CN114467241A - 无线功率传输 - Google Patents

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CN114467241A CN201980101109.5A CN201980101109A CN114467241A CN 114467241 A CN114467241 A CN 114467241A CN 201980101109 A CN201980101109 A CN 201980101109A CN 114467241 A CN114467241 A CN 114467241A
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Abstract

一种射频功率恢复单元，包括：多个整流天线，每个整流天线包括天线和被配置为通过天线接收到的能量来充电的电容器；多个开关，每个开关被配置为将多个整流天线中的相应一个整流天线选择性地连接到能量存储设备，使得相应电容器在相应开关打开时通过天线接收到的能量充电，并且使得相应电容器在相应开关闭合时向能量存储设备放电；以及控制单元，被配置为以预定顺序选择性地打开和闭合开关。

Description

无线功率传输
技术领域
这涉及无线功率传输，并且具体地涉及一种射频功率恢复单元，以及这种单元的操作方法。
背景技术
射频(RF)能量收集能够将接收到的RF信号转换为电能。RF能量收集的一种用途是允许无线设备从RF信号获得能量，有可能去除对大电池的需要，并因此减小设备的尺寸和重量。这将增加诸如薄型纸张、柔性显示器、基于隐形眼镜的增强现实和智能灰尘等概念的可行性。
RF功率接收器的主要元件是将RF功率转换为DC功率的整流天线。然而，单个整流天线可能无法为预期负载收集足够的能量。为了解决这个问题，可以使用多个整流天线(或具有多个整流天线元件的整流天线阵列)来实现RF功率接收器，以在相同频段内利用空间分集提取能量或使用不同频段提取能量。
多个整流天线可以串联或并联连接，以将它们收集的RF能量相加。由于RF功率不是均匀地分布在整流天线之间，因此由整流天线产生的输出电压可能彼此不同。在这种情况下，简单地将整流天线串联或并联连接可能会导致较差的RF到DC的效率。例如，将所有整流天线元件串联连接迫使整流天线共享相同的输出电流。这不允许它们都以它们各自的最大功率点和高输出阻抗来操作。另一方面，将所有整流天线并联连接可能意味着大多数整流天线停止整流，因为它们的整流器电路没有足够的正向压降来克服接通阈值电压。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种射频功率恢复单元，包括：
多个整流天线，每个所述整流天线包括天线和被配置为通过所述天线接收到的能量来充电的电容器；
多个开关，每个所述开关被配置为将所述多个整流天线中的相应一个整流天线选择性地连接到能量存储设备，使得相应电容器在相应开关打开时通过所述天线接收到的能量充电，并且使得相应电容器在相应开关闭合时向所述能量存储设备放电；以及
控制单元，被配置为以预定顺序选择性地打开和闭合开关。
预定顺序可以使得在任一时间仅一个开关闭合。
射频功率恢复单元可以用于与发送的射频信号一起使用，该射频信号在信号的每个周期的第一部分是开启的，并在信号的每个周期的第二部分是关闭的，并且预定顺序可以使得至少一个第一整流天线在每个周期的第一部分期间连接到能量存储设备，并且至少一个第二整流天线在每个周期的第二部分期间连接到能量存储设备。
射频功率恢复单元可以用于与发送的射频信号一起使用，该射频信号在信号的每个周期的第一部分是开启的，并在信号的每个周期的第二部分是关闭的，并且预定顺序的时间段可以小于每个周期的第一部分的持续时间。
射频功率恢复单元可以用于与发送的射频信号一起使用，该射频信号在信号的每个周期的第一部分是开启的，并在信号的每个周期的第二部分是关闭的，并且控制单元可以被配置为在每个周期的第二部分期间以预定顺序选择性地打开和闭合开关。
射频功率恢复单元可以用于与发送的射频信号一起使用，该射频信号在信号的每个周期的第一部分是开启的，并在信号的每个周期的第二部分是关闭的，并且控制单元可以被配置为在每个周期的第一部分期间以预定顺序选择性地打开和闭合开关。
根据本发明的另一方面，提供了一种射频功率恢复单元的操作方法，其中，该射频功率恢复单元包括：
多个整流天线，每个所述整流天线包括天线和被配置为通过所述天线接收到的能量来充电的电容器；以及
多个开关，每个所述开关被配置为将所述多个整流天线中的相应一个整流天线选择性地连接到能量存储设备，使得相应电容器在相应开关打开时通过所述天线接收到的能量充电，并且使得相应电容器在相应开关闭合时向所述能量存储设备放电；
所述方法包括以预定顺序选择性地打开和闭合所述开关。
预定顺序可以使得在任一时间仅一个开关闭合。
该方法可以用于与发送的射频信号一起使用，该射频信号在信号的每个周期的第一部分是开启的，并在信号的每个周期的第二部分是关闭的，并且预定顺序可以使得至少一个第一整流天线在每个周期的第一部分期间连接到能量存储设备，并且至少一个第二整流天线在每个周期的第二部分期间连接到能量存储设备。
该方法可以用于与发送的射频信号一起使用，该射频信号在信号的每个周期的第一部分是开启的，并在信号的每个周期的第二部分是关闭的，并且预定顺序的时间段可以小于每个周期的第一部分的持续时间。
该方法可以用于与发送的射频信号一起使用，该射频信号在信号的每个周期的第一部分是开启的，并在信号的每个周期的第二部分是关闭的，并且该方法可以包括在每个周期的第二部分期间以预定顺序选择性地打开和闭合开关。
该方法可以用于与发送的射频信号一起使用，该射频信号在信号的每个周期的第一部分是开启的，并在信号的每个周期的第二部分是关闭的，并且该方法可以包括在每个周期的第一部分期间以预定顺序选择性地打开和闭合开关。
因此，实施例使用开关的网络来连接RF功率接收器中的多个整流天线。控制单元生成控制信号以分别接通/关断开关。通过以适当的控制方案来接通/关断开关，可以提高RF收集系统的效率。在一些实施例中，开关是压控开关。
所公开的实施例可以提高RF功率传输系统的效率，同时还能够实现RF功率接收器的简单、低成本和尺寸紧凑的设计。
附图说明
图1示出了移动设备。
图2示出了在图1的移动设备中的功率恢复单元。
图3示出了图2的功率恢复单元的细节。
图4示出了功率恢复单元的操作。
图5更详细地示出了功率恢复单元的操作。
图6示出了在备选实施例中的功率恢复单元的操作。
图7示出了功率恢复单元的构造的细节。
具体实施方式
图1示出了无线设备10。仅以说明的方式，在该实施例中，无线设备采用智能手机的形式，但将理解的是，本文的公开可以被同等地应用于任何其他无线或移动设备。例如，无线设备可以是无线传感器或另一个物联网设备。
无线设备10包括天线20，被配置为接收和发送射频的无线信号。天线20连接到收发器电路24，该收发器电路24生成适合于传输的信号，并处理接收到的信号。收发器电路24连接到数据处理和控制单元28，该数据处理和控制单元28包括处理器30和存储器32。存储器32可以存储用于控制处理器30的操作的操作数据和程序，处理器30控制无线设备10的功能。将理解的是，根据设备的预期功能，如需要，无线设备10还将包括诸如传感器或用户接口之类的其他部件，但是出于清楚的原因，这些其他部件没有在图1中示出。
另外，无线设备10包括功率恢复单元36。在所示实施例中，功率恢复单元36连接到天线20，该天线20以接收通信信号的目的被设置。在其他实施例中，功率恢复单元可以连接到一个或多个不同的天线。在无线设备是不具有通信功能并且不具有用于通信目的的天线的移动设备的实施例中，可以专门设置一个或多个天线用于连接到功率恢复单元36。
功率恢复单元36连接到例如可充电电池形式的能量存储单元40，该能量存储单元40可以或也可以不连接到另一个电源。能量存储单元40是收发器电路24、数据处理和控制单元28以及设备10的其他部件的电源。
在无线设备具有低功耗的情况下，设备所需的大部分或全部功率可以由功率恢复单元生成，并且因此设置具有相对较小的能量存储容量的电池形式的能量存储单元40可能就足够了，或者电池可以被备选的能量存储设备(例如超级电容器)替换。这减小了设备的尺寸和重量，使得可以在设备中包括薄而灵活的显示器，或者使非常小的便携式设备成为可能。
图2更详细地示出了功率恢复单元36的形式。
具体地，图2示出了多个整流天线46.1、...、46.N，每个整流天线连接到开关块50的相应的开关48.1、...、48.N，其中开关48.1、...、48.N均被控制块52控制。
当相应的开关闭合时，每个整流天线可以连接到功率管理单元54，为了向能量存储单元40提供功率并对其充电，该功率管理单元54进而连接到能量存储单元40，使得存储的能量可以用于为移动设备10的操作供电。
图3更详细地示出了整流天线46的结构。
具体地，图3示出了包括天线60的整流天线46，该天线60连接到滤波器和阻抗匹配电路62，滤波后的信号被传递到通常包括至少一个二极管的整流器64。整流器64的输出通过平滑电容器66连接到地，并且在这个说明中(忽略开关块50)，它还连接到功率管理单元54，该功率管理单元54如前所述连接到能量存储单元40，该能量存储单元40如前所述可以是可充电电池、超级电容器或任何合适的设备。如参考图2所描述的，功率管理单元54可以进一步调节输出电压，并对能量存储单元充电。
如图2所示，存在多个整流天线(或具有多个整流天线元件的整流天线阵列)46.1、…、46.N。多个整流天线的相应的天线例如可以被设计为接收来自不同方向的信号，使得功率恢复单元能够从那些不同的方向提取能量，即，在相同频段内利用空间分集。备选地，多个整流天线的相应的滤波器和阻抗匹配块中的滤波器可以设计为通过不同频段的信号，使得功率恢复单元能够从不同频段提取能量。还可能的是，不同的整流天线可以能够从不同的方向和不同的频段提取能量。
如上所述，图2示出了多个整流天线46.1、...、46.N，每个整流天线连接到开关块50的相应的开关48.1、...、48.N，其中每个开关48.1、...、48.N的打开和闭合被控制块52控制。控制单元可以用数字电路或模拟电路来实现。当开关闭合时，相应的整流天线可以连接到功率管理单元54，使得可以使用存储在该整流天线的电容器中的能量。
在本公开的实施例中，控制块52被配置为以预定顺序选择性地打开和闭合开关48.1、...、48.N。
具体地，在一些实施例中，控制块52可以被配置为确保在任一时间仅开关48.1、...、48.N的子集被接通。例如，在一些实施例中，在任一时间开关48.1、...、48.N中仅一个开关被接通，使得仅一个整流天线连接到PMU。开关可以按循环顺序接通和关断，并且该顺序可以是预定的。
然后，当一个整流天线连接到PMU并为能量存储单元40充电时，其他整流天线从PMU断开，但它们的整流器电路64仍然可以运行，并且它们的电容器66将被充电。当第一整流天线从PMU断开时，第二整流天线连接到PMU。第一整流天线的整流器电路64将继续操作，并且它的电容器66将被充电，同时第二整流天线的电容器66将放电，使得可以在第二整流天线没有连接到PMU时使用收集的能量。
在任一时间仅将一个整流天线连接到PMU避免了以下缺点：如果连接了多个整流天线，则其中一个整流天线生成的电压可能意味着另一个整流天线中的整流器所需的正向电压未达到，从而阻止了该整流天线操作。因此，在任一时间仅将一个整流天线连接到PMU意味着从所有整流天线收集的RF能量可以被整流并馈送到PMU。这可以提高RF功率恢复单元的RF到DC的转换效率。
图4示出了图2中所示的功率恢复单元用于从专用能量源恢复能量的实施例，该专用能量源生成并发送用于RF功率传输的RF信号。
具体地，图4示出了功率发射器80生成经由天线82发送的RF信号的系统。具体地，在本实施例中，RF信号84的波形具有占空比(T)和活动信号持续时间(W)，其中W＜T。
如前所述，该示例中的功率恢复单元包括两个整流天线46.1、46.2，每个整流天线具有天线60.1、60.2、滤波器和阻抗匹配电路62.1、62.2、整流器64.1、64.2和平滑电容器66.1、66.2。整流天线通过开关块50(在控制单元52的控制下操作)的开关48.1、48.2连接到功率管理单元54，该功率管理单元54如前所述连接到能量存储单元40。
图4还示出了示例，其中，例如因为天线60.1、60.2不同地取向，并且由于设备的朝向，一个天线60.1接收到的信号86的幅度高于另一个天线60.2接收到的信号88的幅度。
图5示出了该实施例的操作。
具体地，图5示出了发送信号Vtx，该信号Vtx具有工作时间段T和活动信号持续时间W，其中W＜T。
图5还示出了由第一整流天线46.1的天线60.1接收到的信号Vrx_1和由第二整流天线46.2的天线60.2接收到的信号Vrx_2。
在该实施例中，开关块50中的开关的开关占空比被设置为与输入RF信号的占空比对齐。
如上所述，第一整流天线46.1接收到的信号比第二整流天线46.2接收到的信号强，并且这将意味着第一整流天线比第二整流天线生成更高的输出电压。如果两个整流天线并联连接，则在活动信号持续时间期间，由于来自第一整流天线的更高的输出电压，因为第二整流天线的正向压降将降低，第二整流天线将停止整流。其结果是，第二整流天线收集的RF能量不能被存储或使用。
因此，在本实施例中，在活动信号持续时间W期间，控制器接通开关48.1并关断开关48.2。第一整流天线46.1向PMU 54供应能量，而第二整流天线46.2对RF能量进行整流并将RF能量存储在其电容器66.2中。当发射器停止发送RF信号时(即，在时间段T--W期间)，控制器关断开关48.1，并接通开关48.2。PMU 54由第二整流天线46.2中的电容器66.2供电，而第一整流天线46.1对RF能量进行整流并将RF能量存储在其电容器66.1中。因此，与简单地将两个整流天线并联连接相比，本实施例可以附加地存储和使用第二整流天线收集的RF能量，意味着提高了整个RF功率传输系统的效率。
图6示出了在备选实施例中的功率恢复单元36的操作。
具体地，图6示出了具有三个整流天线的功率恢复单元的操作。整流天线生成相应的输出电压v1、v2和v3，并且整流天线通过相应的开关S1、S2和S3连接到功率管理单元。同样，发送信号具有工作时间段T和活动信号持续时间W，其中W＜T。
在图6所示的操作中，开关S1、S2和S3以预定顺序打开和闭合，使得在任一时间仅一个开关以顺序为S1、S2、S3、S1等接通。开关被控制为使得开关顺序的时间段(即，每个开关闭合一次所用的时间)小于或等于发送信号的活动时间段W。在本实施例中，开关在活动时间段W期间以预定顺序打开和闭合。而且，在本实施例中，开关在非活动时间段期间(T--W)期间以预定顺序打开和闭合。
在其他实施例中，可以仅在活动时间段或非活动时间段期间以预定顺序打开和闭合开关，其中例如开关中的特定一个开关在另一时间段期间导通。
因此，相应的电容器66上的电压v1、v2和v3中的每个电压在对应开关打开并且整流天线正在对电容器充电时增加，但是在对应开关闭合时减小，允许电容器放电到功率管理单元。系统被控制使得没有电容器达到饱和电压。
图7示出了如前所述的功率恢复单元的一种具体硬件实现。
具体地，在天线基板182上设置阵列的多个贴片天线元件180。天线元件180可以例如被配置为接收用于RF功率传输的经波束成形的毫米波信号。在天线基板182和PCB基板186之间设置接地平面184。然后可以在PCB基板186上设置开关网络和功率管理单元的部件188a、188b、188c、188d，具有到贴片天线元件180的通孔连接190a、190b、190c、190d。
因此描述了一种可以高效地接收和存储从RF信号恢复的功率的功率恢复单元。
应当注意，上述实施例说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计很多备选实施例而不脱离所附权利要求的范围。词语“包括”不排除存在除了权利要求中所列出的元素或步骤之外的元素或步骤，“一”或“一个”不排除多个，并且单个特征或其它单元可以完成权利要求中记载的若干单元的功能。权利要求中的任何附图标记不应理解为对其范围的限制。

Claims (12)

1.一种射频功率恢复单元，包括：
多个整流天线，每个所述整流天线包括天线和被配置为通过所述天线接收到的能量来充电的电容器；
多个开关，每个所述开关被配置为将所述多个整流天线中的相应一个整流天线选择性地连接到能量存储设备，使得相应电容器在相应开关打开时通过所述天线接收到的能量充电，并且使得相应电容器在相应开关闭合时向所述能量存储设备放电；以及
控制单元，被配置为以预定顺序选择性地打开和闭合开关。
2.根据权利要求1所述的射频功率恢复单元，其中，所述预定顺序使得在任一时间仅一个开关闭合。
3.根据权利要求1所述的射频功率恢复单元，用于与发送的射频信号一起使用，所述射频信号在信号的每个周期的第一部分是开启的，并在信号的每个周期的第二部分是关闭的，
其中，所述预定顺序使得至少一个第一整流天线在每个周期的所述第一部分期间连接到所述能量存储设备，并且至少一个第二整流天线在每个周期的所述第二部分期间连接到所述能量存储设备。
4.根据权利要求1或2所述的射频功率恢复单元，用于与发送的射频信号一起使用，所述射频信号在信号的每个周期的第一部分是开启的，并在信号的每个周期的第二部分是关闭的，
其中，所述预定顺序的时间段小于每个周期的所述第一部分的持续时间。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的射频功率恢复单元，用于与发送的射频信号一起使用，所述射频信号在信号的每个周期的第一部分是开启的，并在信号的每个周期的第二部分是关闭的，
其中，所述控制单元被配置为在每个周期的所述第二部分期间以预定顺序选择性地打开和闭合所述开关。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的射频功率恢复单元，用于与发送的射频信号一起使用，所述射频信号在信号的每个周期的第一部分是开启的，并在信号的每个周期的第二部分是关闭的，
其中，所述控制单元被配置为在每个周期的所述第一部分期间以预定顺序选择性地打开和闭合开关。
7.一种射频功率恢复单元的操作方法，其中，所述射频功率恢复单元包括：
多个整流天线，每个所述整流天线包括天线和被配置为通过所述天线接收到的能量来充电的电容器；以及
多个开关，每个所述开关被配置为将所述多个整流天线中的相应一个整流天线选择性地连接到能量存储设备，使得相应电容器在相应开关打开时通过所述天线接收到的能量充电，并且使得相应电容器在相应开关闭合时向所述能量存储设备放电；
所述方法包括以预定顺序选择性地打开和闭合所述开关。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述预定顺序使得在任一时间仅一个开关闭合。
9.根据权利要求7所述的方法，用于与发送的射频信号一起使用，所述射频信号在信号的每个周期的第一部分是开启的，并在信号的每个周期的第二部分是关闭的，
其中，所述预定顺序使得至少一个第一整流天线在每个周期的所述第一部分期间连接到所述能量存储设备，并且至少一个第二整流天线在每个周期的所述第二部分期间连接到所述能量存储设备。
10.根据权利要求7或8所述的方法，用于与发送的射频信号一起使用，所述射频信号在信号的每个周期的第一部分是开启的，并在信号的每个周期的第二部分是关闭的，
其中，所述预定顺序的时间段小于每个周期的所述第一部分的持续时间。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，用于与发送的射频信号一起使用，所述射频信号在信号的每个周期的第一部分是开启的，并在信号的每个周期的第二部分是关闭的，
其中，所述方法包括在每个周期的所述第二部分期间以预定顺序选择性地打开和闭合所述开关。
12.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，用于与发送的射频信号一起使用，所述射频信号在信号的每个周期的第一部分是开启的，并在信号的每个周期的第二部分是关闭的，
其中，所述方法包括在每个周期的所述第一部分期间以预定顺序选择性地打开和闭合所述开关。
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