CN117749211A - 一种带能量管理的射频电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带能量管理的射频电路，包括天线、射频通信模块、能量获取模块和升压储能模块；射频通信模块连接天线；能量获取模块连接天线，能量获取模块用于获取天线的射频能量，并将射频能量转换为电信号；升压储能模块连接能量获取模块和射频通信模块，升压储能模块用于对能量获取模块输出的电信号进行升压储能，并输出供电电压至射频通信模块。本发明提供的带能量管理的射频电路通过能量获取模块收集能量，通过升压储能模块为射频通信模块提供能量，提高了射频通信距离。

Description

一种带能量管理的射频电路

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种带能量管理的射频电路。

背景技术

射频通信作为一种无线通信技术应用广泛，通信距离是射频通信中的重要指标，与射频输出功率、接收灵敏度、抗干扰能力等有关。

为提高无源射频通信电路的通信距离，一般通过降低射频通信芯片的整体功耗实现，然而降低射频通信芯片的整体功耗涉及全部电路的协同优化升级，实现较为困难；采用半有源或电池辅助增强技术，确实可以让射频电路摆脱功耗受限，但是有电池的介入，往往和使用无源射频通信的初衷相违背，从而难有较大的推广前景

发明内容

本发明提供了一种带能量管理的射频电路，以解决现有技术中提高无源射频通信电路通信距离实现困难的问题。

根据本发明的一方面，提供了一种带能量管理的射频电路，包括天线、射频通信模块、能量获取模块和升压储能模块；

所述射频通信模块连接所述天线；

所述能量获取模块连接所述天线，所述能量获取模块用于获取所述天线的射频能量，并将所述射频能量转换为电信号；

所述升压储能模块连接所述能量获取模块和所述射频通信模块，所述升压储能模块用于对所述能量获取模块输出的电信号进行升压储能，并输出供电电压至所述射频通信模块。

可选的，所述射频通信模块集成在射频通信主芯片上。

可选的，所述升压储能模块包括升压单元、存储单元、判断单元和第一开关单元，所述升压单元连接所述能量获取模块，所述升压单元用于对所述能量获取模块输出的信号进行升压，所述存储单元连接所述升压单元，所述存储单元用于存储所述升压单元输出的电能，所述判断单元连接所述存储单元，所述第一开关单元的第一端连接所述存储单元，所述第一开关单元的第二端连接所述射频通信模块，所述第一开关单元的控制端连接所述判断单元，所述判断单元用于在所述存储单元的存储电压满足设定值时控制所述第一开关单元导通。

可选的，所述存储单元包括第一电容，所述第一电容的第一端连接所述升压单元，所述第一电容的第二端接地。

可选的，所述第一开关单元包括第一开关，所述第一开关的第一端连接所述第一开关单元的第一端，所述第一开关的第二端连接所述第一开关单元的第二端，所述第一开关的控制端连接所述第一开关单元的控制端。

可选的，所述带能量管理的射频电路还包括反相模块，所述射频通信模块和所述能量获取模块集成在射频通信主芯片上，所述射频通信主芯片包括第二开关单元，所述反相模块的第一端连接判断单元，所述反相模块的第二端连接所述第二开关单元的控制端，所述第二开关单元的第一端连接所述能量获取模块，所述第二开关单元的第二端连接所述射频通信模块，所述反相模块用于对所述判断单元输出的信号进行反相，所述第二开关单元用于根据所述反相模块输出的信号导通或关断。

可选的，所述反相模块包括第一反相器，所述第一反相器的第一端连接所述反相模块的第一端，所述第一反相器的第二端连接所述反相模块的第二端。

可选的，第二开关单元包括第二开关，所述第二开关的第一端连接所述第二开关单元的第一端，所述第二开关的第二端连接所述第二开关单元的第二端，所述第二开关的控制端连接所述第二开关单元的控制端。

可选的，所述判断单元连接所述射频通信模块，所述判断单元还用于根据所述射频通信模块输出的第一指示信号和所述存储单元的存储电压控制所述第一开关单元导通或关断。

可选的，所述判断单元连接所述能量获取模块，所述判断单元还用于根据所述能量获取模块输出的第二指示信号和所述存储单元的存储电压控制所述第一开关单元导通或关断。

本发明实施例的技术方案，提供了一种带能量管理的射频电路，包括天线、射频通信模块、能量获取模块和升压储能模块；射频通信模块连接天线；能量获取模块连接天线，能量获取模块用于获取天线的射频能量，并将射频能量转换为电信号；升压储能模块连接能量获取模块和射频通信模块，升压储能模块用于对能量获取模块输出的电信号进行升压储能，并输出供电电压至射频通信模块。本发明提供的带能量管理的射频电路通过能量获取模块收集能量，通过升压储能模块储存能量，并将储存的能量传输到射频通信模块，提高了射频通信距离，解决了现有技术中提高无源射频通信电路通信距离实现困难的问题。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种带能量管理的射频电路的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种带能量管理的射频电路的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种带能量管理的射频电路的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的另一种带能量管理的射频电路的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种带能量管理的射频电路的工作原理时序图；

图6是本发明实施例提供的另一种带能量管理的射频电路的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的另一种带能量管理的射频电路的工作原理时序图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为提高无源射频通信电路的通信距离，往往会从下面几个方面来进行电路的优化:1.降低芯片电路的整体功耗；2.改进上行及下行的通信能力(射频电路层面)；3.改进上行及下行的通信协议及编码方式(协议物理层和链路层)。由于在进入成熟应用后，通信协议和编码方式一般是比较固定的(有正式发布的通信协议规范)，所以3基本没有修改空间，1和2的优化往往同时进行，相比而言，射频电路层面的优化还比较容易实现(选择优化的电路结构等)，芯片电路的整体功耗的下降往往更困难，因为1涉及全部电路的协同优化升级，因此1往往成为芯片通信的性能提高的真正瓶颈。以目前的超高频(UHF)的射频身份识别芯片(RFID)为例，目前最好的芯片的读取灵敏度在-24dbm左右,对应的芯片内部的功耗在1uW级别。进一步降低功耗，对于模拟射频电路设计、存储器、数字基带电路设计都面临着很大的挑战，功耗和可靠性及协议覆盖性等之间会产生冲突。按照计算，如果想要把灵敏度提升3db(灵敏度为-27dbm)，对应的芯片内部的功耗需要降到500nw级别，目前设计电路水平还需要做非常大的努力才能有可能实现此目标。因此-30dbm以上的更高灵敏度实现更为困难。

其他的半有源或电池辅助增强技术，确实可以让射频电路摆脱功耗受限，而主要受限在上行及下行的通信能力(射频电路层面)上，但是有电池的介入，往往和使用无源RFID的初衷相违背(低成本，对电池厌恶的高危使用环境)，从而难有较大的推广前景。另外还有通过在射频整流输出端口上并联一个对地的大的储能电容的技术方案，理论上只可以提高灵敏度3db的通行性能，在成本可以接收的前提下，可以成为一种选择，但是也还是无法进一步将灵敏度提高到-30dbm以上。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种带能量管理的射频电路，图1是本发明实施例提供的一种带能量管理的射频电路的结构示意图，如图1所示，带能量管理的射频电路包括天线110、射频通信模块120、能量获取模块130和升压储能模块140；射频通信模块120连接天线110；能量获取模块130连接天线110，能量获取模块130用于获取天线110的射频能量，并将射频能量转换为电信号；升压储能模块140连接能量获取模块130和射频通信模块120，升压储能模块140用于对能量获取模块130输出的电信号进行升压储能，并输出供电电压至射频通信模块120。

本实施例中，天线110是在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件，无线电发射机输出的射频信号功率传输到发射天线，由发射天线以电磁波形式辐射出去，电磁波到达接收地点后，由接收天线接收并传输到无线电的接收机，实现了信息的传递。射频通信模块120是用于无线通讯和数据传输的模块，其中，射频是指频率范围在无线电波(3KHz-300GHz)以上的电磁波，射频通信模块120包括功率放大器、滤波器、集成电路等，射频通信模块120具有射频发射、接收、调制解调等功能。能量获取模块130是可以获取天线110的射频能量，并将获取的射频能量转化为电能的模块。升压储能模块140是进行升压和存储能量的模块，例如，升压储能模块140包括升压设备和储能设备。

本实施例中，射频电路通过天线110收发信号，射频通信模块120接收天线上的信号，对接收的信号进行调制解调、信号放大等处理并将处理后的信号传输到天线，能量获取模块130获取天线110的能量，能量获取模块130可以从极低的射频场里收集能量，将获取的能量转换为电信号，并将电信号传输到升压储能模块140，升压储能模块140对输入的电压信号进行升压并储能，升压储能模块140将存储能量传输到射频通信模块120，即为射频通信模块120提供供电电压，使得射频通信模块120的能量增加，可以提高射频通信的传输距离。例如，当射频通信模块120的射频整流电路获取的能量和电压不足以提供其他电路供能时，能量获取模块130及升压储能模块140，在一个比正常启动更长的启动时间内(时间长短依赖于极低场强的具体场强值)存储到足够的能量，并以一个足够高的输出电压提供给射频通信模块120，使射频通信模块120能够完成一次正常指令通信，当在经过一段时间的连续通信后，升压储能模块140的能量逐步下降，当下降到系统下电点后，升压储能模块140不再为射频通信模块120供能，升压储能模块140重新开始蓄能至储能电压足够让射频通信模块120上电并完成下一次通信。

本实施例技术方案提供了一种带能量管理的射频电路，包括天线、射频通信模块、能量获取模块和升压储能模块；射频通信模块连接天线；能量获取模块连接天线，能量获取模块用于获取天线的射频能量，并将射频能量转换为电信号；升压储能模块连接能量获取模块和射频通信模块，升压储能模块用于对能量获取模块输出的电信号进行升压储能，并输出供电电压至射频通信模块。本实施例提供的带能量管理的射频电路通过能量获取模块收集能量，通过升压储能模块储存能量，并将储存的能量传输到射频通信模块，提高了射频通信距离，解决了现有技术中提高无源射频通信电路通信距离实现困难的问题。

图2是本发明实施例提供的另一种带能量管理的射频电路的结构示意图，如图2所示，射频通信模块120集成在射频通信主芯片上。升压储能模块140包括升压单元、存储单元、判断单元和第一开关单元，升压单元连接能量获取模块130，升压单元用于对能量获取模块130输出的信号进行升压，存储单元连接升压单元，存储单元用于存储升压单元输出的电能，判断单元连接存储单元，第一开关单元的第一端连接存储单元，第一开关单元的第二端连接射频通信模块120，第一开关单元的控制端连接判断单元，判断单元用于在存储单元的存储电压满足设定值时控制第一开关单元导通。

本实施例中，射频通信主芯片是一种专门用于处理射频信号的集成电路芯片，射频通信模块120作为射频通信主芯片的内部结构集成在射频通信主芯片上。升压单元是对输入的电压进行升压的单元，存储单元是存储电能的单元，判断单元是判断存储单元中存储电能的单元，第一开关单元是将升压储能模块140和射频通信模块120接通或断开的单元。在上述实施例的基础上，升压单元对能量获取模块130输出的电压信号进行升压，存储单元根据升压单元升压后的电压进行电能存储，判断单元对存储单元存储的电能进行监控，当存储单元存储的电能满足设定值时，判断单元控制第一开关单元导通，存储单元将存储的电能传输到射频通信模块120。

具体的，存储单元包括第一电容C1，第一电容C1的第一端连接升压单元，第一电容C1的第二端接地。第一开关单元包括第一开关S1，第一开关S1的第一端连接第一开关单元的第一端，第一开关S1的第二端连接第一开关单元的第二端，第一开关S1的控制端连接第一开关单元的控制端。

本实施例中，第一电容C1作为储能电容，接收升压单元输出的电压信号并进行储能，判断单元对第一电容C1存储的电能进行判断，当第一电容C1存储的电能满足设定值时，判断单元控制第一开关S1导通，第一电容C1存储的电能通过第一开关S1传输到射频通信主芯片的电源接口VDD。

图3是本发明实施例提供的另一种带能量管理的射频电路的结构示意图，如图3所示，带能量管理的射频电路还包括反相模块310，射频通信模块120和能量获取模块130集成在射频通信主芯片上，射频通信主芯片包括第二开关单元，反相模块310的第一端连接判断单元，反相模块310的第二端连接第二开关单元的控制端，第二开关单元的第一端连接能量获取模块130，第二开关单元的第二端连接射频通信模块120，反相模块310用于对判断单元输出的信号进行反相，第二开关单元用于根据反相模块310输出的信号导通或关断。

本实施例中，反相模块310是可以对输入信号进行反相处理的模块，射频通信模块120和能量获取模块130作为射频通信主芯片的内部结构集成在射频通信主芯片上。能量获取模块130作为射频通信主芯片的内部结构被复用，同时输出电能给升压储能模块140，升压储能模块140通过第一电容C1储能，通过判断单元检测第一电容C1的存储电能，当达到设定值后，判断单元控制第一开关单元导通，第一电容C1的存储电能通过第一开关单元传输到射频通信主芯片的电源接口VDD。射频通信模块120和能量获取模块130之间通过第二开关单元相连，判断单元的输出端通过反相模块310连接到第二开关单元。第二开关单元和第一开关单元的控制端是反相的关系，也就是说，当第一电容C1的电压还未达到设定值时，第二开关单元导通，由于此时射频通信主芯片的电源端口VDD1的电压很低，从电源端口VDD1进入射频通信模块112的电流可以忽略，而第一开关单元是断开的状态，当第一电容C1的电压达到设定值时，第一开关单元导通，第二开关单元断开，第一电容C1给射频通信主芯片的电源接口VDD供能，此时，射频通信主芯片的电源端口VDD1由第二开关单元断开，避免了能量的泄露。

具体的，反相模块310包括第一反相器F1，第一反相器F1的第一端连接反相模块310的第一端，第一反相器F1的第二端连接反相模块310的第二端。第二开关单元包括第二开关S2，第二开关S2的第一端连接第二开关单元的第一端，第二开关S2的第二端连接第二开关单元的第二端，第二开关S2的控制端连接第二开关单元的控制端。

在上述实施例的基础上，第二开关S2和第一开关S1的控制端接入的信号是反相的关系。例如，当第一电容C1的电压还未达到设定值时，判断单元输出低电平信号，第一开关S1根据控制端的低电平信号关断，第一反相器F1将低电平信号进行反相，输出高电平信号，第二开关S2根据控制端的高电平信号导通，由于此时射频通信主芯片的电源端口VDD1的电压很低，从电源端口VDD1进入射频通信模块120的电流可以忽略。当第一电容C1的电压达到设定值时，判断单元输出高电平信号，第一开关S1导通，第二开关S2断开，第一电容C1给射频通信主芯片的电源接口VDD供能，此时，射频通信主芯片的电源端口VDD1由第二开关S2断开，避免了能量的泄露。

图4是本发明实施例提供的另一种带能量管理的射频电路的结构示意图，如图4所示，判断单元连接射频通信模块120，判断单元还用于根据射频通信模块120输出的第一指示信号和存储单元的存储电压控制第一开关单元导通或关断。

示例性的，当射频通信模块120的射频整流电路获取的能量和电压不足以提供其他电路供能时，射频通信模块120输出的第一指示信号，判断单元具有轮询启动功能，例如，判断单元每间隔0.2秒启动一次，判断单元的一个输入量是升压储能模块140的输出信号(即储能电压)，另一个输入量为射频通信模块120输出的第一指示信号。当升压储能模块140输出的电压达到设定值后，第一指示信号如果为低，判断单元周期性的输出高电平脉冲，控制第一开关S将第一电容C1上的能量传到射频通信主芯片的VDD端。当第一指示信号出现脉冲时，判断单元周期性的输出脉冲的高电平时间处于维持状态，直到不再出现第一指示信号一段时间后，再变成低电平，其工作原理时序图如图5所示，第一开关S1的时序图中，高电平表示导通，低电平表示关断。判断单元通过同时判断射频通信模块120输出的第一指示信号和存储单元的电能控制第一开关S1的导通或关断，可以避免过多消耗第一电容C1的能量，节省功耗。

图6是本发明实施例提供的另一种带能量管理的射频电路的结构示意图，如图6所示，判断单元连接能量获取模块130，判断单元还用于根据能量获取模块130输出的第二指示信号和存储单元的存储电压控制第一开关单元导通或关断。

在上述实施例的基础上，当射频通信模块120的射频整流电路获取的能量和电压不足以提供其他电路供能时，能量获取模块130能够感应到射频通信模块120中能量的变化，使得能量获取模块130输出的电压发生改变，当能量获取模块130输出电压达到一定值后，第二指示信号输出脉冲信号，判断单元控制第一开关S1导通，将第一电容C1上的能量传到射频通信主芯片的VDD端，当第二指示信号脉冲消失一段时间后，判断单元控制第一开关S1关断。其工作原理时序图如图7所示。判断单元同时判断能量获取模块130输出的第二指示信号和存储单元的电能，以控制第一开关S1的导通或关断，避免了过多消耗第一电容C1的能量。

示例性的，射频通信主芯片为普通的超高频(UHF)标签芯片，灵敏度能够达到-21dbm，并带VDD的电源管脚。能量获取模块由片外的肖特基高频二极管搭建的整流电路实现，在-27dbm场强下，可以实现整流电压0.4V和0.8uw的能量输出，升压及储能模块采用一款高性能的能量获取转换芯片，可以在0.35V的电压和0.6uw的输入能量下冷启动，并升压到1V左右，第一电容C1为10uF,在进入UHF场内1s以后，可以完成一次完整的无线射频识别的读操作过程，系统的灵敏度度比单通信芯片提高了6dbm左右。

本实施例中，带能量管理的射频电路通过能量获取模块收集能量，通过升压储能模块储存能量，并将储存的能量传输到射频通信模块，尤其是在射频通信模块获取的能量和电压不足以供能时，升压储能模块为射频通信模块功能，提高了射频通信距离。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带能量管理的射频电路，其特征在于，包括天线、射频通信模块、能量获取模块和升压储能模块；

所述射频通信模块连接所述天线；

所述能量获取模块连接所述天线，所述能量获取模块用于获取所述天线的射频能量，并将所述射频能量转换为电信号；

所述升压储能模块连接所述能量获取模块和所述射频通信模块，所述升压储能模块用于对所述能量获取模块输出的电信号进行升压储能，并输出供电电压至所述射频通信模块。

2.根据权利要求1所述的带能量管理的射频电路，其特征在于，所述射频通信模块集成在射频通信主芯片上。

3.根据权利要求1所述的带能量管理的射频电路，其特征在于，所述升压储能模块包括升压单元、存储单元、判断单元和第一开关单元，所述升压单元连接所述能量获取模块，所述升压单元用于对所述能量获取模块输出的信号进行升压，所述存储单元连接所述升压单元，所述存储单元用于存储所述升压单元输出的电能，所述判断单元连接所述存储单元，所述第一开关单元的第一端连接所述存储单元，所述第一开关单元的第二端连接所述射频通信模块，所述第一开关单元的控制端连接所述判断单元，所述判断单元用于在所述存储单元的存储电压满足设定值时控制所述第一开关单元导通。

4.根据权利要求3所述的带能量管理的射频电路，其特征在于，所述存储单元包括第一电容，所述第一电容的第一端连接所述升压单元，所述第一电容的第二端接地。

5.根据权利要求3所述的带能量管理的射频电路，其特征在于，所述第一开关单元包括第一开关，所述第一开关的第一端连接所述第一开关单元的第一端，所述第一开关的第二端连接所述第一开关单元的第二端，所述第一开关的控制端连接所述第一开关单元的控制端。

6.根据权利要求1所述的带能量管理的射频电路，其特征在于，还包括反相模块，所述射频通信模块和所述能量获取模块集成在射频通信主芯片上，所述射频通信主芯片包括第二开关单元，所述反相模块的第一端连接判断单元，所述反相模块的第二端连接所述第二开关单元的控制端，所述第二开关单元的第一端连接所述能量获取模块，所述第二开关单元的第二端连接所述射频通信模块，所述反相模块用于对所述判断单元输出的信号进行反相，所述第二开关单元用于根据所述反相模块输出的信号导通或关断。

7.根据权利要求6所述的带能量管理的射频电路，其特征在于，所述反相模块包括第一反相器，所述第一反相器的第一端连接所述反相模块的第一端，所述第一反相器的第二端连接所述反相模块的第二端。

8.根据权利要求6所述的带能量管理的射频电路，其特征在于，第二开关单元包括第二开关，所述第二开关的第一端连接所述第二开关单元的第一端，所述第二开关的第二端连接所述第二开关单元的第二端，所述第二开关的控制端连接所述第二开关单元的控制端。

9.根据权利要求3所述的带能量管理的射频电路，其特征在于，所述判断单元连接所述射频通信模块，所述判断单元还用于根据所述射频通信模块输出的第一指示信号和所述存储单元的存储电压控制所述第一开关单元导通或关断。

10.根据权利要求3所述的带能量管理的射频电路，其特征在于，所述判断单元连接所述能量获取模块，所述判断单元还用于根据所述能量获取模块输出的第二指示信号和所述存储单元的存储电压控制所述第一开关单元导通或关断。