CN111628576A - 一种射频能量收集系统 - Google Patents

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徐广昊
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Abstract

本公开揭示了一种射频能量收集系统，包括：接收单元、阻抗匹配单元、升压整流单元和功率管理单元；其中，所述接收单元用于获取环境中915MHz频段的射频能量，并将所述射频能量转换为与915MHz频段相对应的射频信号；所述阻抗匹配单元与所述接收单元连接，用于匹配所述接收单元和所述升压整流单元的输出、输入阻抗；所述升压整流单元与所述阻抗匹配单元连接，用于将接收的射频信号整流为直流信号并输出；所述功率管理单元与所述升压整流单元连接，用于将所述升压整流单元输出的直流信号进行存储和转换。本公开通过设计天线阵列，能够提高接收增益；通过设计无源的功率管理模式，提高系统输出电压精度与系统的获取效率。

Description

一种射频能量收集系统
技术领域
本公开属于射频能量收集与储存系统领域，具体涉及一种射频能量收集系统。
背景技术
随着社会的发展，用于结构健康监测的分布式无线传感器节点、嵌入式和可植入式的医疗等尺寸较小的设备逐渐增多，这些设备大多由电池供电。但是电池的存在大大增加了设备尺寸，电池的使用寿命也限制了设备的工作周期。随着微电子、无线通信技术的大力发展，我们身边充满了各种各样的无线传感器，周围环境充斥着丰富的射频信号。收集环境中的射频能量并将其作为电源，对传感器的小型化和电力设备工作周期的延长具有重要意义。高功率的密度器件，低功率的集成电路，高效率整流天线和创新电路架构技术的进步推动了无线射频能量收集技术的发展。
一般的射频能量收集系统包括：接收天线、匹配网络、RF-DC转换电路、功率管理单元模块。系统通过天线采集到射频信号，信号为高频交流信号，经过倍压整流电路将信号转换为直流信号，但是信号能量非常微弱，需要功率管理单元对能量进行处理以供设备使用。但是目前受制于天线与转换电路，并且后端功率管理单元也存在一定的功耗，其转换效率不高。其中，天线主要采用体积较小微带天线，其增益与转换效率比较低，不适用于射频能量收集。匹配网络不能够很好的实现接收天线与RF-DC转换电路之间的匹配。针对目前射频能量接受系统中存在的接收天线增益低、RF-DC转换电路效率低下、传统的能量管理模式需引入微控制器及AD转换模块以及因其本身存在一定功耗导致不适用于微能量收集的射频能量收集系统的问题，急需研发一种射频能量收集系统。
发明内容
针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种射频能量收集系统，通过设计回波损耗、端口阻抗特性以及电压驻波比均满足设计需求的天线阵列，提高了接收天线增益；通过设计阻抗匹配网络，提高了倍压整流电路的转换效率；通过设计利用电压迟滞器与DC-DC变换器的无源电压监测，减少了传统功率管理模式中的不必要损耗。
为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：
一种射频能量收集系统，包括：接收单元、阻抗匹配单元、升压整流单元和功率管理单元；其中，
所述接收单元用于获取环境中915MHz频段的射频能量，并将所述射频能量转换为与915MHz频段相对应的射频信号；
所述阻抗匹配单元与所述接收单元连接，用于匹配所述接收单元和所述升压整流单元的输出、输入阻抗；
所述升压整流单元与所述阻抗匹配单元连接，用于将接收的射频信号整流为直流信号并输出；
所述功率管理单元与所述升压整流单元连接，用于将所述升压整流单元输出的直流信号进行存储和转换。
优选的，所述接收单元包括天线阵列和馈电网络，所述天线阵列通过射频连接器座接入所述馈电网络。
优选的，所述阻抗匹配单元包括阻抗匹配网络。
优选的，所述升压整流单元包括倍压整流电路。
优选的，所述倍压整流电路采用四阶倍压整流电路。
优选的，所述功率管理单元包括：
超级电容，用于存储整流单元输出的直流信号；
迟滞电压比较器，用于检测超级电容所存储的直流信号；
DC-DC转换器，用于将超级电容存储的直流信号转换为稳定的直流电压。
本公开还提供一种射频能量收集方法，包括如下步骤：
S100：通过接收单元获取环境中915MHz频段的射频能量，并将所述射频能量转换为与915MHz频段相对应的射频信号；
S200：通过阻抗匹配单元对所述接收单元和所述升压整流单元进行阻抗匹配；
S300：通过升压整流单元将所述射频信号整流为直流信号并输出；
S400：通过功率管理单元对直流信号进行存储并转换为稳定直流电压。
优选的，所述接收单元包括天线阵列和馈电网络。
优选的，所述升压整流单元包括倍压整流电路。
优选的，所述功率管理单元包括迟滞电压比较器、DC-DC转换器和超级电容。
与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：
1、采用微带天线并且通过设计天线阵列，提高了接收单元的增益，缩小了系统体积，省去了以往收集系统中单个天线所需的谐振升压电路；
2、通过设计无源的功率管理模式，利用整流电路输出电压对系统输出电压进行监测，提高系统的输出电压精度与系统的获取效率，使得输出电压可以直接驱动负载设备，解决了以往收集系统单阶储存模式下电压波动大，或者需要额外的电池模块来进行电压监测而产生的体积大、耗能高等一系列问题。
附图说明
图1是本公开一个实施例提供的一种射频能量收集系统的结构示意图；
图2是本公开一个实施例提供的天线阵列与馈电网络的连接示意图；
图3是本公开一个实施例提供的阻抗匹配网络的电路框图；
图4是本公开一个实施例提供的四阶倍压整流电路的电路框图；
图5是本公开一个实施例提供的功率管理单元的电路框图。
具体实施方式
下面将参照附图1至图5详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。
一个实施例中，如图1所示，本公开提供一种射频能量收集系统，包括：接收单元、阻抗匹配单元、升压整流单元和功率管理单元；其中，
所述接收单元用于获取环境中915MHz频段的射频能量，并将所述射频能量转换为与915MHz频段相对应的射频信号；
所述阻抗匹配单元与所述接收单元连接，用于匹配所述接收单元和所述升压整流单元的输出、输入阻抗；
所述升压整流单元与所述阻抗匹配单元连接，用于将接收的射频信号整流为直流信号并输出；
所述功率管理单元与所述升压整流单元连接，用于将所述升压整流单元输出的直流信号进行存储和转换。
本实施例中，通过设计天线阵列，能够提高接收增益，缩小了系统体积，省去以往收集系统中单个天线所需的谐振升压电路；通过设计无源的功率管理模式，利用整流电路输出电压对系统输出电压进行监测，提高系统的输出电压精度与系统的获取效率，使得输出电压可以直接驱动负载设备，能够解决现有收集系统单阶储存模式下电压波动大、或者需要额外的电池模块来进行电压监测而产生的体积大、耗能高的问题。
经实测，本实施例在辐射源功率为3W时，射频能量收集系统输出功率可达60-100mW，输出电压为3.3V，可以驱动小型传感器，如米家智能温湿度传感器。
另一个实施例中，所述接收单元包括天线阵列和馈电网络，所述天线阵列通过射频连接器座接入所述馈电网络。
本实施例中，天线阵列设置为2×2，分别记为Term1、Term2、Term3和Term4，分别在每个天线阵元中挖槽接入50Ω的馈电线，即通过50Ω的四分之一波长的微带线进行连接，然后连接射频连接器座，具体连接方式如图2所示：微带线L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9、L10以及直角型微带线Com1、Com2、Com3、Com4长度和宽度均一致，长59.7mm，宽4.92mm；微带线L12、L13长15mm，宽4.92mm；T字型微带线Tee1、Tee2，三端宽度为4.92mm，长度为12.5mm。如图2所示，天线阵列Term1的输出端连接微带线L1的一端，L1的另一端与直角微带线Com1的一端相连，Com1的另一端与L3的一端连接，L3的另一端与微带线Tee1长边的一端连接，Tee1长边的另一端与L4的一端连接，L4的另一端与Com2的一端连接，Com2的另一端与L2的一端连接，L2的另一端与Term2连接；Tee1的短边端口与L5的一端连接，L5的另一端与L12的一端连接，L12的另一端分别与射频连接座及L13的一端连接，L13的另一端与L6的一端连接，L6的另一端连接Tee2的短边一端；Tee2长边的一端与L9的一端连接，L9的另一端与Com4的一端连接，Com4的另一端与L7的一端连接，L7的另一端与Term3连接；Tee2长边的另一端与L10的一端连接，L10的另一端与Com3的一端连接，Com3的另一端与L8的一端连接，L8的另一端与Term4连接。
通过在天线阵元中挖槽，可以缩短馈电线的长度，进而减小天线阵元的尺寸，同时，通过馈电网络的连接能够实现各天线阵元到馈电点的电流幅值和相位相同，实现更加优异的辐射性能，提高接收天线增益。
另一个实施例中，所述阻抗匹配单元包括阻抗匹配网络。
本实施例中，如图3所示，所述阻抗匹配网络包括电感L1和电感L2，电感L1的一端连接至接收单元，用于接收射频信号，另一端与电感L2的一端连接构成输出端，用于输出升压后的射频信号，电感L2的另一端接地。在无线电通讯中，天线收集能量后需要通过电缆传输，为了减少驻波，接收单元要与电缆进行阻抗匹配，而电缆的特征阻抗在50Ω时趋肤效应是最小的，因此，天线输出阻抗一般设计为50Ω。倍压整流电路的输入为接收单元的输出，也需要与前端单元进行阻抗匹配，因此本实施例通过改变电感L1和L2的值，使倍压整流电路的输入阻抗匹配至50Q，若不匹配，在信号传输过程中会存在驻波，产生回波损耗，从而降低倍压整流电路的转换效率。
另一个实施例中，所述升压整流单元包括倍压整流电路。
倍压整流电路阶数的增加会导致输出电压的增加，但是其电路造成的损耗也会增加，综合环境射频能量的功率密度、整流器件的阈值电压、反向击穿电压等，本实施例选用四阶倍压整流电路能够解决现有技术中倍压整流电路转换效率低下的问题，如图4所示，四阶倍压整流电路包括二极管D1-D8和电容C1-C8，C1的一端与阻抗匹配网络的输出端连接，另一端分别与D1的阴极和D2的阳极连接，D1的阳极接地，D2的阴极连接C2的一端并输出一级升压电压V1，C2的另一端接地；D3的阳极与D2的阴极连接，阴极分别与D4的阳极和C3连接，D4的阴极与C4的一端连接并输出二级升压电压V2，C4的另一端接地，C3的另一端与与阻抗匹配网络的输出端连接；D5的阳极与D4的阴极连接，D5的阴极分别与C5的一端和D6的阳极连接，C5的另一端与阻抗匹配网络的输出端连接，D6的阴极分别与D7的阳极和C6的一端连接并输出三级升压电压V3，D7的阴极分别与C7的一端和D8的阳极连接，C7的另一端与阻抗匹配网络的输出端连接，D8的阴极与C8的一端连接并输出四级升压电压V4，C8的另一端接地。本实施例通过对四阶倍压整流电路进行谐波平衡分析，并通过阻抗匹配网络将输入阻抗匹配至50Ω，能够大大提高倍压整流电路的转换效率，若不匹配阻抗至50Ω，则电路回波损耗较大，转换效率会大大下降。
另一个实施例中，所述功率管理单元包括迟滞电压比较器、DC-DC转换器和超级电容。
本实施例中，示例性的，如图5所示，一级储能电容C1的输出电压一方面与比较器MAX9064连接，一方面与DC-DC变换器连接。其中与比较器MAX9064连接部分为：C1输出电压一方面与C1连接，C1另一端接地，另一方面连接比较器MAX9064的VCC端，同时并联连接R1，R1另一端一方面连接R2，R2另一端接地；另一方面连接MAX9064的IN端，同时IN端另一方面与R3连接，R3另一端与OUT端连接，OUT端另一方面接DC-DC变换器的EN端与PS端。输出电压另一方面与变换器TPS61200VIN端连接，并且并联连接L，L另一端连接变换器L端。转换后的电压由VOUT端输出，一方面连接FB端，另一方面与二级储能电容C2连接。
上述实施例所述的功率管理单元，以超级电容作为储能装置，电压迟滞比较器用于检测电容上的电压，当储存能量达到一定值时，DC-DC开关转换器将电压转换为设定的电压储存在二级储能电容上供用电设备用。当一级电容放电至电压低电压阈值后，电压迟滞比较器停止运行，DC-DC转换器停止工作，一级储能电容再次进入充电模式。
相比现有的功率管理单元，本实施例设计的功率管理单元采用获取-存储-使用的模式，不需要外加电源，使用整流电路输出电压即可进行电压监测，无需ARM等微控制器以及额外的电池模块，减少成本与功耗，进一步缩小射频能量收集系统体积。而且相较于单阶储存模式，即只有超级电容器C1，本实施例设计的功率管理单元通过对电压进行监测，之后通过DC-DC转换器转换电压，相较于传统的功率管理单元不仅提高转换效率，而且输出电压精度更高，波动更小。
另一个实施例中，本公开还提供一种射频能量收集方法，包括如下步骤：
S100：通过接收单元获取环境中915MHz频段的射频能量，并将所述射频能量转换为与915MHz频段相对应的射频信号；
S200：通过阻抗匹配单元对所述接收单元和所述升压整流单元进行阻抗匹配；
S300：通过升压整流单元将所述射频信号整流为直流信号并输出；
S400：通过功率管理单元对直流信号进行存储并转换为稳定直流电压。
以上对本公开进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本公开的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本公开的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本公开的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本公开的限制。

Claims (10)

1.一种射频能量收集系统，包括：接收单元、阻抗匹配单元、升压整流单元和功率管理单元；其中，
所述接收单元用于获取环境中915MHz频段的射频能量，并将所述射频能量转换为与915MHz频段相对应的射频信号；
所述阻抗匹配单元与所述接收单元连接，用于匹配所述接收单元和所述升压整流单元的输出、输入阻抗；
所述升压整流单元与所述阻抗匹配单元连接，用于将接收的射频信号整流为直流信号并输出；
所述功率管理单元与所述升压整流单元连接，用于将所述升压整流单元输出的直流信号进行存储和转换。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，优选的，所述接收单元包括天线阵列和馈电网络，所述天线阵列通过射频连接器座接入所述馈电网络。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阻抗匹配单元包括阻抗匹配网络。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述升压整流单元包括倍压整流电路。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述倍压整流电路采用四阶倍压整流电路。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述功率管理单元包括：
超级电容，用于存储整流单元输出的直流信号；
迟滞电压比较器，用于检测超级电容所存储的直流信号；
DC-DC转换器，用于将超级电容存储的直流信号转换为稳定的直流电压。
7.一种根据权利要求1所述的系统进行射频能量收集的方法，包括如下步骤：
S100：通过接收单元获取环境中915MHz频段的射频能量，并将所述射频能量转换为与915MHz频段相对应的射频信号；
S200：通过阻抗匹配单元对所述接收单元和所述升压整流单元进行阻抗匹配；
S300：通过升压整流单元将所述射频信号整流为直流信号并输出；
S400：通过功率管理单元对直流信号进行存储并转换为稳定直流电压。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述接收单元包括天线阵列和馈电网络。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述升压整流单元包括倍压整流电路。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述功率管理单元包括迟滞电压比较器、DC-DC转换器和超级电容。
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