CN1689190A - 能量收获电路及其所关联的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有一个收获在空间发射的能量的固有调谐天线，这种固有调谐天线包括被结构成为天线提供再生反馈的部分，以使固有调谐天线具有一个实质上大于它的物理面积的有效面积。这种固有调谐天线包括固有分布电感、固有分布电容和固有分布电阻这些部分，使天线在所接收的处于一个特定频率的能量激励下发生共振，提供使天线再生的反馈。这个电路可以配置在一个集成电路芯片上。本发明还提供了一种所关联的方法。

Description

能量收获电路及其所关联的方法

互见相关申请

本申请要求享受2002年8月15日提出的美国临时申请No.60/403,784“能量收获电路及其所关联的方法”(“ENERGYHARVESTING CIRCUITS AND ASSOCIATED METHODS”)的权益。

技术领域

本发明涉及一种具有一些为天线提供再生反馈(regenerativefeedback)使天线有效面积实质上大于它的物理面积的电路部分的固有调谐天线(inherently tuned antenna)，具体地说，本发明提供了适合诸如在集成电路芯片或者电路小片上以小型化形式使用的电路及所关联的方法。

背景技术

长时间以来，已知诸如RF信号之类的能量可以越空发送给各种类型的接收天线，用于各种用途。

Rudenberg在“无线电报中电波的接收”(“Der EmpfangElektricscher Wellen in der Drahtlosen Telegraphie”，Annalen derPhysik IV，25，1908，pp.446-466)揭示了通过非理想的储能电路与1/4波长鞭状天线配合而引起的再生可以得到一个具有一个大于它的几何面积的有效面积的天线。他揭示了使用1/4波长鞭状天线的线积分长度来获得这个有效面积。他说明了天线与可以近似为平面波的入射场交互作用通过感应使电流流入天线。可以通过再生增强的电流在天线附近产生一个场，这个场与入射场交互作用，使得入射场线弯曲。场线弯曲成使能量从入射的波阵面的一个具有从波阵面吸收能量的效应的比较大的部分从波阵面的比天线的几何面积大许多的面积流入天线。这可参阅Fleming的“动作的原子、电和光”(“On Atoms of Action，Electricity，and Light”，Philosophical Magazine 14，p.591(1932))；Bahren的“粒子怎样可以吸收比入射到它上更多的光？”(“How Can aParticle Absorb More Than the Light Incident On It？”，Am.J.Phys.51，No.4，p.323(1983))；以及详细说明Rudeinberg原理的Paul等人的“偶极子的光吸收”(“Light Absorption by a Dipole”，Sov.Phys.Usp.26，No.10，p.923(1983))。这些原理全都针对可以模型化成调谐电路的天线或数学上模拟在原子物理学上遇到的情况。

再生被认为可以减小天线电路的电阻，从而使天线电流增大，因此增大天线场的交互作用，结果从较大的有效入射场面积吸收能量。这些现有的公开，虽然讨论了物理现象，但并没有涉及怎样可以达到这个效果。

美国专利5,296,866揭示了利用与二十世纪二十年代的涉及包括与一个长线天线连接和与一个真空三极管的栅极电路连接的分立的电感器-电容器调谐电路的电子管无线电接收机的活动有关的再生的情况。阳极电路的能量中有一些引入栅极天线电路。这类似于将一个负电阻引入天线-栅极电路。例如，天线由于风引起的运动导致天线阻抗改变是电路因此振荡的稳定性不足的来源。于是，建议用一个缓冲管电路将再生加到与天线电路隔离的第二放大级上。这减小了寄生信号，但是也显著地降低了灵敏度。这个专利还揭示了一些在通过引入负电感成分或电阻以抵消正电特性来改善性能上的工作。然而，就本发明所考虑的在收获能量以变换成直流电的情况来说稳定性并不重要。

这个专利揭示了利用一个独立的储能电路的情况，用分立的电感器和分立的电容器来增大天线有效面积。

美国专利5,296,866还揭示了在减小天线电路阻抗从而减小不稳定性和获得比其他配置的结果大的天线有效面积中以一种受控方式利用正反馈的情况。然而，这个专利需要用分立的电路来提供受控的正反馈。对于比较小的天线，添加提供再生的分立电路元件增大了复杂性和成本，因此并不是理想的解决方案，特别是对于在一个诸如CMOS芯片之类的集成电路芯片上实现的很小的平面天线来说。

当前所关注的是利用在诸如电子芯片之类的基片上形成的平面天线来开发可用于诸如移动电话、个人寻呼机、RFID之类的各种小型电子产品应用的较小天线。一般情况可参见美国专利4,598,276、6,373,447和4,857,893。

美国专利4,598,276揭示了一种电子物品监视系统和其中所用的标志器。这种标志器包括一个具有电感和电容元件的调谐谐振电路。调谐谐振电路形成在一个介质迭层板上，在介质的相对表面上有一些导电的多圈螺旋线。由于相对螺旋线之间的分布电容，形成了电容性分量。电路至少在两个以后接收的预定频率上共振，产生一个输出信号。其中没有揭示利用再生为调谐谐振电路产生一个比物理面积大的有效面积。

美国专利6,373,447揭示了利用在一个集成电路芯片上形成的与芯片上其他电路连接的一个或多个天线的情况。这些天线形态包括回路、多圈回路、正方形螺旋线、长线和偶极子。天线可以具有两个或更多个可以有选择地相互连接的段，以改变天线的有效长度。此外，能在两个由一个绝缘层分开的不同的金属化层内形成两个天线。这样做的主要缺点是天线的发送和接收强度与回路区内的圈数成正比。其中没有揭示用再生增大有效面积的情况。

美国专利4,857,893揭示了使用包括在芯片上的一个转发器电路内的平面天线的情况。转发器的平面天线使用芯片上的一些磁膜电感器以减少圈数，从而简化了电感器的形成。它揭示了一种具有一个外径为1cm×1cm的多圈螺旋形线圈。在有高频电流通过线圈时，磁膜受到在一个难磁化方向上的驱动，每个导线周围的两个磁膜用作一个围绕着一个一圈的线圈的磁芯。这些磁膜除它的自由空间电感之外还增大了线圈的电感。其中没有揭示使用谐振电路的情况。这种方法的问题之一是需要为集成电路应用制造具有充分高的电感和Q的小型空心电感器。这种小型空心电感器通过淀积一层坡莫合金磁膜或其他具有大磁导率和电绝缘特性的适当材料以增大线圈的电感。这种方法增大了芯片上天线的复杂性和成本，由于在天线线圈之间需要有磁膜层，因此减小天线也受到限制。

在这里特别列为参考予以引用的共同待决美国专利申请No.09/951,032揭示了一种芯片上天线，其有效面积为实际面积的300至400倍。有效面积的增大是由于使用了一个用螺旋线导体的分布电感和电容形成的LC储能电路。这是通过在天线内用极间电容和电感形成LC储能电路来实现的。这提供了有效面积大于物理面积的天线，而不需要添加分立的电路。此外，它还排除了要用磁膜。结果，使生产这种集成电路芯片上的天线更为方便，因为这种天线就是设计成在这种芯片上的超小型天线。这种情况也可参见在这里特别列为参考予以引用的美国专利6,289,237。

尽管有了前面这些发明，实际上仍然还非常需要可用于在空间内接收和发射能量的能提供一个实质上大于物理面积的有效面积的电路。还需要这样一种系统和有关方法，可以在提供这样的集成电路芯片上的电路中用固有调谐天线和分布电特性实现使用天线再生技术。

发明内容

本发明满足了以上所述的需要。

在本发明的一个实施例中，能量收获电路具有一个如在这里所定义的固有调谐天线，被结构成使能量收获电路的至少部分能量提供给天线进行再生反馈，从而形成一个实质上大于天线物理面积的天线有效面积。这种电路可以用固有分布电感和固有分布电容连同固有分布电阻一起形成一个提供再生反馈的储能电路(tank circuit)。这种电路在工作上可以是与一个负载关联的。

这种电路可以形成为一个独立应用的单元，而在另一个实施例中可以形成在一个集成电路芯片上。

优选的是，这种电路包括一个储能电路，而固有的分布电阻可以用来使所述天线再生。本发明提供了实现反馈和再生的具体电路和装置。

天线可以呈现为在一个平面基片上的一个导电线圈，具有一个作为接地面的相对表面以及固有分布电感、固有分布电容和固有分布电阻。

这种能量收获电路也可以用来发射能量。

在一种有关能量收获的方法中，用这种电路来提供再生反馈，从而形成一个实质上大于天线物理面积的天线有效面积。

本发明的另一个目的是提供可以用印制电路技术在一个适当的基片上形成的这种电路。

本发明的一个目的是提供一种独特的适合能量收获和能量发射的电路，这些电路具有一个实质上大于它们的物理面积的有效面积。

本发明的另一个目的是提供这样一些电路和有关方法，它们包括一个调谐谐振电路和用固有分布电感、固有分布电容和固有分布电阻实现这样的反馈。

本发明的又一个目的是提供可以在一个集成电路芯片或基片上形成的这种电路。

本发明的另一个目的是提供不需要用分立的电容器的这种电路。

本发明的另一个目的是提供考虑了天线导电线圈的尺寸和导电率以及与导电线圈邻近的材料的电容率的这种电路。

本发明的又一个目的是提供多个产生所希望的在固有调谐天线内形成再生的反馈的装置。

本发明的又一个目的是提供可以有益地使用通过空间传送的由能量收获电路接收的RF能量的电路。

本发明的又一个目的是提供一种RF能量收获电路，其中天线的有效能量收获面积大于天线物理面积而且与天线物理面积无关。

从以下结合附图对发明的说明中可以更完全地理解本发明这些及其他一些目的。

附图说明

图1为本发明的收获等效电路的原理图，示出了在理想条件下的情况。

图2为本发明的考虑由于源/负载阻抗不匹配而引起的再生传输的另一个收获等效电路的原理图。

图3为本发明的将图2扩展为包括由于非理想的储能电路而引起的再生的另一个等效电路的原理图。

图4为本发明的将不匹配再生源与将功率传送给负载的实际源分开的可替代的等效电路的原理图。

图5A示意性地例示了本发明的一个矩形线圈的能量收获电路的平面图。

图5B例示了图5A的能量收获电路的沿图5A中的5B-5B切剖的剖视图。

图6例示了本发明的一个能量收获电路的剖视图。

图7A示意性地例示了一个具有一个波长的尺寸和含有大量CMOS芯片或基片的正方形。

图7B示意性地例示了与图7A有关的单个CMOS基片或芯片。

图8为一种集成芯片或基片上的再生天线的平面图。

图9例示了沿图8的9-9切剖的剖视图。

图10为本发明的一个示意性实施，示出了在单个产品单元内的多个固有调谐天线。

具体实施方式

如在这里所使用的，所谓“固有调谐天线(inherently tunedantenna)”是指一种连同周围材料一起的导电产品，包括但不限于芯片内电路、导体、半导体、互连和通路，起着一个天线的作用，具有固有的电感、电容和电阻的电特性，这些电感和电容可以组合在一起，在所加的外部能量的激励下在一个所希望的频率上共振，为天线提供再生反馈，从而形成一个大于天线物理面积的天线有效面积。这种天线可以是一个独立的天线，也可以与一个集成电路芯片或电路小片集成在一起，带或不带附加的电气元件，使用所有这样一些元件的总电感、电容和电阻。

如在这里所使用的，所谓“有效面积(effective area)”是指一个发射波阵面的其功率可以变换为有用的面积。

如在这里所使用的，所谓“能量收获(energy harvesting)”是指接收空间内的能量、截获其一部分加以收集或累积和变换后供立即或以后使用的天线或电路。

如在这里所使用的，所谓“在空间内(in space)”或“通过空间(through space)”是指能量或信号通过空气或类似的媒体传输，无论是在一个封闭的还是部分封闭的环境内，而不是由硬线或印刷电路板传输电能。

来看等效电路如图1所示的固有调谐天线2(示于虚线方框内)，图中示出了天线元4、由电感10和电容12组成的储能电路6以及地16。此外，还示出了任何集总阻抗18。负载22通过引线24电连接到集总阻抗上和通过引线32电连接到地30上。这种能量收获电路适合高效地利用通过空间接收到的RF能量进行工作，如在这里所明确的。电路2可以配置在一个具有所希望的其他电路组件的集成电路晶片上。所分布和寄生的电阻、电感和电容提供了一个有效的固态三维集成电路。寄生电容是由于天线导线接近其他电路元件或可能的导体、半导体、互连或通路导致分布电容或电容效应而引起的不可忽视的电容性效应和由于器件或电路小片小而引起的相应邻近效应。

第二个或另一个再生源是由于由负载22的阻抗与天线电路的等效阻抗18不匹配而产生的驻波反射引起的。

图1的储能电路6在一个设计成由分布电感10和分布电容12确定的特定频率上共振。在理想情况下，储能电路6在谐振时呈现为一个无限大的阻抗，来自天线的能量馈给集总阻抗18。分布电阻实际上使得接收来自远端源的能量的天线由于储能电路6和天线电阻组合呈现到天线上的电压(能量)而发射能量。

图1的电路具有对RF媒体呈现为一个再生“天线”的特性。这使这个电路提供一个实质上大于它的物理面积的天线有效面积，例如可以比物理面积大许多倍。这是通过将反馈或再生引入固有调谐天线来实现的。这个再生源例如是非理想的在CMOS芯片的有限空间内形成储能电路的直接结果。芯片组件相对紧邻提供了具有导电元固有电阻的电感10和电容12。导电元是形成图1的理想天线元4的金属元。

本发明考虑了建立再生反馈的各种优选措施。其中，就本优选途径来说，是使得在电路2的等效阻抗18与负载22之间产生受控的阻抗不匹配。由不匹配引起的再生源作为一个等效电路的元件在图2中标为36。

再来看图1，在这个实施例中，谐振除了储能电路6将一定能量馈给天线4之外还将一些能量馈给接到电路2上的负载22。在电路2的输出等效电路与负载22之间可能有阻抗不匹配。这个不匹配将导致能量向电路2反射，由于储能电路阻抗在谐振时很高，因此能量将导致天线4附加发射。图1的天线电路2的再生作用使能量由天线电路2重新发射，从而进一步增大了有效面积。无论是由于储能电路6两端的电压降还是由于从负载22反射引起的天线4的再生作用将使得在天线4的区域内存在一个所发射的近场。这个近场于是使天线具有一个实质上大于物理面积的有效面积。这个有效面积例如可以为形成天线和储能电路6组合的导体的实际面积的1,000至2,000倍左右。

另一个途径可以是分享天线所产生的功率。电路2输出的功率将具有某个值P。通过故意的不匹配，可以使这个功率的一部分αP反射入电路2。其余的功率(1-α)P62将传送给负载22。在理想的匹配条件下，α＝0，P传送给负载。虽然就其功能来说没有多少意义，但α＝1意味着没有功率传送给负载。可以选择一个0＜α＜1的值通过使有效面积增大到某个最佳值使得传送给负载22的功率达到最大。

在经典的天线理论中，一个匹配的负载只可以得到二分之一的可用功率。在当前的环境中，P为传送给负载的功率，为总可用功率的二分之一。

另一个途径是通过电感进入天线线圈。

本发明可以利用导电天线元的固有分布电感和固有分布电容来实现所希望的谐振储能电路(LC)。所希望的频率是LC乘积的函数。随着导体元件减薄，对于一个固定的LC值可以希望通过增大电感来适应减小电容。这可以通过在天线的导电元之间添加一些附加的导体来实现。这些附加的元可以是一些单功能导体，也可以是一个或多个附加的天线。

来看图2，图中示出了电路2的一个修改型2′，其中不匹配反射示为一个再生源36。电路的电接点42、44示为接在引线38和引线40之间。

来看图3，图中示出了RF频率能量收获电路的集中线性模型，经修改的电路2″具有天线4、储能电路6，这个电路与储能电路6两端的电压降有关。除再生源36之外，还示出了再生源48。源48用来表示一个作为非理想的储能电路的再生源。再生源36、48协同工作，增大对有效面积的再生效果。

来看图4，图中示出了一个经修改的能量收获电路2，其中再生源50、52用输入(e_IN)和参数α和β分别定量表示再生源36、48，从而以与理想储能电路和理想匹配源一致的数学形式提供非理想的效应。阻抗和负载阻抗点54表示LC储能电路6上的电压。符号e_IN表示天线物理面积产生的能量。

图4中还示出了电阻58，以考虑产生非理想的特性的电阻。有效阻抗18和再生源50右侧是源62和阻抗68，分别表示由负载看到的没有反射的源62和源的等效阻抗68。

在图4的电路中，两个参数α和β用来标识天线分别由于以下两项重发的能量部分：(1)非理想的储能电路的电阻，β，以及(2)从一个接到输出端上的不匹配负载反射的能量，α。

通常，α和β可以是复函数，它们的具体值可以在一组所规定的状态下以经验得到。

作为例示，而没有任何丧失一般性，由于物理面积而获得的能量将标为电压e_IN，以便用图4的等效RFEH电路进行讨论。e_IN与功率和能量的关系简单地就是比例关系。

参数α表示e_IN的由于图4的非理想储能电路通过辐射而损失的部分。从能量守恒来看，0≤α≤1。

参数β表示负载能量的由于图4的负载阻抗与输出阻抗之间的阻抗失配而反射的部分。从守恒来看，0≤β≤l

项“e_OUT”是指导致有效面积增大的再生的总能量。

可以看到，在本电路内工作的天线不需要用分立的电容进行调谐。图1-4的L、C和R都是由形成天线4的导体形成的分布参数元。用天线的形成储能电路的固有分布电感L和固有分布电容C建立调谐的谐振电路。这个调谐电路是考虑到天线的导电线圈的导电率和导电线圈周围的物质的电容率设计的。其他的导体和电位的影响形成有助于L10、C12和R58的寄生分布参数元件。

来看图5A和5B，在图5A中以平面图示出了安装在一个底下有一个接地面74的介质基片72上的矩形线圈天线70。螺旋天线70示为呈右旋形，其剖视图示于图5B。优选的是线圈本身具有一长度、迹线宽度和迹线厚度，该长度为射频(RF)源的波长的1/4，迹线的宽度比迹线的厚度大许多。此外，基片72具有比它的厚度大许多的表面积，用高介电常数的材料制成。天线70的调谐基于分布电感L和分布电容C。天线的频率通常与电感L和电容C的乘积的平方根成反比。

来看图6，图中示出了天线内的分布电容情况，要考虑的是两种分布电容。第一种是在天线70的导电迹线之间诸如在具有相隔间隙84的部分80与82之间形成的分布电容。另一种是在具有相隔间隙92的诸如线段80、82之类的导电极迹线与地平面90之间形成的分布电容。总分布电容因此可以通过将电极的导电面积乘以基片72的介电常数除以如导电电极80、82与基片地90之间的距离92确定。再加上电极70的导电面积乘以基片72的介电常数除以极间距离84。通常，螺旋天线的导电迹线(诸如80、82)与基片地90之间的寄生电容将大于相隔距离84的导电迹线之间的寄生电容。这使得螺旋天线在设计上更为灵活。

例如，如果希望减小天线而仍保持相同的响应频率，就可以减小金属迹线的宽度。这样，可以通过减小导电迹线的尺寸来减小天线的导电迹线80、82与接地基片90之间的寄生电容。这样减小的效应可以用若干方式中的任何一种方式补偿，诸如改变天线螺旋形导电迹线的设计、在导电迹线之间淀积较高的介电材料或改变基底材料74的电容率。随着使迹线相互靠近，诸如80、82之类的导体之间的分布电容增大。

从上述可见，本发明涉及能量收获和重发(如果需要的话)的电路和有关方法。它包括一个由导体4和使调谐谐振电路再生的装置形成的调谐谐振电路，其中这个电路具有一个实质上大于物理面积的有效面积。能量通过空间发射，空间可以是空气，起着媒体的作用，产生一个可以表征为每单位面积瓦特数或每单位面积焦耳数的波阵面。用一个天线，就可以收获或聚集能量，将它变换成一种对于各种执行诸如检测或简单地标识在波阵面的空间内的物体之类的特定功能的电子、机械或其他器件有用的形式。在聚集和变换能量加以利用时，更为方便的是考虑在空间内可得到的“功率”。如果“能量”在聚集一段时间后再使用，考虑在空间内可得到的能量就更为方便。然而，在这里为了方便起见，这两个类型都将称为“能量收获”。

实例1

可以看到，本发明适合配合可以配置在集成电路芯片上的极小的电路使用。例如，假设收获的能量射频(RF)为915MHz，一个天线的有效面积通常不小于k×λ²，其中k小于或等于1，也就是一边上给定的频率(λ)的一个波长。例如，如果天线是一个典型的半波偶极子，有效面积小于λ²不很多。在915MHz，波长λ大约为12.908英寸，结果用于能量收获的半波偶极子的kλ²在k等于0.13时将为21.66平方英寸。半波特性意味着有关天线的大小的事。然而，可有益地使用本发明的天线的物理尺寸将实质上小于21.66平方英寸。

作为第二个例子，一个有效面积为半波偶极子的0.5的四分之一波长的“鞭状”天线具有为增益的线性函数的有效面积，在这种情况下有效面积的k大约为0.065。据此，有效面积应为0.065λ²，即10.83平方英寸。

考虑一个长度约为3.073英寸的正方形螺旋天线，其中螺旋线形成在一个1560微米的正方形内，就前景来看，一个加工好的互补金属氧化物半导体(CMOS)片可以具有与这正方形螺旋线相同的尺寸。因此，在一个波长的正方形内可以安装44,170个这样的片。这情况例示于图7A和7B，其中图7A示出了边长为λ的一个正方形，而图7B示出了边长为1560微米的单个正方形芯片。这建立了一个适当设计的具有能量收获能力的天线和收获与诸如半波偶极子之类的传统天线的相同的能量的芯片的尺寸之间的关系。边为一个波长的正方形可以选来作为确定效益的度量基础，在这里将称为S_QE。

实例2

为了提供进一步的比较，可以考虑一个测试天线，它是在一个作为测试天线的CMOS芯片上的平面天线内的边长为1560微米的正方形。这个天线设计成能提供一个整个为915MHz的波长的四分之一的导电通路。在实验中所用的这个测试天线具有长度约为3.073英寸的正方形螺旋线，螺旋线形成在一个边长为1560微米的正方形内。结果，导线的长度为四分之一波长，但是它没有呈现为传统的四分之一波长的鞭状天线。1560微米的边形成的物理天线的边为0.061417英寸，从而提供的螺旋天线的物理面积为0.00377209平方英寸。

在形成正方形螺旋线中，所用的是一个导电的铝线圈，正方形电阻为0.03欧姆。导电线圈作为AMI_ABN_1.5μCMOS工艺的一部分形成在小片上。电极和电极间尺寸为电极迹线13.6微米，电极间距离19.2微米，而基片是p型硅。基片的尺寸为2.2微米平方，厚约为0.3微米。这个小片焊接到一个印刷电路板上，再安置在四个黄铜SMA RF连接器上。由这个阵列馈电的电路是一个与一个类似的天线/电路串联的分立的电荷泵(倍压器)，结果所形成的组合向两个并联的发光二极管馈电。这个测试天线，为了反馈或再生，用作对控制天线的比较基础。

“控制天线(control antenna)”选择成提供一个等于有效面积的物理面积。结果，所收获的能量就只是功率密度与等于物理面积的有效面积的乘积。测试天线可以认为是图5A所示的天线。外尺寸为1560微米乘1560微米的正方形螺旋线的面积为2,433,600微米平方。或者，也可以将物理面积认为在这种情况下是会产生物理面积为1,063,223微米平方的金属导体。图5A所示的这种测试天线放置在一个915MHz的RF场内，离发射天线8英尺。发射机发射的功率约为6瓦，天线方向性增益约为6。对于无方向性的情况，在8英尺处球面的总表面积为4×3.14×R²＝4×3.14×8²＝804.25平方英尺。供电天线的增益在最有利方向约为6，在最有利方向给出的功率密度为[6×6瓦/804.25平方英尺]＝0.0447622瓦/平方英尺。将1560平方微米假设为物理面积，于是测试天线的物理面积为0.0000262平方英尺。因此，按照经典的定义应收获的能量为0.0447622瓦/平方英尺×0.0000262平方英尺＝1.17277微瓦。尺寸如所列举的螺旋天线放置在所示RF发射机和天线所产生的场内。仅仅根据功率密度和控制天线的物理天线尺寸，即每平方英寸的瓦数或每基片面积的瓦数，就由天线的面积截获的功率预期为1.17277微瓦。在这种情况下，物理尺寸假设为正方形螺旋线的总面积。

两个这样的天线在扣除天线到一个受驱动的有效荷载之间的任何损耗后驱动这个2.50毫瓦的负载。传送给负载的功率是2.50毫瓦，每个天线提供1.25毫瓦的功率。结果，通过一个有效面积收获的功率与物理面积之比为(1.25×10^-3瓦)/(1.17255×10^-6瓦)＝1,066。因此，天线的有效面积等于0.0000262平方英尺×1,066＝0.0279292平方英尺。这些结果表明，对于测试天线，有效面积为1,066 S_QE，实测功率为1.25毫瓦，而对于控制天线，有效面积为1S_QE，实测功率为1.17255微瓦。因此，测试天线具有一个等于1,066个小片的几何面积的有效面积，而概念上的控制天线具有一个相当于1.0个小片的几何面积的有效面积。这两个天线之间的主要差别是在测试天线中用了固有调谐电路和向固有调谐电路提供引起再生的反馈的装置。

可以看到，可以采用许多方法来制造本发明的电路。例如，可以采用半导体生产技术，高效地制作包括功能完全的本发明的再生天线电路的所有所希望的电路的单片组件。芯片例如可以呈现为CMOS器件或MEMS器件。

制造本发明的收获电路的另一种方法是通过印刷诸如天线之类的电路的组件。图8和9示出了一个有效面积大于它的物理面积的印刷天线。通过将诸如图8和9中标为110的线圈之类的天线设计成具有特定的电极和极间尺寸使得在印刷到一个接地基片上时可以提供所希望的天线正方形线圈和LC储能电路，可以实现这种结构。基片112和地114可以是以上所说明的类型的。非导体的基片112可以是任何适当的介质，例如树脂质塑料膜或玻璃之类。基片112具有配置在其对侧的接地面114。供线圈110用的已知的适当导电剂中有例如导电环氧树脂和导电油墨。印刷技术可以是例如喷墨或丝网印刷之类的标准印刷。这种印刷天线连同电路一起使用，提供所希望的对本电路系统的再生。在这里所说明的天线和组件以外的其他所希望的电子器件诸如二极管之类也可以通过印刷配置到基片112上，以形成本发明的一个印刷的电荷器件。

虽然在这里的说明主要集中在能量收获上，但可以理解，本发明也可以用于能量发射。为之收获能量、进行工作的电子电路通常需要通过媒体与一个远程设备通信。这样的通信可能需要一个RF天线。这个天线将配置在硅片上，从而遭受到同样的寄生效应。然而，这样一个发射天线可以或可以不设计成能作为一个能量收获天线进行工作。

可以看到，本发明，特别是对于小型化成在集成电路芯片或小片上使用的，可以广泛地应用于许多方面，诸如蜂窝电话机、RFID应用、电视接收机、个人寻呼机、电子摄象机、电池充电器、传感器、医学设备、电信设备、军事装备、电光学和交通工具之类。

图10示出了多个各配置在一个适当的基片上的天线，诸如分别具有相应的介质基片136、138、140和接地面142、144、146的天线130、132、134，用来提供一个收获通过空间传送的能量的有效装置。在这个实施例中，由于再生不仅通过储能电路而且还通过在这个再生天线组内各天线之间的电感150、152，从而相对几何或者物理面积增大了天线有效面积。接近空间内的天线130、132、134的能量场标为160、162、164，可以是915兆赫的RF场。每个天线收获能量，在每个天线内产生电流。这电流又产生一个磁场，可以通过对再生天线组的相邻天线的感应使电流增大。这样增大电流导致增大天线场的交互作用，因此从比单独使用各个天线还大的入射场的有效面积吸收能量。

因此，可以看到，本发明提供了一种用于收获能量和发射能量的电路的高效电路及其所关联的方法，这种电路包括一个调谐谐振电路和使调谐谐振电路再生的固有装置，这种电路具有一个比它的物理面积大的有效面积。可取的是调谐谐振电路由形成一个储能电路的固有分布电感和固有分布电容形成。调谐电路结构成提供所希望的再生反馈，从而产生一个实质上大于物理面积的有效面积。与有些现有技术不同，不需要用分立的电感或分立的电容来作为调谐电路元件。此外，可以用多个电路相互配合，诸如图10所示的层叠实施例的情况。

虽然在这里是以一些具体的实施例为例进行说明的，但对于熟悉该技术领域的人员来说在不背离如在所附权利要求书中所给出的本发明的精神实质和专利保护范围的情况下在具体细节上可以作出种种变动是显而易见的。

Claims (57)

1.一种能量收获电路，所述能量收获电路包括：

一个固有调谐天线；以及

所述固有调谐天线的至少一些部分，被结构成用固有分布电感和固有分布电容形成一个储能电路，向所述天线提供再生反馈，从而使所述固有调谐天线具有一个实质上大于它的物理面积的有效面积。

2.如权利要求1的能量收获电路，其中：

所述电路结构成通过包括下列各项的组中的至少一项产生所述再生反馈

(a)阻抗不匹配，

(b)展示所述固有调谐天线产生的功率，

(c)电感，以及

(d)由于所述阻抗不匹配而引起的反射。

3.如权利要求2的能量收获电路，其中：

所述电路不需要分立的电容器。

4.如权利要求1的能量收获电路，其中：

所述天线是一个具有预定宽度、高度和导电率的导电线圈。

5.如权利要求4的能量收获电路，包括：

与所述导电线圈邻接设置的具有预定电容率的材料。

6.如权利要求1的能量收获电路，其中：

所述电路被结构成通过阻抗不匹配提供所述再生反馈。

7.如权利要求1的能量收获电路，其中：

所述电路被结构成通过分享所述固有调谐天线产生的功率提供所述再生反馈。

8.如权利要求1的能量收获电路，其中：

所述电路被结构成通过电感提供所述再生反馈。

9.如权利要求1的能量收获电路，其中：

所述电路是一个独立应用的电路。

10.如权利要求1的能量收获电路，其中：

所述电路形成在一个集成电路芯片上。

11.如权利要求1的能量收获电路，其中：

所述固有调谐天线具有一个为所述天线的物理面积的1000至2000倍左右的有效面积。

12.如权利要求1的能量收获电路，其中：

所述储能电路被结构成使所述固有调谐天线再生。

13.如权利要求4的能量收获电路，包括：

所述导电线圈是一个平面天线，一个基片，在其一个表面上形成所述导电线圈，在一个相对表面上形成接地面；以及

所述天线具有形成一个储能电路的固有分布电感和固有分布电容以及固有分布电阻，被结构成使所述天线再生。

14.如权利要求13的能量收获电路，其中：

所述电路被结构成在所述导电线圈与所述接地面之间提供所述固有分布电容的至少一个主要部分。

15.如权利要求13的能量收获电路，其中：

所述电路被结构成在所述导电线圈各段之间提供所述固有分布电容的至少一个主要部分。

16.如权利要求13的能量收获电路，包括：

所述电路被结构成在所述导电线圈与所述接地基片之间提供所述固有分布电容的一部分，和

在所述导电线圈各段之间所述固有分布电容的一部分。

17.如权利要求1的能量收获电路，其中：

所述电路被结构成接收RF能量。

18.如权利要求1的能量收获电路，其中：

所述电路具有用于所述反馈的固有分布电阻。

19.如权利要求6的能量收获电路，其中：

所述电路被结构成提供由于所述阻抗不匹配引起驻波反射而引起的反馈。

20.一种能量收获电路，包括：

多个固有调谐天线，每个所述天线具有一些被结构成为所述天线提供再生反馈的部分，每个所述固有调谐天线具有一个用固有分布电感和固有分布电容形成一个储能电路的电路，使得所述这些固有调谐天线各具有一个实质上大于各自的物理面积的有效面积。

21.如权利要求20的能量收获电路，其中：

所述电路被结构成通过包括下列各项的组中的至少一项产生所述再生反馈

(a)阻抗不匹配，

(b)分享所述固有调谐天线产生的功率，

(c)电感，以及

(d)由于所述阻抗不匹配而引起的反射。

22.如权利要求21的能量收获电路，其中：

每个所述固有调谐天线具有一个不需要分立的电容器的电路。

23.如权利要求20的能量收获电路，其中：

每个所述固有调谐天线具有一个具有预定宽度、高度和导电率的导电线圈。

24.如权利要求23的能量收获电路，其中：

每个所述固有调谐天线具有与所述导电线圈邻接配置的具有预定电容率的材料。

25.如权利要求20的能量收获电路，其中：

每个所述固有调谐天线具有一个被结构成通过阻抗不匹配提供所述再生反馈的电路。

26.如权利要求20的能量收获电路，其中：

每个所述固有调谐天线具有一个被结构成通过分享所述固有调谐天线产生的功率提供所述再生反馈的电路。

27.如权利要求20的能量收获电路，其中：

每个所述固有调谐天线具有一个被结构成通过电感提供所述再生反馈的电路。

28.如权利要求20的能量收获电路，其中：

每个所述固有调谐天线具有一个是一个独立应用的电路的电路。

29.如权利要求20的能量收获电路，其中：

每个所述固有调谐天线具有一个在一个集成电路芯片上形成的电路。

30.如权利要求20的能量收获电路，其中：

每个所述固有调谐天线具有固有调谐天线，具有一个为所述天线的物理面积的1000至2000倍左右的有效面积。

31.如权利要求21的能量收获电路，其中：

每个所述固有调谐天线具有一个储能电路和一个固有电阻，被结构成使所述固有调谐天线再生。

32.如权利要求23的能量收获电路，其中：

每个所述固有调谐天线具有一个是一个平面天线的导电线圈，一个基片，其中一个表面上形成有所述导电线圈，在一个相对表面上形成有接地面；以及

所述天线具有形成一个储能电路的固有分布电感和固有分布电容以及固有分布电阻，被结构成使所述天线再生。

33.如权利要求32的能量收获电路，其中：

每个所述固有调谐天线具有一个电路，被结构成在所述导电线圈与所述接地面之间提供所述固有分布电容的至少一个主要部分。

34.如权利要求32的能量收获电路，其中：

每个所述固有调谐天线具有一个电路，被结构成在所述导电线圈的各段之间提供所述固有分布电容的至少一个主要部分。

35.如权利要求32的能量收获电路，包括：

每个所述固有调谐天线具有一个电路，被结构成在所述导电线圈与所述接地基片之间提供所述固有分布电容的一部分，和

在所述导电线圈各段之间所述固有分布电容的一部分。

36.如权利要求20的能量收获电路，其中：

所述电路被结构成接收RF能量。

37.如权利要求20的能量收获电路，其中：

所述电路具有用于所述反馈的固有分布电阻。

38.如权利要求25的能量收获电路，其中：

所述电路被结构成提供由于所述阻抗不匹配引起驻波反射而引起的反馈。

39.如权利要求18的能量收获电路，其中：

所述电路被结构成利用寄生电容。

40.一种能量收获方法，所述方法包括：

提供一个固有调谐天线；

提供所述天线的被结构成为所述天线提供再生反馈的至少一部分，使得所述固有调谐天线具有一个实质上大于它的物理面积的有效面积；

在所述电路内用固有分布电感和固有分布电容形成一个储能电路；

通过空间将能量传送给所述固有调谐天线；以及

将所述固有调谐天线的输出能量的一部分作为再生反馈提供给所述固有调谐天线，从而在所述天线内形成实质上大于所述物理面积的所述有效面积。

41.如权利要求40的能量恢复方法，其中：

所述电路被结构成通过包括下列各项的组中的至少一项产生所述再生反馈

(a)阻抗不匹配，

(b)分享所述固有调谐天线产生的功率，

(c)电感，以及

(d)由于所述阻抗不匹配而引起的反射。

42.如权利要求41的能量恢复方法，包括：

使用一个不需要分立的电容器的所述电路。

43.如权利要求40的能量恢复方法，包括：

在所述天线中使用一个具有预定宽度、高度和导电率的导电线圈。

44.如权利要求43的能量恢复方法，包括：

用具有预定电容率的材料与所述导电线圈邻近配置。

45.如权利要求40的能量恢复方法，包括：

用所述电路内的阻抗不匹配实现所述再生反馈。

46.如权利要求40的能量恢复方法，包括：

用分享所述固有调谐天线产生的功率来实现所述再生反馈。

47.如权利要求40的能量恢复方法，包括：

用所述电路内的电感实现所述再生反馈。

48.如权利要求40的能量恢复方法，包括：

用一个独立应用的电路作为所述电路。

49.如权利要求40的能量恢复方法，包括：

用一个在一个集成电路芯片上形成的电路作为所述电路。

50.如权利要求40的能量恢复方法，包括：

形成具有为所述天线的物理面积的1000至2000倍左右的天线有效面积的所述电路。

51.如权利要求41的能量恢复方法，包括：

用所述储能电路和所述固有电阻再生所述天线。

52.如权利要求43的能量恢复方法，包括：

利用一个平面天线作为所述导电线圈；

利用一个基片，在第一表面上具有所述导电线圈，而在一个相对的表面上具有一个接地面；以及

利用一个具有形成一个储能电路的固有分布电感和固有分布电容以及固有分布电阻的电路作为所述天线，以再生所述天线。

53.如权利要求52的能量恢复方法，包括：

利用在所述导电线圈与所述接地基片之间的所述固有分布电容的至少一个主要部分。

54.如权利要求52的能量恢复方法，包括：

利用在所述导电线圈各段之间的所述固有分布电容的至少一个主要部分。

55.如权利要求52的能量恢复方法，包括：

利用在所述导电线圈与所述接地基片之间的所述固有分布电容的一部分和在所述导电线圈的各段之间的所述固有分布电容的一部分。

56.如权利要求40的能量恢复方法，包括：

具有固有分布电阻的所述电路用于所述反馈。

57.如权利要求45的能量恢复方法，包括：

所述电路被结构成提供由于所述阻抗不匹配引起驻波反射而引起的反馈。

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