DC输出。
2.环境RF EM能量采集发生器，包括：
(a)用于接收RF EM辐射并提供RF输出的天线布置，所述天线布置包括：至少一个天线模块，所述天线模块被配置成吸收环境EM辐射以产生所述RF输出，其中，所述RF EM天线模块包括：
(i)高频率范围(UFR)天线，被配置成吸收第一频率范围内的环境RF辐射；
(ii)低频率范围(LFR)天线，被配置成吸收第二频率范围内的环境RF辐射，所述第二频率范围至少部分地低于所述第一频率范围；
(iii)振荡引发天线，用于在所述UFR天线和所述LFR天线之间诱发振荡，所述振荡引发天线被配置成吸收第三频率范围内的环境RF辐射，所述第三频率范围低于所述第二频率范围；以及
(iv)LC电路，包括对所述第一频率范围、第二频率范围和第三频率范围内的谐振为响应性的电感器电容器(LC)网络，其中，所述UFR天线、LFR天线和振荡引发天线被连接，使得在所述第一频率范围、第二频率范围和第三频率范围内的RF能量被所述LC电路吸收；以及
(b)RF至DC整流器，所述RF至DC整流器连接到所述天线布置，以用于接收所述RF输出并提供经整流的DC输出。
3.根据权利要求2所述的环境RF EM能量采集发生器，其中，LC网络包括：电感器元件和双电容器布置，所述双电容器布置包括用于在所述第一频率范围内诱发谐振的高频率范围电容器元件和用于在所述第二频率范围内诱发谐振的低频率范围电容器元件，其中，所述高频率范围电容器和所述低频率范围电容器的组合能兼容，以用于在所述第三频率范围内诱发谐振，所述电感器元件和双电容器布置全部并联连接；以及分离出连接所述两个电容器元件的一个分支的二极管元件，其中，所述UFR天线和所述LFR天线连接到所述电路的分支，使得所述电容器元件中之一连接在其间，并且其中，所述振荡引发天线连接到所述电路，处于所述电容器元件中的另一个电容器元件与所述电感器元件之间。
4.根据权利要求2所述的环境RF EM能量采集发生器，其中，所述第一频率范围在1GHz-6GHz的UF范围内，所述第二频率范围在40MHz-3GHz的LF范围内，以及所述第三频率范围在50Hz-1.5GHz的VLF范围内。
5.根据权利要求2所述的环境RF EM能量采集发生器，其中，所述天线布置还包括：
(v)放大器，所述放大器在输出处连接到所述天线模块，以用于放大所述RF输出并提供经放大的RF输出。
6.根据权利要求5所述的环境RF EM能量采集发生器，其中，所述放大器包括天线调节器，以用于以50dB的增益因数放大所述RF输出，提供所述经放大的DC输出。
7.根据权利要求5所述的环境RF EM能量采集发生器，其中，所述放大器包括天线放大控制装置，所述天线放大控制装置被配置成按层级向所述天线模块分配功率源，包括：
(a)当外部电荷源插入环境RF EM能量采集发生器时，分配这样的源；
(b)当内部存储器被充电到低于预定阈值时，分配(所述整流器的)所述经整流的DC输出；以及
(c)当所述内部存储器被充电到高于预定阈值时，分配(内部存储器的)所述DC电流馈送。
8.根据权利要求2所述的环境RF EM能量采集发生器，其中，所述天线模块还包括：
(i)包括矩形微条带贴片板的UFR天线，所述矩形微条带贴片板具有切口蚀刻条带，形成弯曲的折叠倒置共形天线(FICA)样式，其尺寸被配置用于设置在移动蜂窝设备中；
(ii)包括矩形板的LFR天线，所述矩形板具有切口蚀刻条带，形成平面的倒置式‘F’天线(PIFA)样式，其尺寸被配置用于设置在移动蜂窝设备中；其中，所述UFR天线和LFR天线平行设置并由介电材料分隔开；以及
(iii)包括线的振荡引发天线，被配置用于设置在移动蜂窝设备中。
9.根据权利要求8所述的有源天线模块，包括双面印刷电路板(PCB)，其中，所述UFR天线压印在所述双面印刷电路板的一面上，并且所述LFR天线压印在所述双面印刷电路板的另一面上。
10.根据权利要求9所述的有源天线模块，其中，所述PCB包括二层夹式电介质基板，其中，所述UFR天线和LFR天线压印在所述二层夹式电介质基板的外部面上，并且其中，包括至少一个线圈的另外的电路元件压印在夹于所述电介质基板的二层之间的内部面上。
11.根据权利要求10所述的有源天线模块，其中：
(1)所述LFR天线包括8.5mm至9mm宽的平行平坦LFR条带的阵列，并且所述阵列的平行平坦LFR条带由所述切口蚀刻条带以5mm的间隙隔开，所述条带在其一端部处由相同宽度的转向LFR条带垂直连接；以及
(2)所述UFR天线包括6mm宽的平行平坦UFR条带的阵列，并且所述阵列的平行平坦UFR条带由所述切口蚀刻条带以2.5mm的间隙隔开，每两个相邻的所述UFR条带在其交替的端部处由相同宽度的转向UFR条带垂直连接。
12.环境RF EM能量采集系统，包括根据权利要求1或2所述的环境RF EM能量采集发生器，还包括下述中的至少一种：
(c)电压稳定器，所述电压稳定器与所述整流器耦合，以用于将所述未经调节的经整流DC输出调节成经调节的DC输出；
(d)电荷内部存储器，所述电荷内部存储器与所述有源天线布置耦合，以用于存储由所述发生器提供的电荷，并用于提供DC馈送，以供给系统的部件以及对外部宿主存储器充电；
(e)电压调节器，用于将所述整流电路的所述未经调节的经整流DC输出调节成稳定的DC输出；
(f)电压倍增器，用于向外部宿主提供所述DC输出的适当电压；以及
(g)控制器，所述控制器连接到所述天线布置，并且连接到所述整流器、所述内部存储器和所述系统的其他部件，以用于管理和控制：RF EM采集；所述内部存储器的充电；外部宿主存储器的充电；DC输出到所述天线布置、所述整流器、所述控制器和其他系统部件的馈送；以及当外部功率源插入系统时来自这样的源的DC输入到所述系统的任何部件的馈送。
13.环境RF EM能量采集系统，包括根据权利要求1或2所述的环境RF EM能量采集发生器，其中，所述天线中的至少一个天线是Yagi-Uda状，具有分布在至少一种导电材料上的导向偶极子元件。
14.环境RF EM能量采集系统，包括根据权利要求13所述的环境RF EM能量采集发生器，其中，所述天线中的至少一个天线以从由下述组成的列表中选择的方式被操纵：
一处折叠；
多处风琴式折叠；
多处信式折叠；以及
缠绕。
15.根据权利要求11所述的环境RF EM能量采集系统，其中，所述控制器能操作用于按层级向外部宿主存储器和EM能量采集充电器的部件分配功率源，包括：
(a)当外部电荷源插入所述EM能量采集充电器时，将所述外部电荷源馈送到所述外部宿主存储器和所述EM能量采集充电器的所有部件，包括所述内部EM存储器，只要所述外部宿主存储器和所述内部EM存储器不是满的；
(b)当所述内部存储器被充电到低于预定阈值时，馈送所述整流器的所述经整流的DC输出；以及
(c)当所述内部存储器被充电到高于预定阈值时，馈送所述内部存储器的所述DC电流馈送。
16.一种用于采集环境RF EM能量的方法，包括下述步骤：
(a)通过提供RF输出的至少一个天线布置吸收环境EM辐射；以及
(b)通过RF至DC整流器将所述RF输出整流成未经调节的DC输出，包括下述子步骤：
(i)通过整流电路将所述RF输出转换成不稳定的经整流DC输出；以及
(ii)通过电容矩阵瞬时积聚从所述整流电路作为所述不稳定的经整流DC输出被接收的电荷，所述电容矩阵包括并联安装的高频率高电压低阻抗的微电容器的阵列，其中所述电容器依次顺序地充电并且以未经调节的经整流DC输出进行放电。
17.一种用于采集环境RF EM能量的方法，包括下述步骤：
(a)通过能操作用于提供RF输出的至少一个天线布置吸收环境EM辐射，包括下述子步骤：
(i)通过被配置成吸收第一频率范围内的环境RF辐射的天线吸收高频率范围(UFR)的RF EM能量；
(ii)通过被配置成吸收第二频率范围内的环境RF辐射的天线吸收低频率范围(LFR)的RF EM能量，所述第二频率范围低于所述第一频率范围；
(iii)通过被配置成吸收第三频率范围内的环境RF辐射的振荡引发天线在所述UFR天线和所述LFR天线之间诱发振荡，所述第三频率范围低于所述第二频率范围；以及
(iv)使所述UFR天线、所述LFR天线和所述振荡引发天线与包括电感器电容器(LC)网络的LC电路耦合，所述电感器电容器网络对所述第一频率范围、第二频率范围和第三频率范围内的谐振为响应性的，使得所述第一频率范围、第二频率范围和第三频率范围内的RF能量被所述LC电路吸收，以提供所述RF输出；以及
(b)通过整流电路对所述RF输出进行整流，所述整流电路能操作用于将所述RF输出转换成未经调节的经整流DC输出。
18.根据权利要求15所述的用于采集环境RF EM的方法，其中，所述第一频率范围在1GHz至6GHz的UF范围内，所述第二频率范围在40MHz至3GHz的LF范围内，以及所述第三频率范围在50Hz至1.5GHz的VLF范围内。
19.根据权利要求15所述的用于采集环境RF EM的方法，其中，LC网络包括：电感器元件和双电容器布置，所述双电容器布置包括用于在所述第一频率范围内诱发谐振的高频率范围电容器元件和用于在所述第二频率范围内诱发谐振的低频率范围电容器元件，其中，所述高频率范围电容器和所述低频率范围电容器的组合能兼容，以用于在所述第三频率范围内诱发谐振，所述电感器元件和双电容器布置全部并联连接；以及分离出连接所述两个电容器元件的一个分支的二极管元件，其中，所述UFR天线和所述LFR天线连接到所述电路的分支，使得所述电容器元件中之一连接在其间，并且其中，所述振荡引发天线连接到所述电路处于所述电容器元件中的另一个电容器元件与所述电感器元件之间。
20.根据权利要求15所述的用于采集环境RF EM的方法，其中，所述吸收环境EM辐射以提供RF输出的步骤还包括下述子步骤：
(v)通过能操作用于提供经放大的RF输出的放大器放大所述RF输出。
21.根据权利要求18所述的用于采集环境RF EM的方法，其中，所述放大的子步骤还包括：通过天线调节器放大所述RF输出，所述天线调节器能操作用于以50dB的增益因数进行放大。
22.根据权利要求18所述的用于采集环境RF EM的方法，其中，所述放大的子步骤还包括通过天线放大控制装置来控制所述放大，所述天线放大控制装置被配置成按层级向所述天线模块分配功率源，包括：
(a)当外部电荷源能用时，分配这样的源；
(b)当内部存储器被充电到低于预定阈值时，分配所述整流器的所述经整流的DC输出；以及
(c)当所述内部存储器被充电到高于预定阈值时，分配所述内部存储器的DC馈送。
23.根据权利要求15所述的用于采集环境RF EM的方法，其中：
(i)所述UFR天线包括矩形微条带贴片板，具有切口蚀刻条带，形成弯曲的折叠倒置共形天线(FICA)样式，其尺寸被配置用于设置在移动蜂窝设备中；
(ii)所述LFR天线包括矩形板，具有切口蚀刻条带，形成平面的倒置式‘F’天线(PIFA)样式，其尺寸被配置用于设置在移动蜂窝设备中；其中，所述UFR天线和LFR天线平行设置并由介电材料分隔开；以及
(iii)所述振荡引发天线包括线，被配置用于设置在移动蜂窝设备中。
24.根据权利要求21所述的用于采集环境RF EM的方法，其中，所述UFR天线压印在双面印刷电路板(PCB)的一面上，并且所述LFR天线压印在所述PCB的另一面上。
25.根据权利要求22所述的用于采集环境RF EM的方法，其中，所述PCB包括二层夹式电介质基板，其中，所述UFR天线和LFR天线压印在所述二层夹式电介质基板的外部面上，并且其中，包括至少一个线圈的另外的电路元件压印在夹于所述电介质基板的二层之间的内部面上。
26.根据权利要求23所述的用于采集环境RF EM的方法，其中：
(1)所述LFR天线包括8.5mm至9mm宽的平行平坦LFR条带的阵列，并且所述阵列的平行平坦LFR条带由切口蚀刻条带以5mm的间隙隔开，所述条带在其一端部处由相同宽度的转向LFR条带垂直连接；以及
(2)所述MFR天线包括6mm宽的平行平坦MFR条带的阵列，并且所述阵列的平行平坦MFR条带由切口蚀刻条带以2.5mm的间隙隔开，每两个相邻的所述MFR条带在其交替的端部处由相同宽度的转向MFR条带垂直连接。
27.根据权利要求14或15所述的用于采集环境RF EM的方法，还包括下述步骤中的至少一个：
(c)通过与所述整流器耦合的电压稳定器将所述未经调节的经整流DC输出调节成经调节的DC输出；
(d)选择性地将由所述稳定器的所述经调节的DC输出提供的电荷存储在电荷内部存储器中，所述电荷内部存储器与所述稳定器和所述天线布置耦合，并提供DC馈送，以用于供给所述天线布置、涉及所述RF EM采集的其他部件，以及用于对外部宿主存储器充电；
(e)通过电压调节器将所述整流电路的所述未经调节的经整流DC输出调节成稳定的DC输出；
(f)通过电压倍增器向外部宿主提供所述DC输出的适当电压；以及
(g)通过连接到所述天线布置和所述整流器的控制器管理和控制下述中的至少一种：所述RF EM采集；内部存储器的充电；外部宿主存储器的充电；对所述天线布置、所述整流器和所述控制器的馈送；以及当外部功率源能用时这样的源到所述RF EM采集系统的任何部件的馈送。
28.根据权利要求25所述的用于采集环境RF EM的方法，其中，所述管理和控制的步骤包括按层级向外部宿主存储器分配功率源，包括：
(a)当外部电荷源能用时，将所述外部电荷源的输入选择性地馈送到外部宿主存储器和EM能量采集充电器的所有部件，包括内部EM存储器，只要所述外部宿主存储器和所述内部EM存储器不是满的；
(b)当内部存储器被充电到低于预定阈值时，选择性地馈送所述整流器的所述经整流的DC输出；
(c)当内部存储器被充电到高于预定阈值时，选择性地馈送所述内部存储器的DC馈送。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115133673A (zh) * 2022-09-01 2022-09-30 荣耀终端有限公司 一种射频能量收集器及电子设备

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102440191B1 (ko) 2017-04-05 2022-09-05 라이텐, 인코포레이티드 주파수 선택 요소를 갖는 안테나
US10756563B2 (en) * 2017-12-15 2020-08-25 Datamax-O'neil Corporation Powering devices using low-current power sources
KR102653078B1 (ko) 2018-08-09 2024-04-01 라이텐, 인코포레이티드 전자기 상태 감지 디바이스들
WO2021065926A1 (ja) * 2019-10-02 2021-04-08 ナブテスコ株式会社 センサ装置、減速機、クローラ用走行ユニット、流体バルブ、流体シリンダ、流体ポンプ、流体コンプレッサ、電動モータ、電動アクチュエータ、構造物、センサ装置が実行する方法、センサシステムおよび銘板
EP3817185B1 (en) * 2019-11-04 2022-06-22 Celtro GmbH Energy generation from tiny sources
US11482888B2 (en) * 2020-06-19 2022-10-25 Medtronic, Inc. Antenna for use with RF energy harvesting
WO2024095236A1 (en) * 2022-11-05 2024-05-10 Mannem Srinivas Baba A device to generate required energy frequency flux at a place or around the material

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1481999A (zh) * 2002-08-12 2004-03-17 ������������ʽ���� 印刷材料收容容器、检测印刷材料的装置及信息传递方法
CN1868106A (zh) * 2003-10-17 2006-11-22 法尔弗莱电力科技公司 用于一无线电源的方法及装置
KR20120133322A (ko) * 2011-05-31 2012-12-10 명지대학교 산학협력단 온보드 ｌｃ 탱크를　이용한 무안테나 ｒｆ 에너지 수확 시스템
CN104254958A (zh) * 2012-02-09 2014-12-31 胡玛沃克斯公司 能量收集系统
CN204334132U (zh) * 2015-01-07 2015-05-13 浙江大学 一种用于无线传感器的微波式无线供电系统
US20160049441A1 (en) * 2014-08-14 2016-02-18 Chan-Long Shieh Flexible aps x-ray imager with motft pixel readout and a pin diode sensing element
CN105429307A (zh) * 2015-11-26 2016-03-23 南京南瑞集团公司 无线信号能量收集方法、无线传感器唤醒方法及其装置

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8552597B2 (en) 2006-03-31 2013-10-08 Siemens Corporation Passive RF energy harvesting scheme for wireless sensor
US8805530B2 (en) 2007-06-01 2014-08-12 Witricity Corporation Power generation for implantable devices
CN103545858A (zh) 2012-07-11 2014-01-29 施洛莫·巴鲁克 电池供电设备的远程无线充电
WO2015006214A1 (en) * 2013-07-08 2015-01-15 Utc Fire And Security Americas Corporation, Inc. Radio frequency harvester assembly
US10224759B2 (en) * 2014-07-15 2019-03-05 Qorvo Us, Inc. Radio frequency (RF) power harvesting circuit
KR20160029529A (ko) 2014-09-05 2016-03-15 에스케이하이닉스 주식회사 전자장치 및 그 제조방법
WO2016071905A1 (en) 2014-11-05 2016-05-12 W.P. Energy (S.B.) Ltd. Frequency selective energy harvesting

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1481999A (zh) * 2002-08-12 2004-03-17 ������������ʽ���� 印刷材料收容容器、检测印刷材料的装置及信息传递方法
CN1868106A (zh) * 2003-10-17 2006-11-22 法尔弗莱电力科技公司 用于一无线电源的方法及装置
KR20120133322A (ko) * 2011-05-31 2012-12-10 명지대학교 산학협력단 온보드 ｌｃ 탱크를　이용한 무안테나 ｒｆ 에너지 수확 시스템
CN104254958A (zh) * 2012-02-09 2014-12-31 胡玛沃克斯公司 能量收集系统
US20160049441A1 (en) * 2014-08-14 2016-02-18 Chan-Long Shieh Flexible aps x-ray imager with motft pixel readout and a pin diode sensing element
CN204334132U (zh) * 2015-01-07 2015-05-13 浙江大学 一种用于无线传感器的微波式无线供电系统
CN105429307A (zh) * 2015-11-26 2016-03-23 南京南瑞集团公司 无线信号能量收集方法、无线传感器唤醒方法及其装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115133673A (zh) * 2022-09-01 2022-09-30 荣耀终端有限公司 一种射频能量收集器及电子设备
CN115133673B (zh) * 2022-09-01 2023-02-17 荣耀终端有限公司 一种射频能量收集器及电子设备

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WO2017208231A1 (en) 2017-12-07
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