CN114142621A - 一种基于射频能量的低功耗传感器无线供电系统 - Google Patents

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CN114142621A CN202111268345.1A CN202111268345A CN114142621A CN 114142621 A CN114142621 A CN 114142621A CN 202111268345 A CN202111268345 A CN 202111268345A CN 114142621 A CN114142621 A CN 114142621A
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任明
陈荣发
刘阳
余家赫
邢亚东
李琛
董明
田昊洋
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Xian Jiaotong University
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Xian Jiaotong University
State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd
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Abstract

本公开揭示了一种基于射频能量的低功耗传感器无线供电系统，包括：接收单元，用于获取环境中915MHz频段的射频能量，并将该射频能量转换为与915MHz频段对应的射频信号；RF‑DC全波倍压整流电路，用于对所述射频信号整流为直流电压信号；阻抗匹配网络，用于匹配接收单元的输出阻抗和RF‑DC全波倍压整流电路的输入阻抗；能量管理单元，用于存储并管理直流电压信号以供低功耗传感器使用。

Description

一种基于射频能量的低功耗传感器无线供电系统
技术领域
本公开属于传感器无线供电领域，具体涉及一种基于射频能量的低功耗传感器无线供电系统。
背景技术
无论是电力行业、医疗行业还是各类大型设备制造业，传感器都是状态监测中至关重要的设备。各行业中传感器数量庞大、布局随意而分散，如何对其进行可靠供电，是一直存在的问题。随着微电子、无线通信技术和传感技术的大力发展，各类传感器设备逐渐向超低功耗、小型化、低成本方向发展。但是现有的低功耗传感器供电方式主要为电池供电，但是由于各类传感器的安装环境不尽相同，更换电池不仅不易操作、成本昂贵，而且必然对人身安全带来一定的隐患及负面的影响。
目前已有的无线供电技术，普遍采用接触式的线圈无线供电方式，存在着传输距离短、功率衰减快、无法同时对多个设备进行供电的缺点，因此难以将现有的无线供电方式应用于数量庞大、布局分散的传感器供电中。
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基于射频能量的低功耗传感器无线供电系统，能够将射频能量输入不同的低功耗传感器中，保证了低功耗传感器供电的可靠性。
为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：
一种基于射频能量的低功耗传感器无线供电系统，包括：
接收单元，用于获取环境中915MHz频段的射频能量，并将该射频能量转换为与915MHz频段对应的射频信号；
RF-DC全波倍压整流电路，用于对所述射频信号整流为直流电压信号；
阻抗匹配网络，用于匹配接收单元的输出阻抗和RF-DC全波倍压整流电路的输入阻抗；
能量管理单元，用于存储并管理直流电压信号以供低功耗传感器使用。
优选的，所述接收单元包括若干2×2微带贴片天线阵列。
优选的，每个2×2微带贴片天线阵列包括1个介质基片，介质基片上设置有4个天线辐射贴片，每个天线辐射贴片包括1个大凹槽和4个小凹槽，大凹槽内设置有辐射贴片。
优选的，每个天线辐射贴片的长度为110.3mm，宽度135mm。
优选的，所述大凹槽的长度为36.2mm，宽度30mm，所述每个小凹槽的长度36.2mm，宽度20mm。
优选的，所述辐射贴片的宽度为10.14mm。
优选的，所述RF-DC全波倍压整流电路包括2个对称的半波四阶倍压整流电路。
优选的，所述每个半波四阶倍压整流电路包括8个电容和8个二极管。
优选的，所述阻抗匹配网络包括第一电感和第二电感。
优选的，所述能量管理单元包括储能电容、DC-DC电荷泵和无源电压监测模块；其中，
所述储能电容用于存储直流电压信号；
所述DC-DC电荷泵用于将直流电压信号升压以满足低功耗传感器正常用电需求；
所述无源电压监测模块用于监测储能模块中直流电压信号的大小并判断储能电容中直流电压信号是否满足低功耗传感器的用电需求。
与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：本公开所述系统集成度较高，兼容性较强，能够将射频能量接入不同的低功耗传感器中，不能能够保证低功耗传感器供电的可靠性，而且能够大幅降低低功耗传感器的供电成本和维护成本。
附图说明
图1是本公开一个实施例提供的一种基于射频能量的低功耗传感器无线供电系统的结构示意图；
图2是本公开另一个实施例提供的2×2微带贴片天线阵列示意图；
图3是本公开另一个实施例提供的RF-DC全波倍压整流电路拓扑图；
图4是本公开另一个实施例提供的RF-DC倍压整流电路阻抗匹配网络示意图；
附图中的标记说明如下：
1、接收单元；2、阻抗匹配网络；3、RF-DC全波倍压整流电路；4、能量管理单元；5、一级能量存储模块；6、发送指令使得开关；7、无源电压监测模块；8、DC-DC电荷泵；9、二级能量存储装置；10、低功耗传感器。
具体实施方式
下面将参照附图图1至图4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公开的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本公开的范围。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，本公开提供一种基于射频能量的低功耗传感器无线供电系统，包括：
接收单元1，用于获取环境中915MHz频段的射频能量，并将该射频能量转换为与915MHz频段对应的射频信号；
RF-DC全波倍压整流电路3，用于对所述射频信号整流为直流电压信号；
阻抗匹配网络2，用于匹配接收单元的输出阻抗和RF-DC全波倍压整流电路的输入阻抗；
能量管理单元4，用于存储并管理直流电压信号以供低功耗传感器使用。
上述实施例构成了本公开的完整技术方案，本公开所述方案能够将所接收的较弱且不稳定的射频信号转换为稳定的直流电压信号，并且能够进行存储，当所存储的电能能够满足低功耗传感器的用电需求时，对电能升压处理后即可提供给低功耗传感器。本公开方案系统集成度较高，兼容性较强，可将射频能量收集并接入不同的低功耗传感器中，在保证低功耗传感器供电可靠性的前提下，也大幅降低了低功耗传感器的供电成本和维护成本。
另一个实施例中，所述接收单元包括若干2×2微带贴片天线阵列。
本实施例中，如图2所示，每个2×2微带贴片天线阵列包括1个介质基片1-1，介质基片上设置有4个天线辐射贴片1-2，每个天线辐射贴片1-2包括1个大凹槽1-3和4个小凹槽1-5，大凹槽1-3内设置有辐射贴片1-4，每个大凹槽内的辐射贴片从凹槽内向外延伸并在介质基片1-1中央连接。其中，介质基片采用聚四氟乙烯材料，其介电常数为2.2，介质损耗因数为0.0008。每个天线辐射贴片的长度为110.3mm，宽度135mm，大凹槽的长度为36.2mm，宽度为30mm，小凹槽的长度为36.2mm，宽度为20mm，辐射贴片的宽度为10.14mm。
上述天线阵列的中心频率为915MHz，特征阻抗为50Ω，采用50Ω同轴馈电方式对天线阵列进行馈电，且采用背馈和辐射元开槽的方式实现对辐射元进行馈电，组阵后其针对915MHz的射频信号的空间定向锁频角可达120°，天线增益可达13.5dB。
另一个实施例中，如图3所示，所述RF-DC全波倍压整流电路包括对称设置的第一半波四阶倍压整流电路和第二半波四阶倍压整流电路。
本实施例中，第一半波四阶倍压整流电路和第二半波四阶倍压整流电路的电路组成相同，以第一半波四阶倍压整流电路为例，其具体包括射频信号输入端3-1，射频信号输入端3-1连接第一级电容3-2的一侧，第一级电容3-2的另一侧通过二极管3-3和3-4连接电容3-5；输入端3-1还连接第二级电容3-6的一侧，第二级电容3-6与第一级电容3-2并联，第二级电容3-6的另一侧通过二极管3-7和3-8连接电容3-9；输入端3-1还连接第三级电容3-10的一侧，第三级电容3-10与第二级电容3-6并联，第三级电容3-10的另一侧通过二极管3-11和3-12连接电容3-13；输入端3-1还连接第四级电容3-14的一侧，第四级电容3-14与第三级电容3-10并联，第四级电容3-14的另一侧通过二极管3-15和3-16连接电容3-17。在该拓扑电路中，射频信号输入端3-1采用SMA接口，所有二极管均选用肖特基二极管，所有电容均选用murata公司的高频电阻电容，电容值为1μF。
另一个实施例中，所述阻抗匹配网络包括第一电感和第二电感。
本实施例中，如图4所示，所述阻抗匹配网络中，第一电感2-2的一端连接微带贴片天线的输出阻抗2-1，另一端分别连接第二电感2-3的一端和RF-DC倍压整流电路的输入阻抗2-4，第二电感2-3的另一端接地。其中，所述微带贴片天线的输出阻抗2-1为50Ω，第一电感2-2为52.7nH，第二电感2-3为51nH，RF-DC倍压整流电路的输入阻抗2-4为12-150jΩ。
另一个实施例中，所述能量管理单元包括储能模块、DC-DC电荷泵和无源电压监测模块；其中，
所述储能模块用于存储直流电压信号；
所述DC-DC电荷泵用于将直流电压信号升压以满足低功耗传感器正常用电需求；
所述无源电压监测模块用于监测储能模块中直流电压信号的大小并判断储能电容中直流电压信号是否满足低功耗传感器的用电需求。
本实施例中，接收单元1捕捉到环境中的射频信号后，经过阻抗匹配网络2后到达RF-DC全波倍压整流电路3，被整流为稳定的500mV以上的直流电压信号，直流电压信号通过一级能量存储模块5进行存储，当无源电压监测模块7判定一级能量存储模块5中存储的能量足够驱动低功耗传感器运行时，发送指令使得开关6导通，一级能量存储模块5中存储的电能通过DC-DC电荷泵8将电压进一步升高至可供低功耗传感器10正常工作的稳定直流电压并供给低功耗传感器，同时，二级能量存储装置9为电压精度要求较高的低功耗传感器提供稳定电压的作用，以保证传感器能够正常的工作。
另外，需要说明的是，本实施例中的能量存储装置采用超级电容器，电容值为50mF，DC-DC电荷泵采用DC-DC开关稳压器，型号为德州仪器的TPS61201，无源电压监测装置采用同相电压迟滞比较器，型号为美信公司的MAX9064，其工作电流最大仅为700nA，当供电电压在1.0～5.0V时，即可正常工作。
以上应用了具体实施例对本公开进行了阐述，只是用于帮助理解本公开，并不用于限制本公开。任何熟悉该技术的技术人员在本公开所揭示的技术范围内的局部修改或替换，都应涵盖在本公开的范围之内。

Claims (10)

1.一种基于射频能量的低功耗传感器无线供电系统，包括：
接收单元，用于获取环境中915MHz频段的射频能量，并将该射频能量转换为与915MHz频段对应的射频信号；
RF-DC全波倍压整流电路，用于对所述射频信号整流为直流电压信号；
阻抗匹配网络，用于匹配接收单元的输出阻抗和RF-DC全波倍压整流电路的输入阻抗；
能量管理单元，用于存储并管理直流电压信号以供低功耗传感器使用。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，优选的，所述接收单元包括若干2×2微带贴片天线阵列。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，每个2×2微带贴片天线阵列包括1个介质基片，介质基片上设置有4个天线辐射贴片，每个天线辐射贴片包括1个大凹槽和4个小凹槽，大凹槽内设置有辐射贴片。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，每个天线辐射贴片的长度为110.3mm，宽度135mm。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述大凹槽的长度为36.2mm，宽度30mm，所述每个小凹槽的长度36.2mm，宽度20mm。
6.根据权利要求3所述的系统，其中，所述辐射贴片的宽度为10.14mm。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述RF-DC全波倍压整流电路包括2个对称的半波四阶倍压整流电路。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述每个半波四阶倍压整流电路包括8个电容和8个二极管。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阻抗匹配网络包括第一电感和第二电感。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述能量管理单元包括储能电容、DC-DC电荷泵和无源电压监测模块；其中，
所述储能电容用于存储直流电压信号；
所述DC-DC电荷泵用于将直流电压信号升压以满足低功耗传感器正常用电需求；
所述无源电压监测模块用于监测储能模块中直流电压信号的大小并判断储能电容中直流电压信号是否满足低功耗传感器的用电需求。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2024055532A1 (zh) * 2022-09-13 2024-03-21 深圳市每开创新科技有限公司 无源电子设备、微能源采集方法及储能方法

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