CN110943754A - 一种具有散射通信功能的无线携能通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有散射通信功能的无线携能通信系统，本发明使SWIPT设备具有完整的ER、IR、IT功能，本发明不仅降低了SWIPT设备发送信息的功耗，提高了能量使用效率，而且使得SWIPT设备无需复杂的有源发射器件，从而降低了SWIPT设备的成本。

Description

一种具有散射通信功能的无线携能通信系统

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及一种具有散射通信功能的无线携能通信系统。

背景技术

无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)可以同时传输信号和能量，即混合接入点(hybrid access point,HAP)在与SWIPT终端设备进行信息交互的同时，还能为其提供能量，如图1所示。运用SWIPT技术可以减少电线的采购成本、排线的人工成本，免去给无线设备更换电池的麻烦。由于射频能量传输的效率极低，SWIPT设备接收到的能量通常极为有限。但是，目前的SWIPT设备都采用了有源通信的手段，即图1中Rx3通过主动发射电磁信号的方式将信息传递给Rx5。有源通信不仅功耗大，而且系统组成复杂，成本高。

发明内容

为了更高效地利用SWIPT接收到的有限能源，降低SWIPT设备发送信息的功耗，本发明提出一种具有散射通信功能的无线携能通信系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种具有散射通信功能的无线携能通信系统，包含：

射频开关，射频开关的第一开关端接地；

第一匹配电感，第一匹配电感的第一端连接射频天线，第一匹配电感的第二端连接射频开关的第二开关端；

等效寄生电容，等效寄生电容一端接地另一端连接射频开关的第二开关端，等效寄生电容的大小与射频开关寄生电容大小一致；

第二匹配电感，第二匹配电感的第一端连接射频开关的第二开关端；

匹配整流电路，用于对信号进行输入阻抗匹配后进行整流，匹配整流电路的信号输入端与第二匹配电感的第二端连接；

P型开关管，P型开关管的S极连接匹配整流电路的信号输出端，G极通过第一下拉电阻接地；

N型开关管，N型开关管的D极连接匹配整流电路的信号输出端，G极连接P型开关管的G极，S极通过第二下拉电阻接地；

储能器件，一端连接P型的D极，另一端接地，以存储从P型开关管传输过来的能量；

能量收集与电源管理模块，电源输入端连接所述储能器件，从所述储能器件进行取电，当储能器件收集电荷达到电压阈值时，能量收集与电源管理模块启动工作；

数字基带处理器，电源输入端连接能量收集与电源管理模块的输出端，以在能量收集与电源管理模块启动工作后，从能量收集与电源管理模块获取电源进行正常工作；数字基带处理器具备高/低电平输出端以及散射调制输出端，高/低电平输出端连接至P型开关管的G极，散射调制输出端连接至射频开关的控制端；

在能量收集阶段时，数字基带处理器无供电，高/低电平输出端和散射调制输出端均输出低电平，从而控制P型开关管导通，N型开关管断开，射频开关断开；在信息接收阶段时，数字基带处理器正常工作，高/低电平输出端输出高电平，散射调制输出端输出低电平，从而控制N型开关管导通，P型开关管断开，射频开关继续断开，N型开关管的S极输出信号；信息发送阶段时，数字基带处理器正常工作，散射调制输出端控制射频开关切换断开与导通的状态，从而切换天线的匹配与短路状态，实现天线对发射的电磁波进行吸收与发射调制，以完成信息的发送。

进一步地，在本发明的具有散射通信功能的无线携能通信系统中，所述第一匹配电感的第一端连接射频天线和匹配整流电路的信号输入端与第二匹配电感的第二端连接之间的连接均是通过50欧姆的射频传输线进行连接。

进一步地，在本发明的具有散射通信功能的无线携能通信系统中，所述数字基带处理器具有A/D输入引脚和/或数字输入DI引脚；

在信息接收阶段时，所述N型开关管的S极输出信号具体是指：A/D输入引脚连接N型开关管的S极进行采样，获取信号强度指示；和/或，N型开关管的S极依次通过比较整形电路和信息解码电路后连接至数字输入DI引脚，实现数字信息接收。

进一步地，在本发明的具有散射通信功能的无线携能通信系统中，P型开关管和N型开关管均为MOSFET。

进一步地，在本发明的具有散射通信功能的无线携能通信系统中，射频开关采用ADG902实现。

进一步地，在本发明的具有散射通信功能的无线携能通信系统中，信息发送阶段时：

数字基带处理器正常工作，高/低电平输出端输出低电平，从而控制P型开关管导通，N型开关管断开，射频开关断开，从而在实现信息发送的同时实现能量收集；或者，

数字基带处理器正常工作，高/低电平输出端输出高电平，散射调制输出端输出低电平，从而控制N型开关管导通，P型开关管断开，射频开关继续断开。

实施本发明的具有散射通信功能的无线携能通信系统，具有以下有益效果：本发明提出一种具有散射通信功能的无线携能通信系统，使SWIPT设备具有完整的ER、IR、IT功能，本发明不仅降低了SWIPT设备发送信息的功耗，提高了能量使用效率；而且使得SWIPT设备无需复杂的有源发射器件，从而降低了SWIPT设备的成本。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是混合接入点HAP与SWIPT终端设备的信息交互图；

图2是具有散射通信功能的无线携能通信系统一实施例的电路原理图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图2所示，其为本发明的具有散射通信功能的无线携能通信系统一实施例的电路原理图。本实施例的具有散射通信功能的无线携能通信系统包含如下器件及模块：

射频开关K1，射频开关K1的第一开关端(上端)接地；本实施例中射频开关K1采用ADG902实现；

第一匹配电感L1，第一匹配电感L1的第一端(左端)连接射频天线TX，第一匹配电感L1的第二端(右端)连接射频开关K1的第二开关端(下端)；

等效寄生电容C1，等效寄生电容C1一端(下端)接地另一端(上端)连接射频开关K1的第二开关端，等效寄生电容C1的大小与射频开关K1寄生电容大小一致；

第二匹配电感L2，第二匹配电感L2的第一端(左端)连接射频开关K1的第二开关端；

匹配整流电路，用于对信号进行输入阻抗匹配后进行整流，匹配整流电路的信号输入端(左端)与第二匹配电感的第二端(右端)连接；其中，第一匹配电感L1的第一端连接射频天线和匹配整流电路的信号输入端与第二匹配电感L2的第二端连接之间的连接分别是通过50欧姆的射频传输线CS1和CS2进行连接，包括但是不限于50欧姆同轴线；

P型开关管Q1，P型开关管Q1的S极连接匹配整流电路的信号输出端(右端)，G极通过第一下拉电阻R1接地；

N型开关管Q2，N型开关管Q2的D极连接匹配整流电路的信号输出端，G极连接P型开关管Q1的G极，S极通过第二下拉电阻R2接地；在本实施例中，P型开关管Q1和N型开关管Q2均为MOSFET；

储能器件C1，一端连接P型的D极，另一端接地，以存储从P型开关管Q1传输过来的能量；储能器件C1包括但是不限于电容、超级电容等；

能量收集与电源管理模块，电源输入端连接所述储能器件C1，从所述储能器件C1进行取电，当储能器件C1收集电荷达到电压阈值时，能量收集与电源管理模块启动工作；

数字基带处理器U1，电源输入端VCC和GND连接能量收集与电源管理模块的输出端，以在能量收集与电源管理模块启动工作后，从能量收集与电源管理模块获取电源进行正常工作；数字基带处理器U1具备高/低电平输出端

以及散射调制输出端DO，高/低电平输出端

连接至P型开关管Q1的G极，散射调制输出端DO连接至射频开关K1的控制端；

在能量收集阶段ER(Energy Receive)时，数字基带处理器U1无供电，高/低电平输出端

和散射调制输出端DO均输出低电平，从而控制P型开关管Q1导通，N型开关管Q2断开，射频开关K1断开；在信息接收阶段IR(Information Receive)时，数字基带处理器U1正常工作，高/低电平输出端

输出高电平，散射调制输出端DO输出低电平，从而控制N型开关管Q2导通，P型开关管Q1断开，射频开关K1继续断开，N型开关管Q2的S极输出信号；信息发送阶段IT(Information Transmit)时，数字基带处理器U1正常工作，散射调制输出端DO控制射频开关K1切换断开与导通的状态，从而切换天线的匹配与短路状态，实现天线对发射的电磁波进行吸收与发射调制，以完成信息的发送。

数字基带处理器U1具有A/D输入引脚和/或数字输入DI引脚；在信息接收阶段时，N型开关管Q2的S极输出信号具体是指：A/D输入引脚连接N型开关管Q2的S极进行采样，获取信号强度指示(Received Signal Strength Indication,RSSI)；和/或，N型开关管Q2的S极依次通过比较整形电路和信息解码(Information Transmit,ID)电路后连接至数字输入DI引脚，实现数字信息接收。

信息发送阶段时：

数字基带处理器U1正常工作，高/低电平输出端

输出低电平，从而控制P型开关管Q1导通，N型开关管Q2断开，射频开关K1断开，从而在实现信息发送的同时实现能量收集；或者，数字基带处理器U1正常工作，高/低电平输出端

输出高电平，散射调制输出端输出低DO电平，从而控制N型开关管Q2导通，P型开关管Q1断开，射频开关K1继续断开。

本发明的技术关键点在于：

1)传统SWIPT系统中，HAP发射的电磁波仅作为SWIPT设备的能量来源和信息来源。本发明在此基础上，把HAP发射的电磁波作为射频载波，通过被动散射调制实现SWIPT设备信息的无源发送。

2)本系统的散射调制通信功能与能量收集功能不冲突。由于在射频前端(射频前端是指射频天线TX、两个匹配电感L1和L2、寄生电容C1以及两根射频传输线CS1和CS2)接入了散射调制开关K1，因此在系统未启动时K1不能影响射频能量收集功能，否则系统会因能量不足而始终无法启动。为此，本发明一方面通过电感匹配抵消了K1寄生电容对射频前端的影响；另一方面选取了在VCC＝0V且VCTL＝0V时开关处于断开状态的K1器件(例如ADG902)。

3)本发明提出了一种

控制电路，实现了ER和IR的时间切换(timeswitching,TS)功能。该电路仅由两个MOSFET和电阻组成，且在系统未启动时该控制电路不影响射频能量收集功能。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种具有散射通信功能的无线携能通信系统，其特征在于，包含：

射频开关，射频开关的第一开关端接地；

第一匹配电感，第一匹配电感的第一端连接射频天线，第一匹配电感的第二端连接射频开关的第二开关端；

等效寄生电容，等效寄生电容一端接地另一端连接射频开关的第二开关端，等效寄生电容的大小与射频开关寄生电容大小一致；

第二匹配电感，第二匹配电感的第一端连接射频开关的第二开关端；

匹配整流电路，用于对信号进行输入阻抗匹配后进行整流，匹配整流电路的信号输入端与第二匹配电感的第二端连接；

P型开关管，P型开关管的S极连接匹配整流电路的信号输出端，G极通过第一下拉电阻接地；

N型开关管，N型开关管的D极连接匹配整流电路的信号输出端，G极连接P型开关管的G极，S极通过第二下拉电阻接地；

储能器件，一端连接P型的D极，另一端接地，以存储从P型开关管传输过来的能量；

能量收集与电源管理模块，电源输入端连接所述储能器件，从所述储能器件进行取电，当储能器件收集电荷达到电压阈值时，能量收集与电源管理模块启动工作；

数字基带处理器，电源输入端连接能量收集与电源管理模块的输出端，以在能量收集与电源管理模块启动工作后，从能量收集与电源管理模块获取电源进行正常工作；数字基带处理器具备高/低电平输出端以及散射调制输出端，高/低电平输出端连接至P型开关管的G极，散射调制输出端连接至射频开关的控制端；

在能量收集阶段时，数字基带处理器无供电，高/低电平输出端和散射调制输出端均输出低电平，从而控制P型开关管导通，N型开关管断开，射频开关断开；在信息接收阶段时，数字基带处理器正常工作，高/低电平输出端输出高电平，散射调制输出端输出低电平，从而控制N型开关管导通，P型开关管断开，射频开关继续断开，N型开关管的S极输出信号；信息发送阶段时，数字基带处理器正常工作，散射调制输出端控制射频开关切换断开与导通的状态，从而切换天线的匹配与短路状态，实现天线对发射的电磁波进行吸收与发射调制，以完成信息的发送。

2.根据权利要求1所述的具有散射通信功能的无线携能通信系统，其特征在于，所述第一匹配电感的第一端连接射频天线和匹配整流电路的信号输入端与第二匹配电感的第二端连接之间的连接均是通过50欧姆的射频传输线进行连接。

3.根据权利要求1所述的具有散射通信功能的无线携能通信系统，其特征在于，所述数字基带处理器具有A/D输入引脚和/或数字输入DI引脚；

在信息接收阶段时，所述N型开关管的S极输出信号具体是指：A/D输入引脚连接N型开关管的S极进行采样，获取信号强度指示；和/或，N型开关管的S极依次通过比较整形电路和信息解码电路后连接至数字输入DI引脚，实现数字信息接收。

4.根据权利要求1所述的具有散射通信功能的无线携能通信系统，其特征在于，P型开关管和N型开关管均为MOSFET。

5.根据权利要求1所述的具有散射通信功能的无线携能通信系统，其特征在于，射频开关采用ADG902实现。

6.根据权利要求1所述的具有散射通信功能的无线携能通信系统，其特征在于，信息发送阶段时：

数字基带处理器正常工作，高/低电平输出端输出低电平，从而控制P型开关管导通，N型开关管断开，射频开关断开，从而在实现信息发送的同时实现能量收集；或者，

数字基带处理器正常工作，高/低电平输出端输出高电平，散射调制输出端输出低电平，从而控制N型开关管导通，P型开关管断开，射频开关继续断开。

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