CN111106854B - 具有散射通信和低功耗电压监视功能的无线携能通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有散射通信和低功耗电压监视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；同时，通过增加电压监视功能，保证系统的用电正常。
Description
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和低功耗电压监视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。
同时，现有的无线携能通信系统在进行工作时，系统负载芯片往往都是一直工作，在系统收集能量较慢时，很慢满足系统负载芯片的正常用电，从而导致系统工作异常。
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以及保证系统负载芯片用电正常，本发明提出一种具有散射通信和低功耗电压监视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和低功耗电压监视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；
第一P型MOS管，第一P型MOS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；
第一N型MOS管，第一N型MOS管的D极连接匹配整流电路的信号输出端，G极连接第一P型MOS管的G极，S极通过第二下拉电阻接地；
储能器件，一端连接第一P型MOS管的D极，另一端接地，以存储从第一P型MOS管传输过来的能量；
第二P型MOS管，第二P型MOS管的S极连接储能器件的所述连接第一P型MOS管的D极的一端；
第三P型MOS管，第三P型MOS管的S极连接储能器件的所述连接第一P型MOS管的D极的一端，G极连接第二P型MOS管的D极；
电压监视芯片，具有输入端子以及指示输出端子，电压监视芯片的输入端子连接第三P型MOS管的D极，指示输出端子用于电压监视芯片正常工作时，在所述输入端子输入的电压小于电压阈值Vth时，输出低电平，否则输出高电平，该高电平的电压等于输入端子上的输入电压，在第三P型MOS管导通时，该高电平即为储能器件的电压Vin；
上拉电阻，上拉电阻的一端连接储能器件的所述连接第一P型MOS管的D极的一端，另一端连接第二P型MOS管的G极；
第二N型MOS管，N型MOS管的D极连接第二P型MOS管的G极，S极接地；
第一分压限流电阻，串联在电压监视芯片的指示输出端子和第二N型MOS管的G极之间；
第二分压限流电阻，串联在第三P型MOS管的G极和第二N型MOS管的G极之间；
系统负载芯片，电源输入端子连接第二P型MOS管的D极；系统负载芯片具备高/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第一P型MOS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，系统负载芯片无供电，高/低电平输出端和散射调制输出端均输出低电平，从而控制第一P型MOS管导通，第一N型MOS管断开，射频开关断开；在信息接收阶段时，系统负载芯片正常工作，高/低电平输出端输出高电平，散射调制输出端输出低电平，从而控制第一N型MOS管导通，第一P型MOS管断开，射频开关继续断开，第一N型MOS管的S极输出信号；信息发送阶段时，系统负载芯片正常工作，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(TX)的匹配与短路状态，实现天线(TX)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和低功耗电压监视功能的无线携能通信系统中，所述系统负载芯片具有A/D输入引脚和/或数字输入DI引脚；
在信息接收阶段时，所述第一N型MOS管的S极输出信号具体是指：A/D输入引脚连接第一N型MOS管的S极进行采样，获取信号强度指示；和/或，第一N型MOS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和低功耗电压监视功能的无线携能通信系统中，信息发送阶段时：
系统负载芯片正常工作，高/低电平输出端输出低电平，从而控制第一P型MOS管导通，第一N型MOS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，
系统负载芯片正常工作，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，从而控制第一N型MOS管导通，第一P型MOS管断开，射频开关继续断开。
进一步地，在本发明的具有散射通信和低功耗电压监视功能的无线携能通信系统中，
(1)第三P型MOS管的G极初始状态默认低电平，因此储能器件上的电压Vin满足：当0≤Vin＜Vth_pmos3时，第三P型MOS管断开，当Vth_pmos3≤Vin＜Vth时，第三P型MOS管导通，指示输出端子输出为低电平，此时N型MOS管断开，第二P型MOS管在上拉电阻作用下断开，因此所述电源输入端子的输入电压为0V，系统负载芯片没有供电，未能启动；其中，Vth_pmos3表示第三P型MOS管的开启阈值电压；
(2)当Vin≥Vth时，所述指示输出端子的输出变为高电平，此时第二P型MOS管的G极电压升至
R4、R5以及
依次为第一分压限流电阻的大小、第二分压限流电阻的大小以及所述指示输出端子输出的电压大小，且R4和R5被设置为满足：所述指示输出端子的输出变为高电平时，R5*Vin/(R4+R5)超过第二N型MOS管的最小导通电压；此时，第二N型MOS管导通，然后第二P型MOS管导通，系统负载芯片得以启动，第二N型MOS管的G极和第三P型MOS管的G极的电压升至Vin，第三P型MOS管断开；
(3)第三P型MOS管断开后电压监视芯片掉电，所述指示输出端子的输出又变低电平，此时第二N型MOS管的G极电压降至R4*Vin/(R4+R5)，且R4和R5被设置为满足：所述指示输出端子输出变为低电平时，R4*Vin/(R4+R5)超过第二N型MOS管的最小导通电压；此时，第二N型MOS管仍然导通，故能够维持系统负载芯片的启动运行状态。
进一步地，在本发明的具有散射通信和低功耗电压监视功能的无线携能通信系统中，R4＝R5＝10MΩ。
根据本发明的另一方面，本发明为解决其技术问题，还提供了一种具有散射通信和低功耗电压监视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；
第一P型MOS管，第一P型MOS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；
第一N型MOS管，第一N型MOS管的D极连接匹配整流电路的信号输出端，G极连接第一P型MOS管的G极，S极通过第二下拉电阻接地；
储能器件，一端连接第一P型MOS管的D极，另一端接地，以存储从第一P型MOS管传输过来的能量；
第二P型MOS管，第二P型MOS管的S极连接储能器件的所述连接第一P型MOS管的D极的一端；
第三P型MOS管，第三P型MOS管的S极连接储能器件的所述连接第一P型MOS管的D极的一端，G极连接第二P型MOS管的D极；
电压监视芯片，具有输入端子以及指示输出端子，电压监视芯片的输入端子连接第三P型MOS管的D极，指示输出端子用于电压监视芯片正常工作时，在所述输入端子输入的电压小于电压阈值Vth时，输出低电平，否则输出高电平，该高电平的电压等于输入端子上的输入电压，在第三P型MOS管导通时，该高电平即为储能器件的电压Vin；
上拉电阻，上拉电阻的一端连接储能器件的所述连接第一P型MOS管的D极的一端，另一端连接第二P型MOS管的G极；
第二N型MOS管，第二N型MOS管的G极连接电压监视芯片的指示输出端子，D极连接第二P型MOS管的G极，S极接地；
第三N型MOS管，第三N型MOS管的G极连接第二P型MOS管的D极，D极连接第二P型MOS管的G极，S极接地；
系统负载芯片，电源输入端子连接第二P型MOS管的D极；系统负载芯片具备高/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第一P型MOS管的G极，散射调制输出端(DO)连接至射频开关的控制端；
在能量收集阶段时，系统负载芯片无供电，高/低电平输出端和散射调制输出端(DO)均输出低电平，从而控制第一P型MOS管导通，第一N型MOS管断开，射频开关断开；在信息接收阶段时，系统负载芯片正常工作，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，从而控制第一N型MOS管导通，第一P型MOS管断开，射频开关继续断开，第一N型MOS管的S极输出信号；信息发送阶段时，系统负载芯片正常工作，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和低功耗电压监视功能的无线携能通信系统中，所述系统负载芯片具有A/D输入引脚和/或数字输入DI引脚；
在信息接收阶段时，所述第一N型MOS管的S极输出信号具体是指：A/D输入引脚连接第一N型MOS管的S极进行采样，获取信号强度指示；和/或，第一N型MOS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和低功耗电压监视功能的无线携能通信系统中，信息发送阶段时：
系统负载芯片正常工作，高/低电平输出端输出低电平，从而控制第一P型MOS管导通，第一N型MOS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，
系统负载芯片正常工作，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，从而控制第一N型MOS管导通，第一P型MOS管断开，射频开关继续断开。
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，
(1)第三P型MOS管的G极初始状态默认低电平，因此储能器件上的电压Vin满足：当0≤Vin＜Vth_pmos3时，第三P型MOS管断开，当Vth_pmos3≤Vin＜Vth时，第三P型MOS管导通，指示输出端子输出为低电平，此时第二N型MOS管断开，第二P型MOS管在上拉电阻作用下断开，因此所述电源输入端子的输入电压为0V，系统负载芯片没有供电，未能启动；其中，Vth_pmos3表示第三P型MOS管的开启阈值电压；
(2)当Vin≥Vth时，所述指示输出端子的输出变为高电平，第二N型MOS管导通，然后第二P型MOS管导通，因此所述电源输入端子的输入电压为Vin，此时一方面系统负载芯片得以启动，另一方面第二N型MOS管的G极电压升至Vin，第三N型MOS管导通；第三P型MOS管的G极电压升至Vin，第三P型MOS管断开；
(3)第三P型MOS管断开后电压监视芯片掉电，所述指示输出端子的输出又变低电平，第二N型MOS管断开，但第三N型MOS管仍然导通，故能够维持系统负载芯片的启动运行状态。
进一步地，在本发明的具有散射通信和低功耗电压监视功能的无线携能通信系统中，电压监视芯片为TPS3831、TPS3839、R3114或R3116。
实施本发明的具有散射通信和低功耗电压监视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和低功耗电压监视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；同时，通过增加电压监视功能，保证系统的用电正常。
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是具有散射通信和低功耗电压监视功能的无线携能通信系统第一实施例的电路原理图；
图3是具有散射通信和低功耗电压监视功能的无线携能通信系统第二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和低功耗电压监视功能的无线携能通信系统的第一实施例的电路原理图。本实施例的具有散射通信和低功耗电压监视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；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；
第一P型MOS管Q1，第一P型MOS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；
第一N型MOS管Q2，第一N型MOS管Q2的D极连接匹配整流电路的信号输出端，G极连接第一P型MOS管Q1的G极，S极通过第二下拉电阻R2接地；
储能器件C2，一端连接第一P型MOS管Q1的D极，另一端接地，以存储从第一P型MOS管Q1传输过来的能量，从而使得第一P型MOS管Q1向储能器件C2充电，储能器件C2上的电压Vin逐渐升高，直至达到最大电压值，即第一P型MOS管Q1传输过来的电压值；存储器件C2包括但是不限于电容、超级电容等；
第二P型MOS管Q3，第二P型MOS管Q3的S极连接储能器件C2的所述连接第一P型MOS管Q1的D极的一端；
第三P型MOS管Q4，第三P型MOS管Q4的S极连接储能器件C2的所述连接第一P型MOS管Q1的D极的一端，G极连接第二P型MOS管Q3的D极；
电压监视芯片U1，具有输入端子VIN以及指示输出端子
电压监视芯片U1的输入端子VIN连接第三P型MOS管Q4的S极，指示输出端子
用于电压监视芯片U1正常工作时，在所述输入端子VIN输入的电压小于电压阈值Vth时，输出低电平，否则输出高电平，该高电平的电压等于输入端子VIN上的输入电压，在第三P型MOS管Q4导通时，该高电平即为储能器件C2的电压Vin；电压监视芯片U1可以采用TPS3831、TPS3839、R3114、R3116；
上拉电阻R3，上拉电阻R3的一端连接储能器件C2的所述连接第一P型MOS管Q1的D极的一端，另一端连接第二P型MOS管Q3的G极；
第二N型MOS管Q5，N型MOS管的D极连接第二P型MOS管Q3的G极，S极接地；
第一分压限流电阻R4，串联在电压监视芯片U1的指示输出端子
和第二N型MOS管Q5的G极之间；
第二分压限流电阻R5，串联在第三P型MOS管Q4的G极和第二N型MOS管Q5的G极之间；
系统负载芯片U2，电源输入端子VCC连接第二P型MOS管Q3的D极；系统负载芯片U2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
连接至第一P型MOS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；系统负载芯片U2的电源输入端子VCC通过电容C3接地，以进行电源滤波；
在能量收集阶段ER(Energy Receive)时，系统负载芯片U2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，从而控制第一P型MOS管Q1导通，第一N型MOS管Q2断开，射频开关K1断开，进行能量收集；在信息接收阶段IR(Information Receive)时，系统负载芯片U2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，从而控制第一N型MOS管Q2导通，第一P型MOS管Q1断开，射频开关K1继续断开，第一N型MOS管Q2的S极输出信号；信息发送阶段IT(Information Transmit)时，系统负载芯片U2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TX的匹配与短路状态，实现天线TX对发射的电磁波进行吸收与发射调制，以完成信息的发送。
系统负载芯片U2具有A/D输入引脚A/D和/或数字输入DI引脚DI；
在信息接收阶段时，第一N型MOS管Q2的S极输出信号具体是指：A/D输入引脚连接第一N型MOS管Q2的S极进行采样，获取信号强度指示(Received Signal StrengthIndication,RSSI)；和/或，第一N型MOS管Q2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DI，实现数字信息接收。
信息发送阶段时：
系统负载芯片U2正常工作，高/低电平输出端
输出低电平，从而控制第一P型MOS管Q1导通，第一N型MOS管Q2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，系统负载芯片U2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，从而控制第一N型MOS管Q2导通，第一P型MOS管Q1断开，射频开关继续断开。
电压监视部分的具体工作原理为：
(1)第三P型MOS管Q4的G极初始状态默认低电平，因此储能器件C2上的电压Vin满足：当0≤Vin＜Vth_pmos3时，第三P型MOS管Q4断开，当Vth_pmos3≤Vin＜Vth时，第三P型MOS管Q4导通，指示输出端子
输出为低电平，此时第二N型MOS管Q5断开，第二P型MOS管Q3在上拉电阻R3作用下断开，因此所述电源输入端子VCC的输入电压为0V，系统负载芯片U2没有供电，未能启动；其中，Vth_pmos3表示第三P型MOS管Q4的开启阈值电压；
(2)当Vin≥Vth时，所述指示输出端子
的输出变为高电平，此时第二P型MOS管Q3的G极电压升至
R4、R5以及
依次为第一分压限流电阻R4的大小、第二分压限流电阻R5的大小以及所述指示输出端子
输出的电压大小，且R4和R5被设置为满足：所述指示输出端子
的输出变为高电平时，R5*Vin/(R4+R5)超过第二N型MOS管Q5的最小导通电压；此时，第二N型MOS管Q5导通，然后第二P型MOS管Q3导通，系统负载芯片U2得以启动，第二N型MOS管Q5的G极和第三P型MOS管Q4的G极的电压升至Vin，第三P型MOS管Q4断开。
(3)第三P型MOS管Q4断开后电压监视芯片U1掉电，所述指示输出端子
的输出又变低电平(零电平)，此时第二N型MOS管Q5的G极电压降至R4*Vin/(R4+R5)，且R4和R5被设置为满足：所述指示输出端子
输出变为低电平时，R4*Vin/(R4+R5)超过第二N型MOS管Q5的最小导通电压；此时，第二N型MOS管Q5仍然导通，故能够维持系统负载芯片U2的启动运行状态。在本实施例中，R2＝R3＝10MΩ。
在本实施例中，电压监视部分(Vin至C3之间的电路)启动后的电流消耗(不计算系统负载芯片以及其他系统负载)主要为：VCC/R3以及VCC/(R4+R5)。在本实施例中，上拉电阻R3、第一分压限流电阻R4和第二分压限流电阻R5的电阻越大，他们者消耗的功率越小，因此在本实施例中上拉电阻R3、第一分压限流电阻R4和第二分压限流电阻R5应当取较大的值，本实施例中，R3、R4和R5的大小满足：R3＝R4＝R5＝10MΩ。
本实施例中电压监视电路的电路特点是：电源阀门位于VCC供电端，确保了系统地平面的完整性；在系统启动后，利用VCC与
的电阻分压维持Q5导通，从而使Q3导通，持续为系统供电，且启动和维持无需系统负载中的数字逻辑控制；采用电压监视器集成芯片，因此集成度高、电路组成简单、成本低，而且将该部分运行功耗由uA级降到了最低150nA(电压监视芯片的功耗，即电压监视芯片未被关闭时的I_U1)，在系统启动后，通过Q4关闭电压监视芯片的供电，将系统启动后该部分电流消耗降低到VCC/R1+VCC/(R2+R3)。
如图3所示，其为本发明的具有散射通信和低功耗电压监视功能的无线携能通信系统的第一实施例的电路原理图。本实施例的一种具有散射通信和低功耗电压监视功能的无线携能通信系统，包含：
射频开关K1，射频开关K1的第一开关端(上端)接地；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；
第一P型MOS管Q1，第一P型MOS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；
第一N型MOS管Q2，第一N型MOS管Q2的D极连接匹配整流电路的信号输出端，G极连接第一P型MOS管Q1的G极，S极通过第二下拉电阻R2接地；
储能器件C2，一端连接第一P型MOS管Q1的D极，另一端接地，以存储从第一P型MOS管Q1传输过来的能量，从而使得第一P型MOS管Q1向储能器件C2充电，储能器件C2上的电压Vin逐渐升高，直至达到最大电压值，即第一P型MOS管Q1传输过来的电压值；存储器件C2包括但是不限于电容、超级电容等；
第二P型MOS管Q3，第二P型MOS管Q3的S极连接储能器件C2的所述连接第一P型MOS管Q1的D极的一端；
第三P型MOS管Q4，第三P型MOS管Q4的S极连接储能器件C2的所述连接第一P型MOS管Q1的D极的一端，G极连接第二P型MOS管Q3的D极；
电压监视芯片U1，具有输入端子VIN以及指示输出端子
电压监视芯片U1的输入端子连接第三P型MOS管Q4的S极，指示输出端子
用于电压监视芯片U1正常工作时，在所述输入端子VIN输入的电压小于电压阈值Vth时，输出低电平，否则输出高电平，该高电平的电压等于输入端子VIN上的输入电压，在第三P型MOS管Q4导通时，该高电平即为储能器件C2的电压Vin；电压监视芯片U1可以采用TPS3831、TPS3839、R3114、R3116；
上拉电阻R3，上拉电阻R3的一端连接储能器件C2的所述连接第一P型MOS管Q1的D极的一端，另一端连接第二P型MOS管Q3的G极；
第二N型MOS管Q5，第二N型MOS管Q5的G极连接电压监视芯片U1的指示输出端子
D极连接第二P型MOS管Q3的G极，S极接地；
第三N型MOS管Q6，第三N型MOS管Q6的G极连接第二P型MOS管Q3的D极，D极连接第二P型MOS管Q3的G极，S极接地；
系统负载芯片U2，电源输入端子VCC连接第二P型MOS管Q3的D极；系统负载芯片U2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
连接至第一P型MOS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；系统负载芯片U2的电源输入端子VCC通过电容C3接地，以进行电源滤波；
在能量收集阶段ER(Energy Receive)时，系统负载芯片U2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，从而控制第一P型MOS管Q1导通，第一N型MOS管Q2断开，射频开关K1断开，进行能量收集；在信息接收阶段IR(Information Receive)时，系统负载芯片U2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，从而控制第一N型MOS管Q2导通，第一P型MOS管Q1断开，射频开关K1继续断开，第一N型MOS管Q2的S极输出信号；信息发送阶段时，系统负载芯片U2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TX的匹配与短路状态，实现天线TX对发射的电磁波进行吸收与发射调制，以完成信息的发送。
系统负载芯片U2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，所述第一N型MOS管Q2的S极输出信号具体是指：A/D输入引脚连接第一N型MOS管Q2的S极进行采样，获取信号强度指示(Received Signal Strength Indication,RSSI)；和/或，第一N型MOS管Q2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。
信息发送阶段时：
系统负载芯片U2正常工作，高/低电平输出端
输出低电平，从而控制第一P型MOS管Q1导通，第一N型MOS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，系统负载芯片U2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，从而控制第一N型MOS管Q2导通，第一P型MOS管Q1断开，射频开关K1继续断开。
电压监视部分的具体工作原理为：
(1)第三P型MOS管Q4的G极初始状态默认低电平，因此储能器件C2上的电压Vin满足：当0≤Vin＜Vth_pmos3时，第三P型MOS管Q4断开，当Vth_pmos3≤Vin＜Vth时，第三P型MOS管Q4导通，指示输出端子
输出为低电平，此时第二N型MOS管Q5断开，第二P型MOS管Q3在上拉电阻R3作用下断开，因此所述电源输入端子VCC的输入电压为0V，系统负载芯片U2没有供电，未能启动；其中，Vth_pmos3表示第三P型MOS管Q4的开启阈值电压；
(2)当Vin≥Vth时，所述指示输出端子
的输出变为高电平，第二N型MOS管Q5导通，然后第二P型MOS管Q3导通，因此电源输入端子VCC的输入电压为Vin，此时一方面系统负载芯片U2得以启动，另一方面第二N型MOS管Q5的G极电压升至Vin，第三N型MOS管Q6导通；第三P型MOS管Q4的G极电压升至Vin，第三P型MOS管Q4断开；
(3)第三P型MOS管Q4断开后电压监视芯片U1掉电，所述指示输出端子
的输出又变低电平，第二N型MOS管Q5断开，但第三N型MOS管Q6仍然导通，故能够维持系统负载芯片U2的启动运行状态。
在本实施例中，电压监视部分(Vin至C3之间的电路)启动后的电流消耗(不计算系统负载芯片以及其他系统负载)主要为：电压监视芯片U1所消耗的电流I_U1以及VCC/R3。在本实施例中，上拉电阻R3越大，消耗的功率越小，因此在本实施例中上拉电阻R3应当取较大的值，本实施例中，R3取值10MΩ。
本实施例的电路特点是：电源阀门位于VCC供电端，确保了系统地平面的完整性；在系统启动后，利用VCC使Q6导通，从而维持Q3导通，持续为系统供电，且启动和维持无需系统负载中的数字逻辑控制；采用电压监视器集成芯片，因此集成度高、电路组成简单、成本低，而且将该部分运行功耗由uA级降到了最低150nA(电压监视芯片的功耗，即电压监视芯片未被关闭时的I_U1)，在系统启动后，通过Q4关闭电压监视电路的供电，将系统启动后该部分电流消耗降低到VCC/R3。
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。
4、通过电压监视部分对控制电路进行监视，能够为系统负载芯片一直提供正常的工作电源。
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 (10)
1.一种具有散射通信和低功耗电压监视功能的无线携能通信系统，其特征在于，包含：
射频开关(K1)，射频开关(K1)的第一开关端接地；
第一匹配电感(L1)，第一匹配电感(L1)的第一端连接射频天线(TX)，第一匹配电感(L1)的第二端连接射频开关(K1)的第二开关端；
等效寄生电容(C1)，等效寄生电容(C1)一端接地，另一端连接射频开关(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与第二匹配电感(L2)的第二端连接；
第一P型MOS管(Q1)，第一P型MOS管(Q1)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(R1)接地；
第一N型MOS管(Q2)，第一N型MOS管(Q2)的D极连接匹配整流电路的信号输出端，G极连接第一P型MOS管(Q1)的G极，S极通过第二下拉电阻(R2)接地；
储能器件(C2)，一端连接第一P型MOS管(Q1)的D极，另一端接地，以存储从第一P型MOS管(Q1)传输过来的能量；
第二P型MOS管(Q3)，第二P型MOS管(Q3)的S极连接储能器件(C2)的所述连接第一P型MOS管(Q1)的D极的一端；
第三P型MOS管(Q4)，第三P型MOS管(Q4)的S极连接储能器件(C2)的所述连接第一P型MOS管(Q1)的D极的一端，G极连接第二P型MOS管(Q3)的D极；
电压监视芯片(U1)，具有输入端子(VIN)以及指示输出端子
电压监视芯片(U1)的输入端子连接第三P型MOS管(Q4)的D极，指示输出端子
用于电压监视芯片(U1)正常工作时，在所述输入端子(VIN)输入的电压小于电压阈值Vth时，输出低电平，否则输出高电平，该高电平的电压等于输入端子(VIN)上的输入电压，在第三P型MOS管(Q4)导通时，该高电平即为储能器件(C2)的电压Vin；
上拉电阻(R3)，上拉电阻(R3)的一端连接储能器件(C2)的所述连接第一P型MOS管(Q1)的D极的一端，另一端连接第二P型MOS管(Q3)的G极；
第二N型MOS管(Q5)，N型MOS管的D极连接第二P型MOS管(Q3)的G极，S极接地；
第一分压限流电阻(R4)，串联在电压监视芯片(U1)的指示输出端子
和第二N型MOS管(Q5)的G极之间；
第二分压限流电阻(R5)，串联在第三P型MOS管(Q4)的G极和第二N型MOS管(Q5)的G极之间；
系统负载芯片(U2)，电源输入端子(VCC)连接第二P型MOS管(Q3)的D极；系统负载芯片(U2)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
连接至第一P型MOS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；
在能量收集阶段时，系统负载芯片(U2)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，从而控制第一P型MOS管(Q1)导通，第一N型MOS管(Q2)断开，射频开关(K1)断开；在信息接收阶段时，系统负载芯片(U2)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，从而控制第一N型MOS管(Q2)导通，第一P型MOS管(Q1)断开，射频开关(K1)继续断开，第一N型MOS管(Q2)的S极输出信号；信息发送阶段时，系统负载芯片(U2)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(TX)的匹配与短路状态，实现天线(TX)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所述的无线携能通信系统，其特征在于，电压监视芯片(U1)为TPS3831、TPS3839、R3114或R3116。
3.根据权利要求1所述的无线携能通信系统，其特征在于，所述系统负载芯片(U2)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，所述第一N型MOS管(Q2)的S极输出信号具体是指：A/D输入引脚连接第一N型MOS管(Q2)的S极进行采样，获取信号强度指示；和/或，第一N型MOS管(Q2)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所述的无线携能通信系统，其特征在于，信息发送阶段时：
系统负载芯片(U2)正常工作，高/低电平输出端
输出低电平，从而控制第一P型MOS管导通，第一N型MOS管(Q2)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，
系统负载芯片(U2)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，从而控制第一N型MOS管(Q2)导通，第一P型MOS管(Q1)断开，射频开关继续断开。
5.根据权利要求1所述的无线携能通信系统，其特征在于，
(1)第三P型MOS管(Q4)的G极初始状态默认低电平，因此储能器件(C2)上的电压Vin满足：当0≤Vin＜Vth_pmos3时，第三P型MOS管(Q4)断开，当Vth_pmos3≤Vin＜Vth时，第三P型MOS管(Q4)导通，指示输出端子
输出为低电平，此时第二N型MOS管(Q5)断开，第二P型MOS管(Q3)在上拉电阻(R3)作用下断开，因此所述电源输入端子(VCC)的输入电压为0V，系统负载芯片(U2)没有供电，未能启动；其中，Vth_pmos3表示第三P型MOS管(Q4)的开启阈值电压；
(2)当Vin≥Vth时，所述指示输出端子
的输出变为高电平，此时第二P型MOS管(Q3)的G极电压升至
R4、R5以及
依次为第一分压限流电阻(R4)的大小、第二分压限流电阻(R5)的大小以及所述指示输出端子
输出的电压大小，且R4和R5被设置为满足：所述指示输出端子
的输出变为高电平时，R5*Vin/(R4+R5)超过第二N型MOS管(Q5)的最小导通电压；此时，第二N型MOS管(Q5)导通，然后第二P型MOS管(Q3)导通，系统负载芯片(U2)得以启动，第二N型MOS管(Q5)的G极和第三P型MOS管(Q4)的G极的电压升至Vin，第三P型MOS管(Q4)断开；
(3)第三P型MOS管(Q4)断开后电压监视芯片(U1)掉电，所述指示输出端子
的输出又变低电平，此时第二N型MOS管(Q5)的G极电压降至R4*Vin/(R4+R5)，且R4和R5被设置为满足：所述指示输出端子
输出变为低电平时，R4*Vin/(R4+R5)超过第二N型MOS管(Q5)的最小导通电压；此时，第二N型MOS管(Q5)仍然导通，故能够维持系统负载芯片(U2)的启动运行状态。
6.根据权利要求5所述的无线携能通信系统，其特征在于，R4＝R5＝10MΩ。
7.一种具有散射通信和低功耗电压监视功能的无线携能通信系统，其特征在于，包含：
射频开关(K1)，射频开关(K1)的第一开关端接地；
第一匹配电感(L1)，第一匹配电感(L1)的第一端连接射频天线(TX)，第一匹配电感(L1)的第二端连接射频开关(K1)的第二开关端；
等效寄生电容(C1)，等效寄生电容(C1)一端接地，另一端连接射频开关(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与第二匹配电感(L2)的第二端连接；
第一P型MOS管(Q1)，第一P型MOS管(Q1)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(R1)接地；
第一N型MOS管(Q2)，第一N型MOS管(Q2)的D极连接匹配整流电路的信号输出端，G极连接第一P型MOS管(Q1)的G极，S极通过第二下拉电阻(R2)接地；
储能器件(C2)，一端连接第一P型MOS管(Q1)的D极，另一端接地，以存储从第一P型MOS管(Q1)传输过来的能量；
第二P型MOS管(Q3)，第二P型MOS管(Q3)的S极连接储能器件(C2)的所述连接第一P型MOS管(Q1)的D极的一端；
第三P型MOS管(Q4)，第三P型MOS管(Q4)的S极连接储能器件(C2)的所述连接第一P型MOS管(Q1)的D极的一端，G极连接第二P型MOS管(Q3)的D极；
电压监视芯片(U1)，具有输入端子(VIN)以及指示输出端子
电压监视芯片(U1)的输入端子连接第三P型MOS管(Q4)的D极，指示输出端子
用于电压监视芯片(U1)正常工作时，在所述输入端子(VIN)输入的电压小于电压阈值Vth时，输出低电平，否则输出高电平，该高电平的电压等于输入端子(VIN)上的输入电压，在第三P型MOS管(Q4)导通时，该高电平即为储能器件(C2)的电压Vin；
上拉电阻(R3)，上拉电阻(R3)的一端连接储能器件(C2)的所述连接第一P型MOS管(Q1)的D极的一端，另一端连接第二P型MOS管(Q3)的G极；
第二N型MOS管(Q5)，第二N型MOS管(Q5)的G极连接电压监视芯片(U1)的指示输出端子
D极连接第二P型MOS管(Q3)的G极，S极接地；
第三N型MOS管(Q6)，第三N型MOS管(Q6)的G极连接第二P型MOS管(Q3)的D极，D极连接第二P型MOS管(Q3)的G极，S极接地；
系统负载芯片(U2)，电源输入端子(VCC)连接第二P型MOS管(Q3)的D极；系统负载芯片(U2)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
连接至第一P型MOS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；
在能量收集阶段时，系统负载芯片(U2)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，从而控制第一P型MOS管(Q1)导通，第一N型MOS管(Q2)断开，射频开关(K1)断开；在信息接收阶段时，系统负载芯片(U2)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，从而控制第一N型MOS管(Q2)导通，第一P型MOS管(Q1)断开，射频开关(K1)继续断开，第一N型MOS管(Q2)的S极输出信号；信息发送阶段时，系统负载芯片(U2)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(TX)的匹配与短路状态，实现天线(TX)对发射的电磁波进行吸收与发射调制，以完成信息的发送。
8.根据权利要求7所述的无线携能通信系统，其特征在于，所述系统负载芯片(U2)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，所述第一N型MOS管(Q2)的S极输出信号具体是指：A/D输入引脚连接第一N型MOS管(Q2)的S极进行采样，获取信号强度指示；和/或，第一N型MOS管(Q2)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。
9.根据权利要求7所述的无线携能通信系统，其特征在于，信息发送阶段时：
系统负载芯片(U2)正常工作，高/低电平输出端
输出低电平，从而控制第一P型MOS管(Q1)导通，第一N型MOS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，
系统负载芯片(U2)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，从而控制第一N型MOS管(Q2)导通，第一P型MOS管(Q1)断开，射频开关(K1)继续断开。
10.根据权利要求7所述的无线携能通信系统，其特征在于，
(1)第三P型MOS管(Q4)的G极初始状态默认低电平，因此储能器件(C2)上的电压Vin满足：当0≤Vin＜Vth_pmos3时，第三P型MOS管(Q4)断开，当Vth_pmos3≤Vin＜Vth时，第三P型MOS管(Q4)导通，指示输出端子
输出为低电平，此时第二N型MOS管(Q5)断开，第二P型MOS管(Q3)在上拉电阻(R3)作用下断开，因此所述电源输入端子(VCC)的输入电压为0V，系统负载芯片(U2)没有供电，未能启动；其中，Vth_pmos3表示第三P型MOS管(Q4)的开启阈值电压；
(2)当Vin≥Vth时，所述指示输出端子
的输出变为高电平，第二N型MOS管(Q5)导通，然后第二P型MOS管(Q3)导通，因此所述电源输入端子(VCC)的输入电压为Vin，此时一方面系统负载芯片(U2)得以启动，另一方面第二N型MOS管(Q5)的G极电压升至Vin，第三N型MOS管(Q6)导通；第三P型MOS管(Q4)的G极电压升至Vin，第三P型MOS管(Q4)断开；
(3)第三P型MOS管(Q4)断开后电压监视芯片(U1)掉电，所述指示输出端子
的输出又变低电平，第二N型MOS管(Q5)断开，但第三N型MOS管(Q6)仍然导通，故能够维持系统负载芯片(U2)的启动运行状态。
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