CN111181605B - 基于回收整流电路三次谐波的无线携能通信系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种基于回收整流电路三次谐波的无线携能通信系统，属于通信技术领域，该系统包括信号接收端，该信号接收端包括：定向耦合器、匹配电路、整流电路和负载；整流电路用于将射频电能转换为直流电能，并将在整流过程中产生的三次谐波通过第一匹配分支和第二匹配分支反射至定向耦合器；定向耦合器用于通过隔离端口输出基于直通端口接收到的反射信号和耦合端口接收到的反射信号得到的叠加信号；可以解决现有的时分复用、功分复用和频分复用方式所引起的问题；信号接收端无需将输入信号进行时域、频域或者功率分配，即可实现同时能量收集和信息采集的功能，并提高无线传感网络的能量转换效率。

Description

基于回收整流电路三次谐波的无线携能通信系统
技术领域
本申请涉及一种基于回收整流电路三次谐波的无线携能通信系统，属于通信技术领域。
背景技术
无线携能通信(Simultaneous Wireless Power and Information Transfer，SWIPT)是一种实现能量和信息并行传输的技术，即发射机与接收机交互信息的同时给接收机供能，保证可靠的通信质量并实现无线充电以减少接收机对电池容量的依赖。
传统常用的实现无线携能通信的方法有三种，第一种是采用时分复用(time-splitting，TS)的方式，即在接收端利用开关的状态划分不同的时隙进行能量传递和信息解调。但是，TS方式需要精准的时间同步和信息检测，以防信息被误划分于能量传递时隙。第二种是采用功分复用(power-splitting，PS)的方式，即将接收到的能量按照预设的比例系数分成两条链路，分别进行能量传递和信息解调。PS方式虽然可实现在同一个时隙中同时进行能量传递和信息解调，但携带信息的部分可能会被划分于能量收集，导致不可避免的信息丢失。第三种是采用频分复用(frequency-splitting，FS)的方式，即利用双频段分别进行能量传递和信息解调。然而两条链路相互独立，并不算真正的能量和信息同时传递。
发明内容
本申请提供了一种基于回收整流电路三次谐波的无线携能通信系统，可以解决现有的时分复用、功分复用和频分复用方式所引起的问题。本申请提供如下技术方案：
提供了一种基于回收整流电路三次谐波的无线携能通信系统，所述系统包括信号接收端，所述信号接收端包括：
定向耦合器，包括输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口；
匹配电路，包括与所述直通端口相连的第一匹配分支和与所述耦合端口相连的第二匹配分支；
整流电路，与所述第一匹配分支和第二匹配分支相连；所述整流电路用于将射频电能转换为直流电能，并将在整流过程中产生的三次谐波通过所述第一匹配分支和所述第二匹配分支反射至所述定向耦合器；所述定向耦合器用于通过所述隔离端口输出基于所述直通端口接收到的反射信号和所述耦合端口接收到的反射信号得到的叠加信号；
负载，与所述整流电路相连。
可选地，所述整流电路包括与所述第一匹配分支相连的第一整流分支和与所述第二匹配分支相连的第二整流分支；所述第一整流分支的结构和所述第二整流分支的结构相同，且所述第一整流分支和所述第二整流分支包括二极管，所述第一整流分支中的二极管的安装方向与所述第二整流分支中的二极管的安装方向相反。
可选地，所述第一整流分支和第二整流分支还包括与所述二极管相连的电容。
可选地，所述整流电路工作在920MHz和1800MHz双频段。
可选地，所述第一匹配分支的结构和所述第二匹配分支的结构相同，所述第一匹配分支和所述第二匹配分支包括：至少一个贴片电感和至少一个贴片电容。
可选地，输入至所述输入端口的调制信号r(t)在一个码元周期Tsymbol内通过下述公式表示：
Figure BDA0002354729620000021
其中，kn,m表示对于第n个频率为fn的第m个码元的幅度；φn,m表示对于第n个频率为fn的第m个码元的相位；
所述调制信号经过所述定向耦合器耦合后，得到流入第一匹配分支的信号
Figure BDA0002354729620000022
和流入第二匹配分支的信号
Figure BDA0002354729620000023
两路信号b2(t)和b3(t)经过所述整流电路后通过泰勒级数展开，得到三次谐波信号，并反射回所述定向耦合器，所述三次谐波信号在所述定向耦合器的输入端口相互抵消，在所述隔离端口相互叠加。
可选地，所述隔离端口得到的输出信号的幅值信息与所述输入端口接收到的输入信号的幅值信息呈比例关系，所述隔离端口得到的输出信号的相位信息是所述输入端口接收到的输入信号的相位信息的三倍。
可选地，所述信号接收端以微带电路形式实现。
可选地，所述系统还包括信号发射端，所述信号发射端与所述信号接收端基于无线通信连接。
本申请的有益效果在于：基于回收整流电路三次谐波的无线携能通信系统中，信号接收端包括：定向耦合器包括输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口；匹配电路包括与直通端口相连的第一匹配分支和与耦合端口相连的第二匹配分支；整流电路与第一匹配分支和第二匹配分支相连；整流电路用于将射频电能转换为直流电能，并将在整流过程中产生的三次谐波通过第一匹配分支和第二匹配分支反射至定向耦合器；定向耦合器用于通过隔离端口输出基于直通端口接收到的反射信号和耦合端口接收到的反射信号得到的叠加信号；负载，与整流电路相连；可以解决现有的时分复用、功分复用和频分复用方式所引起的问题；信号接收端无需将输入信号进行时域、频域或者功率分配，即可实现同时能量收集和信息采集的功能，并提高无线传感网络的能量转换效率。
另外，信号接收端以微带电路形式实现，设计简单，体积小，重量轻，便于模数混合集成。
另外，对于任意符合上述一般公式的调制信号，均适配本申请提出的系统拓扑结构，携带相同信息量的三次谐波可直接用于解调。
另外，本申请可以解决传统方案中存在的信息丢失和低转换率的问题，利用整流电路产生的三次谐波进行信息采集解调、利用全部接收信号进行能量收集的系统，从而实现真正意义上的无线携能通信，既为减少数据丢失提供了保障，又能保持高转换效率。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本申请一个实施例提供的基于回收整流电路三次谐波的无线携能通信系统的结构示意图；
图2是本申请一个实施例提供的匹配电路12和整流电路13的结构示意图；
图3是本申请一个实施例提供的信号波形示意图图；
图4是本申请一个实施例提供的在920MHz和1800MHz双频段下，整流电路的功率转换效率(PCE)与不同输入功率的关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本申请的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。
图1是本申请一个实施例提供的基于回收整流电路三次谐波的无线携能通信系统的结构示意图，如图1所示，该系统至少包括信号接收端1和信号发射端2，信号接收端1与该信号发射端2基于无线通信连接。其中，信号接收端1包括定向耦合器11、匹配电路12、整流电路13和负载14。
定向耦合器11，包括输入端口P1、直通端口P2、耦合端口P3和隔离端口P4。
可选地，定向耦合器11为3dB定向耦合器。
匹配电路12，包括与直通端口P2相连的第一匹配分支121和与耦合端口P3相连的第二匹配分支122。
整流电路13，与第一匹配分支121和第二匹配分支122相连；整流电路13用于将射频电能转换为直流电能，并将在整流过程中产生的三次谐波通过第一匹配分支121和第二匹配分支122反射至定向耦合器11；定向耦合器11用于通过隔离端口P4输出基于直通端口P2接收到的反射信号和耦合端口P3接收到的反射信号得到的叠加信号。
负载14，与整流电路13相连。
本实施例中，通过将接收到的射频RF能量经过整流电路进行整流转换为直流，全部基频接收信号用于能量收集；整流过程中产生的三次谐波被反射、经过定向耦合器P2和P3端口分别由P4和P1流出，通过P2和P3的三次谐波在P1处相互抵消，在P4处相互叠加并保留，这样，能量收集端和信息解调端相互独立，不会造成信号相互干扰或能量损耗，可以有效地获取信息并维持较高能量转换效率。
另外，系统无需对接收信号进行时域、频域或功率分配，就可达到较高射频—直流(RF-DC)能量转换效率，并实现信息的有效传输和解调。
可选地，整流电路13包括与第一匹配分支121相连的第一整流分支131和与第二匹配分支122相连的第二整流分支132。第一整流分支131的结构和第二整流分支132的结构相同，且第一整流分支131和第二整流分支132包括二极管，第一整流分支131中的二极管的安装方向与第二整流分支132中的二极管的安装方向相反。
第一整流分支131和第二整流分支132还包括与二极管相连的电容。
可选地，整流电路13工作在920MHz和1800MHz双频段。
匹配电路12中，第一匹配分支121的结构和第二匹配分支122的结构相同，第一匹配分支121和第二匹配分支122包括：至少一个贴片电感和至少一个贴片电容。
参考图2所示的匹配电路12和整流电路13的结构示意图。对于整流电路13，第一整流分支131和第二整流分支132均包括两个电容(第一整流分支131中的C1和C2，第二整流分支132中的C3和C4)和两个二极管(第一整流分支131中的二极管组21和第二整流分支132中的二极管组22)。其中，二极管组21(包括二极管D1和D2)的连接方式与二极管组22(包括二极管D3和D4)的连接方式反向。对于匹配电路12，第一匹配分支121的结构和第二匹配分支122包括6.8nH贴片电感La、16nH贴片电感Lb、43nH贴片电感Lc、18nH贴片电感Ld、36pF贴片电容Ca、和9.9pF贴片电容Cb。
可选地，二极管D1、D2、D3和D4为SMS7630二极管，当然，在其它实施例中，二极管D1、D2、D3和D4的型号也可以是其它型号，本申请不对二极管D1、D2、D3和D4的型号作限定。
在一个使用场景中，定向耦合器、匹配电路和整流电路工作在920MHz的，其中定向耦合器的P2和P3端口与匹配电路相连，P1端口为输入端，输入接收调制信号，P4端口为隔离端，输出三次谐波；在另一个使用场景中，整流电路工作在920MHz和1800MHz双频段，用于测量1800MHz下整流电路的RF-DC转换效率(PCE)。
其中，信号发射端2用于通过WPT系统向信号接收端3发送调制信号r(t)。
示意性地，调制信号r(t)在一个码元周期Tsymbol内通过下述一般公式表示：
Figure BDA0002354729620000061
其中，kn,m表示对于第n个频率为fn的第m个码元的幅度；φn,m表示对于第n个频率为fn的第m个码元的相位；
调制信号经过定向耦合器耦合后，得到流入第一匹配分支的信号
Figure BDA0002354729620000062
和流入第二匹配分支的信号
Figure BDA0002354729620000063
两路信号b2(t)和b3(t)经过整流电路后通过泰勒级数展开，得到三次谐波信号，并反射回定向耦合器，三次谐波信号在定向耦合器的输入端口相互抵消，在隔离端口相互叠加。
示意性地，整流电路13接收到b2(t)和b3(t)后，通过泰勒级数展开的公式表示为：
V＝p0+p1b3+p2b3 2+p3b3 3+p4b3 4+p5b3 5+...
其中，p0、p2、p3、p4和p5是泰勒系数。
三次谐波仅可由b3 3、b3 5等奇数次项产生，由于b3 5及以上的项产生的三次谐波幅值远小于b3 3项所产生的三次谐波幅值，因此，本实施例中以只考虑b3 3项为例进行说明。取
Figure BDA0002354729620000076
为例，由整流电路整流后，反射回耦合器P2和P3端口的三次谐波a3’(t)和a2’(t)可表示为：
Figure BDA0002354729620000071
Figure BDA0002354729620000072
经过耦合器耦合至P1和P4端口的输出信号b1’(t)和b4’(t)可表示为：
Figure BDA0002354729620000073
Figure BDA0002354729620000074
因此，对于一般公式的调制信号r(t)，经过系统后在端口P1和P4的输出信号为：
b1′(t)＝0
Figure BDA0002354729620000075
根据上述公式可知，隔离端口P4得到的输出信号的幅值信息与输入端口接收到的输入信号(调制信号r(t))的幅值信息呈比例关系，隔离端口P4得到的输出信号的相位信息是输入端口接收到的输入信号(调制信号r(t))的相位信息的三倍。
本实施例中，信号接收端1以微带电路形式实现，设计简单，体积小，重量轻，便于模数混合集成。
另外，对于任意符合上述一般公式的调制信号，均适配本申请提出的系统拓扑结构，携带相同信息量的三次谐波可直接用于解调。
另外，本申请提供的信号接收端无需将输入信号进行时域、频域或者功率分配，即可实现同时能量收集和信息采集的功能，并提高无线传感网络的能量转换效率。
下面，对本申请提供的基于回收整流电路三次谐波的无线携能通信系统的执行步骤进行介绍。
步骤1，信号发射端2基于WPT系统向信号接收端1发送调制信号r(t)；
步骤2，信号接收端1接收调制信号r(t)；并将该调制信号r(t)输入定向耦合器11；
对于工作在频率f下的定向耦合器11，其S参数(散射参数)为：
Figure BDA0002354729620000081
因此，流入P2和P3的信号分别为：
Figure BDA0002354729620000082
Figure BDA0002354729620000083
步骤3，入定向耦合器11的直通端口P2和耦合端口P3分别流入整流电路13的第一整流分支131和第二整流分支132；
b2(t)和b3(t)流入整流电路进行整流，整流电路如图2所示，第一整流分支131和第二整流分支132的电路结构相同，均由两个贴片电容和两个二极管组成，区别在于两支路二极管方向相反。通过图2所示的连接方式，第一整流分支131将提供负载正电压V+，第二整流分支132将提供负载负电压V-，正电压V+和负电压V-等值，符号相反，将提供给负载2V+的电压。同时，整流产生的三次谐波将被反射至定向耦合器，在频率3f下，其S参数为：
Figure BDA0002354729620000084
被反射回P2和P3端口的三次谐波可表示为：
Figure BDA0002354729620000091
Figure BDA0002354729620000092
因此，推论出经过系统后在端口P1和P4的输出信号的一般形式为：
b1′(t)＝0
Figure BDA0002354729620000093
如图3所示，以调制信号为进制相移键控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)为例进行说明。在30ns中，对于传输基带信号a波形“00101001100101”，示波器在P4所捕获的三次谐波如图4中的b波形，在10ns内可观测到相同信息量，图4中的c波形展示解调后的输出波形。其中，收到的信息与传输的一致，因此，三次谐波可以传输全部的基带信号。
如图4所示，在920MHz和1800MHz频率下，整流电路的功率转换效率(PCE)与不同输入功率的关系图。其中，最大PCE分别在输入功率达到-5dBm和-4dBm处，此时测试的最大PCE分别约为66％和55％，在误差允许范围内，可以得出该整流电路13性能较好。
综上所述，本申请提供的基于回收整流电路三次谐波的无线携能通信系统中，信号接收端包括：定向耦合器包括输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口；匹配电路包括与直通端口相连的第一匹配分支和与耦合端口相连的第二匹配分支；整流电路与第一匹配分支和第二匹配分支相连；整流电路用于将射频电能转换为直流电能，并将在整流过程中产生的三次谐波通过第一匹配分支和第二匹配分支反射至定向耦合器；定向耦合器用于通过隔离端口输出基于直通端口接收到的反射信号和耦合端口接收到的反射信号得到的叠加信号；负载，与整流电路相连；可以解决现有的时分复用、功分复用和频分复用方式所引起的问题；信号接收端无需将输入信号进行时域、频域或者功率分配，即可实现同时能量收集和信息采集的功能，并提高无线传感网络的能量转换效率。
另外，信号接收端以微带电路形式实现，设计简单，体积小，重量轻，便于模数混合集成。
另外，对于任意符合上述一般公式的调制信号，均适配本申请提出的系统拓扑结构，携带相同信息量的三次谐波可直接用于解调。
另外，本申请可以解决传统方案中存在的信息丢失和低转换率的问题，利用整流电路产生的三次谐波进行信息采集解调、利用全部接收信号进行能量收集的系统，从而实现真正意义上的无线携能通信，既为减少数据丢失提供了保障，又能保持高转换效率。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于回收整流电路三次谐波的无线携能通信系统，其特征在于，所述系统包括信号接收端，所述信号接收端用于实现同时能量收集和信息采集的功能；所述信号接收端包括：
定向耦合器，包括输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口，所述隔离端口得到的输出信号的幅值信息与所述输入端口接收到的输入信号的幅值信息呈比例关系，所述隔离端口得到的输出信号的相位信息是所述输入端口接收到的输入信号的相位信息的三倍；三次谐波直接用于解调以实现信息传输和解调；
匹配电路，包括与所述直通端口相连的第一匹配分支和与所述耦合端口相连的第二匹配分支；
整流电路，与所述第一匹配分支和第二匹配分支相连；所述整流电路用于将射频电能转换为直流电能，并将在整流过程中产生的三次谐波通过所述第一匹配分支和所述第二匹配分支反射至所述定向耦合器；所述定向耦合器用于通过所述隔离端口输出基于所述直通端口接收到的反射信号和所述耦合端口接收到的反射信号得到的叠加信号；
负载，与所述整流电路相连。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述整流电路包括与所述第一匹配分支相连的第一整流分支和与所述第二匹配分支相连的第二整流分支；所述第一整流分支的结构和所述第二整流分支的结构相同，且所述第一整流分支和所述第二整流分支包括二极管，所述第一整流分支中的二极管的安装方向与所述第二整流分支中的二极管的安装方向相反。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一整流分支和第二整流分支还包括与所述二极管相连的电容。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述整流电路工作在920MHz和1800MHz双频段。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一匹配分支的结构和所述第二匹配分支的结构相同，所述第一匹配分支和所述第二匹配分支包括：至少一个贴片电感和至少一个贴片电容。
6.根据权利要求1至5任一所述的系统，其特征在于，输入至所述输入端口的调制信号r(t)在一个码元周期Tsymbol内通过下述公式表示：
Figure FDA0003184231300000021
其中，kn,m表示对于第n个频率为fn的第m个码元的幅度；φn,m表示对于第n个频率为fn的第m个码元的相位；
所述调制信号经过所述定向耦合器耦合后，得到流入第一匹配分支的信号
Figure FDA0003184231300000022
和流入第二匹配分支的信号
Figure FDA0003184231300000023
两路信号b2(t)和b3(t)经过所述整流电路后通过泰勒级数展开，得到三次谐波信号，并反射回所述定向耦合器，所述三次谐波信号在所述定向耦合器的输入端口相互抵消，在所述隔离端口相互叠加。
7.根据权利要求1至5任一所述的系统，其特征在于，所述信号接收端以微带电路形式实现。
8.根据权利要求1至5任一所述的系统，其特征在于，所述系统还包括信号发射端，所述信号发射端与所述信号接收端基于无线通信连接。
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