CN1799075A - 在诸如芯片或印刷电路板的无线无系留装置上的用于从空间获得能量的天线 - Google Patents

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Abstract

一种无线无系留装置，其可以是具有至少一个集成天线和在操作上关联于所述天线用于接收由所述天线从空间所获得的能量的电路的集成电路芯片或印刷电路板。所述天线具有大于其物理面积的有效面积。还可以给系统提供所述天线和电路电阻之间的不匹配阻抗，所述系统在由所述电路处理所获得的能量之后从所述能量接收电力。

Description

在诸如芯片或印刷电路板的无线无系留装置上的 用于从空间获得能量的天线
技术领域
公开了一种包括其上配置有天线和用于IC芯片的电路的半导体集成电路(IC)芯片的装置，其中，天线和IC芯片的电路被集成以便给IC芯片提供增加的天线有效面积。对芯片上的天线布局的设计与芯片上的芯片位置无关。结果，设计和制造本发明的片上天线比现有技术中所公开的设计更加简单。随着局域和广域无线网络尤其是具有低功率(范围)需求和本地检测或对象识别的那些网络的相关性的增加，需要具有被集成在单个半导体装置上的天线结构。一个重要欠缺是克服简单的尺寸缺点的片上天线的结构。
天线的长度和材料通常决定了可从天线接收或可从天线发送的信号的频率和强度。不过，随着所设想的越来越小的局域无线网的出现，具有安装于墙上或天花板上的天线(或者是单独分开的天线或者是多用途的天线，例如使用电子布线或电话布线作为天线结构)的房间大小的网络区域或建筑物区域的概念，使用非常低功率的天线结构以从本地网络向无线IC装置或包含这种无线IC装置的系统传输信息的可行性成为可实现的。
背景技术
在芯片上的特定位置提供天线和电路已经是已知的。美国专利4,857,893和4,724,427公开了对芯片上的应答器电路中所包括的平面天线的使用。如此处所公开的，天线线圈在芯片衬底的周围被蚀刻。在天线线圈的中央有定制的逻辑电路、可编程存储器阵列以及存储器控制逻辑。应答器的平面天线被说成使用了芯片上的磁膜电感器，以便允许减少线匝的数量并从而简化电感器的制造。它公开了具有多线匝螺旋形线圈并具有1cm×lcm的外部直径的天线。当高频电流经过线圈时，磁膜被说成以困难的方向被驱动，并且围绕每一导线的两磁膜用作密封一匝线圈的磁心。磁膜被说成除了线圈的自由空间电感之外还增加了线圈电感。
美国专利4,857,893和4,724,427中所教导的方法中的问题之一是需要制造足够高电感和Q值的小的、空心的电感器用于集成电路应用。所述小的空心电感器被说成是通过沉淀坡莫合金的磁膜或具有大的磁导率和电绝缘特性的其他适当材料而制成的，以便增加线圈的电感L。这种方法增加了芯片上的天线的复杂度和成本，并还限制了减小天线尺寸的能力，因为需要天线线圈之间的磁膜层。
美国专利4,857,893和4,724,427中所教导的方法中的另一个问题是在集成电路(IC)芯片上附带集成天线。当在芯片外围四周布置天线的情况下，如在上面所讨论的专利中所描述的那样，天线的位置干扰芯片外围四周的常规的焊盘布局。同样地，芯片外围四周布置的天线的中央区域的电磁场可以干扰位于天线内的电路操作。
美国专利6,373,447公开了对一个或多个天线的使用，所述天线形成在与芯片上的其他电路相连接的集成电路芯片上。天线配置包括环路、多匝环路、方螺旋(square spiral)、长线(long wired)和偶极子。天线可以具有两个或多个段，它们可以被选择性地相互连接以便改变天线的有效长度。同样地，所述两个天线被说成能够在由绝缘层所分隔的两个不同的金属镀层中被形成。
美国专利6,373,447试图通过在除了集成电路(IC)芯片的外围区域之外的位置上形成天线来克服美国专利4,857,893和4,724,427的问题。美国专利6,373,447描述了包括具有表面的集成电路(IC)芯片的装置，其中所述表面被分为外围区域和中央区域。中央区域包括第一部分和第二部分，其中IC芯片的电路被布置于中央区域的第一部分内；而天线被布置于中央区域的第二部分内。该专利教导，一个或多个天线可以在与芯片上其他电路相连接的集成电路芯片上被形成。天线配置包括环路、多匝环路、方螺旋、长线和偶极子。天线可以具有两个或多个段，它们可以被选择性地相互连接以便改变天线的有效长度。
美国专利6,373,447试图通过将天线安置于芯片的中央区域中而避免天线干扰芯片的外围四周的常规的焊盘布局的问题。不过，在该发明人所公开的所有情况下，天线位于中央区域的一部分中，而IC电路被安置于中央区域的其他部分上。该发明人在专利的主体中说明了天线也可以位于“芯片的一个或两个或三个(但不是四个)边上，只要在该区域中没有焊盘”。
以上所讨论的现有技术的问题在于，在芯片上对天线的安置被局限于芯片的特定的不同部分。在美国专利4,857,893和4,724,427的情况下，天线位于芯片的外围，而在美国专利6,373,447的情况下，天线位于芯片的中央区域。
现有技术所公开的关于片上天线设计的另一个问题在于，天线和IC电路作为分立部件而被安置于芯片的分离的部分中，以便最小化天线和IC芯片的电路的交互作用。在美国专利6,373,447的情况下，天线是中央区域的一部分，而IC电路是中央区域的另一部分。这再一次限制了在IC芯片上安置天线的设计。此外，这使得装置并未完全被集成。
发明内容
本发明提供了一种集成电路芯片，其具有至少一个集成的以及优选地整体形成的天线，其中关联于所述天线的电路用于接收由天线从空间中所获得的能量。在另一实施例中，使用印刷电路板或其他无线无系留(untethered)装置。所述天线具有大于其物理面积的有效面积。还可以在芯片上提供通常以DC电力从电路接收电力的系统，所述DC电力是由所述电路对所获得的能量进行整流而产生的。
所述天线和电路可被安置在芯片上的任何位置，而不会有害地影响性能。
所述天线可以是例如方螺旋天线(square spinal antenna)的螺旋天线，其传导部分的厚度和宽度被调节以使性能最大化。可以调节阻抗以提供增加的有效天线面积。
本发明的目的是提供一种在芯片或具有关联电路的印刷电路板上的集成天线，以使得通过天线从空间有效地接收能量并通过所述电路将所述能量转换为DC电力更容易。
本发明的再一个目的是提供这样的半导体集成芯片或印刷电路板，其将DC电力从所述电路传送到电子系统。
本发明的另一个目的是提供这样的系统，其不需要使用电力存储单元或硬连线。
通过以下描述并参考附图将能够更完整地理解本发明的这些和其他目的。
附图说明
图1说明了作为操作装置但没有电池或电源线的电路；
图2说明了图1中示出的类型的电路以及相关联的显示以测量所获得的能量；
图3a示出了芯片，其具有用于获得数据的片上天线和用于发送数据的片上天线；
图3b是图3a中所表示的芯片的照片；
图4a和4b分别示出了(i)实验结果的曲线图以及(ii)电路和相关的功率测量装置，连同由于使用传导接地平面而导致的变化的图；
图5a和5b分别示出了电路表示和接地平面影响的功率表示中的曲线图和测量；
图6a-6d示出了印刷电路板上的4个方天线轮廓；
图7是针对图6中示出的四个天线的距离对电压的曲线图；
图8是针对50cm的获得距离在负载所获得的电压的曲线图；
图9a-9e示出了五个天线，其中四个天线是螺旋，而一个是方片(patch)；
图10是针对图9a-9e的天线的电压对距离的曲线图；
图11是对于各种参数的阻抗的表示；
图12a-12c说明了天线的轨迹宽度的三个变化以及电压对距离的曲线图；
图13a-13b说明了对于两种不同材料和三种不同厚度的天线的数据；
图14a-14b针对图13a-13b的天线示出了电压对距离的曲线图；
图15a-15b针对不同长度示出了电压对距离的曲线图；
图16a-16b说明了天线的两种不同馈电安排；
图17是针对图16a-16b的两个馈电线路的电压对距离的曲线图；
图18a-18b关于接地平面变化说明了若干天线；
图19针对图18a-18b的某些天线说明了距离对电压的曲线图；
图20说明了就阻抗匹配元件而言的电路；
图21说明了具有涉及阻抗的标识的图20的电路；
图22和23分别说明了实验和仿真的阻抗匹配的图；
图24a-24b分别说明了PCB数据点和所述数据点到大约25mm的投影的曲线图；
图25针对PCB和CMOS轨迹示出了电压对距离的曲线图；
图26a-26b分别示出了铜缆的原始数据及其关于厚度的外推的曲线图；
图27说明了六个天线方位；
图28是针对图27的方位的电压对距离的曲线图；
图29示出了与图27相关的六个电压对距离的曲线图的趋势线；
图30示出了趋势线的负斜率和y截距。
具体实施方式
如此处所使用的那样，“在空间中”意思是能量或信号通过空气或类似的介质进行传输，而不管所述传输是否是在封闭物中的或是部分地在封闭物中的，与之相对的是通过硬连线或印刷电路板进行的电子能量传输。
如此处所使用的那样，“无线无系留装置”意思是通过RF能量远程供电的装置，并且所述装置包括但不限于IC芯片、印刷电路板和具有分立的或集成的电路组件的其他适当的衬底。
还需要的是芯片上的天线，其中所述天线不是与IC电路分立的组件。在此方面存在两个问题；(1)所接收的RF能量对接近的IC电路的干扰，以及(2)接近的IC电路对RF能量的干扰。尽管第一个问题对于任何功能性的IC都是重要的，但是从净负荷IC电子电路将能量获得功能分离开来，即专利6,289,237，公开了关于RF信号而不是RF能量而从净负荷电子器件中隔离RF的负效应。我们的实验已经显示，尽管净负荷电子器件位于能量获得天线和相关电路的附近区域，但是净负荷仍将令人满意地起作用。
第二个问题实际上是能量获得天线的优势，并增加了这种天线的有效面积。在图1和2中描绘了用于之前段落的实验的功能性装置。在两种情况下，在通过给天线的有效面积提供额外面积而增强所获得的能量的同时，已证明所述接近的电路能在所施加的RF能量场中良好地运行。由于通过互连电路和接近的组件本身的多倍效果和交互作用，在最佳情况下，很难得到易处理的闭合形式的数学公式来描述所指明的情况。
图1在没有电池或用于供电的导线的情况下说明了具有所有分立组件和导电轨迹的操作装置。通过辐射射频(RF)能量而将所述能量供给所述装置，对所述RF整流并将其转换为直流电(DC)，并对电子器件供电以便读取温度传感器并将结果传输到接收器。运行所述装置需要五毫瓦的功率。此装置按照所说明的那样运行。
图2是测量功率的装置，其中能量获得电路与图1中的装置相同，但具有并联连接的五组发光二极管(LED)，用于测量电压而无需将导线连接到所述装置的能量获得电路。还可以通过观察所述LED的亮度而估计出相关的功率。在图2中包括与图1的净负荷组件进行互连的导体，而将接近的电子组件本身移除。
图3示出了使用用于能量获得的片上天线和用于传输数据的片上天线的单芯片RFID设计。图3a是来自于计算机辅助设计(CAD)工具的布局的“平面”图，而图3b是实际制造的芯片(管芯(die))的照片。
在任何现场的能量或功率测量中都存在不确定性，因为测量电路与被测试的装置相干扰。图4a-4b包括图2的功率测量装置，以及示出了当由导电平面中断能量源和所述装置之间的空间时发光的LED的数量的图，所述导电平面被垂直插入到并联的源片天线和所述装置之间所画的线上。所述装置的顶部在实验室桌子顶部之上19.0cm。在所述天线和装置之间安置11cm、14.7cm、16.0cm、17.25cm和19.0cm的导电平面。对于所述导电平面，这分别导致数量为5(无导电平面)、4、4、3、2和0个LED被点亮。图5是与图4相同的配置，其中以17.25到19.0cm、16.0到19.0cm、14.7到10.0cm、11.0到19.0cm和0.0到19cm的顺序插入所述导电平面。在图5a-5b中，被点亮的LED为5、5、5、5、4和0个。
在本发明的第一实施例中，公开了一种包括集成电路(IC)芯片的装置，所述装置在其上配置有天线和IC芯片的电路。所述天线或若干天线和所述IC芯片的电路被集成，以便给IC芯片提供增加的对天线有效的面积。
在其他实施例中，可以给例如印刷电路板的无线无系留装置提供想要的天线和电路。
与物理面积相比较，天线的“有效面积”指天线的作用面积。调谐天线可具有大于其几何面积的有效面积。由Reinhold Rudenberg在1908年公开了此现象[Rudenberg，Reinhold，“Der EmpfangElektrischer Wellen in der Drahtlosen Telegraphie”(“The Receipt ofElectric Waves in the Wireless Telegraphy”，Annalen der Physik IV，25，1908，446-466页。)，并且由许多其他作者经过数年扩展了对该现象的描述。
美国专利5,296,866说明了：“Rudenberg教导，天线与近似是平面波的输入场相交互，使电流通过感应流进天线。所述[天线]电流接着在天线附近产生场，所述场接着通过使输入场线弯曲的方式与输入场相交互。用这样的方式使输入场线弯曲，即，使能量从输入波前的相对大的部分流出，这具有这样的效果：从远大于天线的几何面积的波前将来自于波前的能量吸收入天线中。”
虽然有效面积的概念可能是已知的，但是在天线设计和构造中实现它并不是容易的或明显的。美国专利5,296,866教导了，通过使用特定的电路来制造一种有源天线，所述天线具有大于几何面积的有效面积。在此公开中所详述的天线是非平面线圈天线。
共同未决的美国专利申请09/951,031公开了一种在芯片上的天线，其具有大于其物理面积300-400倍的有效面积，所述专利申请的公开在此引入作为参考。通过使用LC振荡回路(tank)电路而扩大了有效面积，所述LC振荡回路电路是通过分布式电感和螺旋导体的电容而构造的。这是通过使用用来构造LC振荡回路的内部电极的电容和电感的天线而实现的。无需增加分立电路，这给天线提供了大于其物理面积的有效面积。它还消除了使用磁膜的需要。结果，使得生产集成电路芯片上的天线更方便，如在这种芯片上的超小天线的设计那样。同样参见美国专利6,289,237，其公开在此引入作为参考。
所公开的发明集成了天线和例如集成电路(IC)芯片或印刷电路板(PCB)的无线无系留装置的电路，以实现大于通过单独在芯片上布置的天线所期望的面积的有效面积。对于“集成(integrate)”或“整合(integration)”，其意思是将天线布置于芯片上，使用IC芯片或PCB的电路作为天线的一部分功能特别是能量获得有效面积。将天线和IC芯片或PCB的接近的电路进行集成简化了芯片的设计，因为不再需要在芯片的分立区域中安置分立的天线和接近的IC芯片或PCB电路组件。
一般而言，优选的方法是使天线被设计成整体的元件，所述元件被连接到具有适当阻抗匹配的电路。如果想要的话，可以设计所述电路，并接着可以设计天线用于在特别用于小型无线无系留装置的电路的情况下使性能效率最大化。
将天线和IC芯片或PCB的接近的电路进行集成的一个优点在于，天线组件的物理大小不再是得到更大有效面积的唯一驱动力。通过使用本发明的实施例，天线的有效面积是天线和IC芯片或PCB上的接近的IC电路的物理大小的结合。基本上，用于所有实施目的的IC芯片或PCB上的天线是整个IC芯片或PCB，而不是具有在其上布置的物理天线的IC芯片或PCB的特定部分。应当理解，在IC芯片、PCB或其他实施例中，天线的有效面积可以大于IC芯片、PCB或其他衬底的物理面积。实际上，将物理天线隔离成IC芯片或PCB的分离的部分(即，外围或中央部分的不同面积)对于使IC芯片或PCB具有大于通过隔离的物理天线而获得的有效面积的有效面积来说是有害的。
芯片或PCB上的天线的设计涉及多组信息；(1)工作频率(中心频率)，(2)在半功率点的带宽，(3)峰值性能对半功率点的性能的Q值比率，(4)电和磁特性，连同每一处理层的厚度——典型地被称为技术文件。
给定适当的设计信息，选择一种结构，例如鞭状、偶极子、方螺旋、圆螺旋等。接着还有一组参数，例如等于波长(中心频率)除以4的导体长度、天线在中心频率的谐振等。
通过使用谐振策略，使用包括了如技术文件中所给出的电和磁属性的寄生的和内部电极的电感和电容，天线参数和配置于是被调整以实现谐振。
通常通过包括仿真的计算机辅助设计软件来检验谐振。
图4a和4b说明了测试装置，包括；(A)具有用于整流和电压“加倍”(电荷泵)的电路的两个螺旋能量获得装置，(B)互连电路，以及(C)功率、电压测量电路(功率计)。
由于无法将非干扰导线连接到远程独立装置，以及当所述装置的尺寸减小时存在有关于测量电路本身对测量的效果/影响的固有不确定性，因此使得在所述装置上对功率和/或电压的测量更加复杂。在共同未决的美国专利申请09/951,031中的有效面积测量包括连接导线来实现功率测量。
通过图4b的装置以915MHz在RF源天线的场中进行一系列实验。在这些实验中，平面导电表面(平面)被放置在提供RF能量的源天线和被测试的装置之间，位于距离该装置大约0.25英寸的地方。使用了五个导电平面，其中所述平面以图4a和4b中所示出的5个高度来屏蔽所述装置的区域。
高度19.0cm表示装置顶部在实验室工作台之上的高度。在5个实验位置中的导电平面的5个高度分别是19.0cm、17.25cm、16.0cm、14.7cm和11.0cm。图4a中装置之上的图上的点表示在装置的功率计部分(C)上被点亮的LED的数量。被点亮的LED的数量与通过LED的电压成比例，并表示通过1千欧电阻下降的电压的下限，可以在图4b的区域(B2)中看到所述电阻。
可以从图4a的图中注意到，尽管将严格的天线区域(A1)暴露给RF场实际上获得了使2个LED发光的足够能量，但是暴露额外的装置区域使额外的能量获得更容易，所述区域包括功率计区域(C)。
注意，对于(B2)和(C)中的接近的电子器件，电路的功能是严格地进行DC化，包括区域(B1)中标出的DC总线。
运转的功率计(C)当从如(A)和(B)所标识的装置部分中被完全移除时显示没有发光的LED。那么，作为能量获得装置，功率计自身不会获得使单个LED发光的足够能量。不过，当被连接到装置时，在所测量功率和使LED发光的足够电压方面，所述区域和电路对能量获得贡献出74.9毫瓦的量。
在图4a和4b中，依照19.0cm、17.25cm、16.0cm、14.7cm和11.0cm的顺序采用导电平面。分别依照17.25cm到19.0cm、16.0cm到19.0cm、14.7cm到19.0cm、11.0cm到19.0cm和0到19.0cm的顺序，以所述导电平面的顺序的类似实验的结果被产生。
尽管没有对于图4和5的结果提出数学模型，但显而易见，接近的互连(B)和电路(A2)通过增加获得天线的有效面积而对所获得能量的总量做出贡献。
显而易见，不止一种因素对获得能量时的天线/装置组合的有效性做出贡献。我们选择将由Rudenberg的结果所产生的有效面积记录为 Rudenberg有效面积，而将由于组件和互连而产生的剩余有效面积记录为 接近有效面积。
出于在印刷电路板(PCB)或互补金属氧化物半导体(CMOS)管芯上获得能量的目的，本发明涉及小型天线的设计和分析，以便给板上电路提供电力而无需电池或外部连接作为电源。
这种装置的早期设计已导致想要使用方螺旋线圈作为天线的轮廓。因此，本公开将主要地涉及方螺旋天线，尽管有时还会包括片状设计。
给定了方螺旋轮廓，仍存在许多必须被考虑和选择的设计参数。本公开涉及试图使用PCB实现来评估这些可选方案而运行的一系列实验。不过，最终目标是在CMOS管芯上实现方螺旋，从而解决这样的问题，即通过CMOS实现能够期望有什么样的性能差异。
分析方法是严格地依赖实验的，尽管可以少量参考关于天线或电子电路的经典方法。给出方螺旋实现的唯一目的是，在所述10千欧电阻的情况下，什么参数值在净负荷电路中提供最大数量的功率或能量。
已经构建了印制电路测试板，每一个测试板均包含目标天线，其中通过模数转换器测量通过目标负载的电压，通过红外线发送器将帧发送至连接于数据收集个人计算机的接收器。由小型电池为所述测试/测量电路供电。所有的测试/测量电路和电池均位于电路的接地平面之后，以便从激励射频(RF)源中屏蔽所述电路，由此可以认为对功率/能量的贡献是由所述电路产生的。
其他研究论证了可以将接近的电路用于帮助获得能量。
由于连接到被测试的装置(DUT)的测量装置，使得之前尝试测量由小型天线所获得的能量变得复杂。因此，此处的尝试直接在DUT上包括测试电路。如之前所指明的那样，由DUT所包括的电路可以对结果施加影响，从而导致将所述测试电路屏蔽于导电平面之后，如图6a-6d中所示。
数十年来，证明测试电路对实验结果不施加影响是困难的或者是不可能的，在本文中报告的结果说明，通过DUT的某些轮廓使所述影响最小化，例如，图6a-6d中针对天线A到D示出的天线区域。
在例如印刷电路板或互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片或管芯上的有限空间中的天线的设计需要考虑天线的多个物理因素，以获得最佳性能。这些因素包括：
(1)分配给天线的区域，包括构造天线的实际金属导体以及用于构造或形成所述金属导体所需的任何空间。所述金属导体具有某些特性，例如，形状(轮廓)、导体宽度、导体厚度以及导体长度。
(2)在本研究中考虑的轮廓之一是方螺旋。方螺旋的拓扑性质在于，可以在天线平面中从该螺旋的最外侧轨迹进行连接。这种连接将被称为微带线馈电。螺旋的内部终点必须通过通孔连接到PCB或CMOS管芯的另一层。这种连接将被称为探针(probe)馈电。在此处所报告的研究中考虑两种通用轮廓，方螺旋和方片形。
(3)天线环境包括任何形式的导体、绝缘体等，其存在于射频(RF)能量源和天线之间或天线之后。元件的一种形式可以是作为PCB或CMOS管芯的一部分所形成的接地平面。
(4)天线被连接到电路(在本情况中是能量获得电路)，其中所述天线和电路(负载)都具有阻抗。为了得到最佳性能，应始终保持：应该将两个阻抗匹配为复共轭，即，具有相等实部(电阻)分量的阻抗匹配。
(5)存在有天线设计中所涉及的两种面积。第一种是实现天线所需的物理面积。第二种是用天线所处的场中的功率密度来除在负载处所接收的功率而得到的有效面积，即，获得的功率＝功率密度×有效面积。
总之，在例如PCB或CMOS管芯的有限空间中的天线设计所涉及的因素有：
(A)物理面积
(B)轮廓
(C)天线导体宽度
(D)天线导体厚度
(E)天线导体长度
(F)馈电类型
(G)接地平面的存在
(H)阻抗匹配
(A)物理面积
已经构建了具有如图6a-6d中所说明的四个不同面积的方轮廓的四个天线。四个天线的负载处测量的电压响应在图2中示出。通过如图7中所示的那样绘制在负载处获得的电压而在50厘米的获得距离处比较这些天线。
基于图8的结果，如所期望的那样，显而易见，通过增加的面积而增加了所获得的能量值。此面积被称为物理面积。
(B)轮廓
在文中考虑两种轮廓：方螺旋和方片形。图9a-9e说明了五种天线，其中四个是方螺旋的，而一个是方片形的(天线D，板H1)。
在图10中说明了轮廓测试情况下的电压结果。从图10中可以证明，通过方片形可获得最好结果。虽然差异并不大，但差异是存在的。不过，方片形具有的缺点在于，用于阻抗匹配的阻抗需要电感器，因为所述片具有电容性阻抗。此外，物理面积决定了该天线的阻抗。在方螺旋天线的情况下，尽管维持了固定的物理面积，但天线的阻抗可以改变。在方片的情况下，所述匹配需要电感器，电感器很难在CMOS管芯上制造，也不容易精确地匹配于PCB实现中的管芯上的电感器或分立的电感器。当方片是电容性的时候，所述电感器被需要用来形成复共轭。
方螺旋可以通过轨迹宽度、厚度和相应间隔而被修改，以便基本上具有阻抗的连续区间，在图11中说明了许多这样的阻抗。当在负载和天线之间调整匹配阻抗时，此变化尤其有用。因此，从设计的观点出发，方螺旋是所选的轮廓。
当考虑方螺旋时，图9e中的天线E的长度大于天线A、B和C的X长度。天线E的长度大于3/4X。因此，在设计最有效率的PCB或管芯(芯片)天线时，天线导体的长度是一个因素。尽管出于设计目的，X长度比较好，因为增加的长度不会获得任何明显优势，但这不会构成最佳长度的证明。这里的主要贡献在于，天线导体长度是在天线设计中必须被考虑的因素。
(C)天线导体宽度
图9a-9c的天线A、B和C的轨迹宽度不同。基于图10的结果，图12示出了趋势线。
根据图12，天线B的电压下降速率是最小的。此外，天线B的趋势线具有最大的y截距。这两个结果都支持具有最窄轨迹宽度的天线B是这组实验中最佳的。
(D)天线导体厚度
针对天线厚度进行两个独立实验。第一个从类型A的天线中的一个开始，首先将额外的导电焊料添加到所述天线，接着移除所添加的焊料中的一些。这给出了原始厚度轨迹、厚得多的轨迹和其三的中间厚度的轨迹。这些步骤产生了在图13a中所指明的所述天线导体厚度的三种不同厚度。
使用另一组独立的板和步骤，从天线移除所有焊料，露出裸露的铜而给出最薄的轨迹厚度。接着将所述的铜电镀到天线上，以给出不同厚度的铜，从而给出天线导体厚度的三个不同值，如图13b中所示。在图13a-13b中说明了对于铅和铜添加物的测量结果。
基于图14a-14b，显而易见地，当天线导体厚度为最薄时，实现最优的能量获得、最高的电压电平。图14a中的两个较厚的轨迹的结果非常接近，并且关于这两个天线不应该独立地做出结论。从最厚的轨迹上除去焊料导致熔化较小数量的焊料，对天线轮廓具有极小的影响。不过，相对于最薄的轨迹厚度，这两个厚度可以被考虑为是显著的。
(E)天线导体长度
考虑图9a-9e和10，可以看出天线导体长度的结果。尽管在图19中的天线B和天线E的结果中出现某些等同，但是选择了在50厘米距离处的结果作为比较点，其示出额外的长度不会获得任何显著效果。事实上，当与天线A和C进行比较时，所述长度确实比较没有用。因此，最初的结论是，用于使面积最小化和使所获得能量的数量最大化的天线的基本准则是长度被保持为波长或约为波长。
图15a是天线B的趋势线，而图15a是天线E的趋势线。通过比较B和E，E的下降速率较大，并且E也具有较小的y截距。
在比较两个天线B和E时，可能存在另一显著的点。从传统的天线设计的观点来看，可以指出，两个天线应该具有比这些结果中所示出的更显著的差异的性能。
这里提供的解释是，小型天线的最显著特性是以下事实，即存在对修改天线有效面积的场进行干扰的调谐振荡回路。因此，这两个天线的显著不同的长度产生了类似的结果，该结果支持以下的想法，即调谐振荡回路电路是小型天线的最显著方面。
(F)馈电类型
图16a-16b提供了来自于天线的两种馈电的说明，即，所述两种馈电为(a)微带线馈电和(b)探针馈电。
图17中示出了这两种线路馈电的电压结果，其中显而易见地，优选类型的天线连接是微带线馈电。
(G)接地平面的存在
在例如片状的不同天线轮廓的许多应用中，想要通过可以基于接地平面和天线之间的介质的介电常数而计算的距离来提供与天线分离的接地平面。不过，在PCB或CMOS管芯实现的情况下，通过和天线设计无关的处理而确定天线和接地平面的潜在位置之间的距离和中间介质的介电常数。因此，作为规则，得到的接地平面并不位于所固定电介质的适当位置，或者所述电介质对于接地平面的位置是不正确的。
当前的PCB实验包括提供对接地平面的存在进行检测，以及在天线附近的接地平面的某种形式的净效果。在图18a-18b中说明了两类接地平面实验。第一个是直接在天线之后的常规接地平面，而第二个是在PCB反面上的天线附近的接地平面。图19中示出了针对图18a的情况的相应的电压测量。图18b中所说明的三种情况的结果是难于区分的。
基于图18a-18b，显而易见地，接地平面不是PCB实现所想要的特点。作为严谨的注解，有可能找到接地平面能够导致优势的天线/频率组合。不过，考虑到来自管理和功率/能量考虑的对频率的限制，这样的结果将是无法实践的。
如前所述，图18b中说明的三个不同大小的接地平面的结果是难于区分的。不过，在所有三种情况中所呈现的最佳电压是三个天线的不同物理阻抗匹配的结果。因此，尽管图18b的接近的接地平面不影响天线性能，但它们确实提供对天线和馈电线路阻抗的影响。
这里的结论是，一般而言，对于PCB或CMOS管芯类型的天线来说，不希望包括接地平面。此外，在实现某种阻抗或阻抗匹配时，接近的区域中的物理接地效应物体可以是有用的。
(H)阻抗匹配
如前所指明的那样，一般而言，想要作为复共轭将天线的阻抗与负载的阻抗匹配。不过，在出于能量获得的唯一目的而使用天线的情况下，有理由相信，另一种形式的匹配或所设计的不匹配可能不是优点。考虑如图20所示出的能量获得天线的模型。如Rudenberg所报告的那样，天线构成了具有非零电阻的非理想振荡回路。此电阻导致输入能量中的一些的重新传输，所述能量又干扰所传输的场，从而导致增加了天线的有效面积。
作为此研究的结果，可以推测，额外数量的重新传输的能量在干扰所述场以提供更大的有效面积时可以是具有优点的。可以认识到，此增加的有效面积是没有限制的。
Rudenberg重新传输的能量是图20的振荡回路电路中所示的电阻R的函数。我们推测，除此之外，图20的阻抗Z的故意不匹配可以导致增加的有效面积。
通过图20的振荡回路中的电阻R所增加的有效面积将被称为Rudenberg有效面积。通过Z的不匹配所导致的增加的有效面积和来自于负载的所得到的反射能量被称为接近有效面积。
这两个有效面积贡献的净效果被建模为就在图20的理想天线符号之下的两个电压源。
在图21中突出了对有效面积做出贡献的这两个特点。
通过反复尝试使阻抗匹配的仿真结果与当实际选择阻抗以在实验中增加所获得的能量/电压时所得到的实验结果相关，而得到关于阻抗Z的不匹配会导致从负载反射能量的推测的基础。在图22和23中示出了仿真和实验中的阻抗匹配的结果。
图22表示具有许多不同阻抗值的编辑过的电压结果，所述阻抗用于通过安排好的搜索过程而获得最有效的匹配。图22的N/S/E/W十字表示四个最好匹配的形心(centroid)，其可以通过使用电子元件的物理匹配而实现。
图23表示所匹配的阻抗的编辑过的值，连同强度的颜色编码(color coding)。图23的十字表示仿真的四个最好匹配的形心。需要重点注意，一般而言，所述仿真显然可以不表示实际的电路，因为细微差异很难模拟。不过，进行了多次尝试，以基于模型和相应的测试结果来校准所述仿真。不过，它们均不是成功的。
因此，这一次，图23的基于复共轭阻抗的仿真匹配和物理测试中的实际的最好匹配之间的差异是由于图21中阻抗z的不匹配。对于该不匹配的有效性存在限制。
如之前所指出的那样，图22和23中示出的直接位于理想的天线符号之下的两个电压源是由作为非理想振荡回路中的R的结果的能量的重新传输以及由于阻抗Z的不匹配而从负载反射的能量所产生的。
结论
本研究的一个重要方面是能够根据实验来对除了天线之外还需要大量额外研究的某些结果的可行性进行评估。例如，考虑需要将被设计的其他电路的片上系统(SOC)的实现，所述电路又通过此处所讨论的能量获得技术来供电。可能需要相当大的工作量来开发所述净负荷电路，并且希望知道可以达到什么样的功率电平。
图8给出了通过10千欧负载所获得的电压的趋势线。因此，当天线在一边为1.58mm时，可以期望通过天线A的厚度而获得的功率是：
Power＝{[0.5918*(1.582)J0～～85]2}/104＝80j.t watts
不过，基于较窄和较薄的轨迹，可以期望电压至少被加倍。这将导致：
Power＝{[2*0.5918*(1.582)]04485]2}/104＝178j.i watts
此结果显示了通过较窄和较薄的导体轨迹达到最高的电压。从能量获得方案中，这不是所期望的。在所涉及的频率上，电流倾向于在外侧表面流动，并可能有将产生损耗的流向内部的涡电流。
考虑仅减少轨迹的宽度。PCB轨迹在700到1300微米的范围内。图24a中示出了用于图7中针对天线A、B和C所示的线性下降中的斜率(y＝-Mx+b，M是线性下降或趋势线的斜率)的数据的曲线图。
所述讨论点完全可以看出，所获得的能量随着天线轨迹图案的宽度的减小的下降速率。例如，图10的趋势线具有斜率和y截距，即上面对于y的方程式中的M和b。这里的讨论仅涉及趋势线的斜率M。y截距主要是天线面积的函数，并且在当前的讨论之外。
基于图24b中所示的投影，当将天线轨迹宽度减少为25微米时，对于天线B，能量的下降速率是与-0.0421作比较的-0.0328。
因此，仅基于图24b中的投影，从PCB实现到CMOS管芯的下降速率的提高是大约22％。因此，一般而言，可以期望，当源和装置之间的距离增加时，在CMOS管芯的性能的劣化将大大好于(每个单位距离更小)PCB实现。
从图25中可以看出此差异的影响的示例，假设有将使在50厘米处所获得电压保持不变截距点。
通过考虑来自于图13b的厚度结果可以获得从PCB天线到CMOS管芯的天线的投影处的另一个有趣看法。下面在图26a中示出了厚度减少的结果。基于适合这些数据点的趋势线，在图26b中示出了大约1微米的外推(extrapolation)。如果可以假设PCB和CMOS管芯在例如50厘米处具有相同值，则可以推测，图14b中示出的断点可以被延长至13,600厘米或446英尺。
显而易见地，很难保证从70厘米到446英尺的简单延长。这里的观点是，在天线设计中存在必须加以考虑的某些参数，所述参数提供进入实验开发的方向，所述开发将最终产生工作成果，尽管关于为什么的理论可能被延迟相当长的时间。
除了外推之外，不存在任何可以达到446英尺的建议。此结果是针对铜的，而通过铝也能实现多数当前处理。
这些结果的一个主要结论是，不要将从PCB实现到CMOS管芯的转变考虑为不利的转变。
由于和CMOS管芯相比较的每单位(等同的)面积的PCB的相对成本，PCB到CMOS管芯的转变的主要简化是伴随期望减少面积的。
通过对于源天线相同方向上的天线而获得所有之前的结果。为了评估方向问题，图27示出了所测试的六个方向。
图28中示出了用于所述六种配置的作为距离曲线的函数的电压。显而易见地，最有利的位置是位置1和2。位置1是用于得到所有之前结果的位置。为了完整性而包括了两个方向5和6。不过，这两个方向根本不是有利的。包括它们的一个原因在于，在先前Delta1CMOS天线上的测试中，这两个方向是有利的。这一次，不再尝试查明为什么对于水平天线的PCB和CMOS结果会出现不同。
在图29中给出了图28的曲线的趋势线。根据这些趋势线，就y截距而言，位置1是最好的。不过，对于这两个位置，位置2的下降速率是最好的。如果我们考虑基于2.5伏特运行的典型的PIC微控制器的最长距离，位置2得到90.8厘米，而位置1得到89.1厘米。基于趋势线，这两个结果非常接近。
下面在图30中示出了趋势线的负斜率和y截距。沿着横坐标示出的角度是微带类型馈电的馈电线路，其中所述角度以负载电路的方向始于馈电线路。在图27中，P4是0度，P2是90度，P4是180度，而P1是270度。
基于此处所报告的结果，结论总结如下：
1.阻抗匹配是重要的，但不能确保对于小型天线的固定面积的最佳性能；
2.波长的天线是对于固定面积的最佳天线；
3.所述面积是最重要的因素——给定1和2；
4.螺旋天线轮廓是优选的，因为匹配阻抗会很容易；
5.最窄的轨迹(宽度)是优选的；
6.最薄的轨迹(高度)是优选的；
7.增加的导体长度不会为能量获得提供任何益处；
8.微带线馈电优于探针馈电；
9.天线下面应该没有接地平面；
10.基于阻抗匹配的考虑，比起方片形，方螺旋是优选的；
11.振荡回路电阻和由于不匹配阻抗而反射的负载功率会增加小型天线的有效面积。
尽管为了公开的方便，将主要注意力引向了对采用IC芯片或印刷电路板的本发明的优选实施例的使用，但是，本发明还可以有利地被用于和无线无系留装置中的其他衬底相连接。
尽管出于说明的目的，此处公开了本发明的特定实施例，但是对于本领域技术人员很明显的是，无需背离如所附权利要求中所提出的本发明就可以对细节做出多种改变。

Claims (16)

1.一种无线无系留装置，其具有至少一个天线和在操作上关联于所述天线用于接收由所述天线从空间中所获得的能量的电路，并且所述天线具有大于其物理面积的有效面积。
2.根据权利要求1的无线无系留装置，包括：
所述无线无系留装置是从包括集成电路芯片和印刷电路板的组中选择的。
3.根据权利要求2的无线无系留装置，包括：
所述至少一个天线是集成的天线。
4.根据权利要求1的无线无系留装置，包括：
所述无线无系留装置是集成电路芯片。
5.根据权利要求4的集成电路芯片，包括：
所述天线在所述芯片上被整体地形成。
6.根据权利要求5的集成电路芯片，包括：
所述天线被构造成用于接收RF能量并将其传递给所述电路。
7.根据权利要求6的集成电路芯片，包括：
所述电路被构造成用于将所述RF能量转换为用于给电子器件供电的直流电。
8.根据权利要求6的集成电路芯片，包括：
用于传输数据的第二整体天线。
9.根据权利要求6的集成电路，包括：
所述天线是螺旋天线。
10.根据权利要求6的集成电路，包括：
所述螺旋天线是方螺旋的。
11.根据权利要求4的集成电路，包括：
所述电路具有用于建立大于其物理面积的天线有效面积的振荡回路电路。
12.根据权利要求9的集成电路，包括：
所述天线具有所述RF能量的大约1/4波长的长度。
13.根据权利要求4的集成电路，包括：
被连接到所述天线的微带馈电线路。
14.根据权利要求4的集成电路，包括：
被构造成由来自于所述电路的DC电力进行供电的在所述芯片上的系统。
15.根据权利要求4的集成电路，包括：
所述电路具有非零电阻，所述非零电阻导致重新传输所述能量中的一些，由此与所传输的能量发生干涉，并增加所述天线的有效面积。
16.根据权利要求14的集成电路，包括：
所述系统具有关于所述天线的阻抗不匹配。
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