TWI837159B - 射頻能量採集電路及整合此種射頻能量採集電路之通訊裝置 - Google Patents

Abstract

本發明是有關於一種射頻能量採集電路(20)，其包含一適合用於接收所述射頻能量的天線(21)、一適合用於轉換接收到的所述射頻能量成為一直流電壓的RF/DC轉換器(23)、一電能儲存容量(25)、以及一被配置在所述RF/DC轉換器(23)的一輸出埠以及所述電能儲存容量(25)之間的介面電路(24)。所述介面電路(24)是一被動電路，其包含一被串聯設置在所述RF/DC轉換器(23)的輸出埠以及所述電能儲存容量(25)之間的電阻性負載，所述電阻性負載是具有等於或大於400千歐姆的靜態值。本發明亦有關於一整合此種射頻能量採集電路之通訊裝置。

Description

射頻能量採集電路及整合此種射頻能量採集電路之通訊裝置

本發明是屬於能量採集電路的領域，並且更明確的是有關於一種用於在低接收位準下採集射頻能量的射頻能量採集電路。

圖1概要地展示射頻能量採集電路10的一已知的例子。

如同在圖1中所繪的，根據習知技術的射頻能量採集電路10首先是包含一適合用於接收該射頻能量的天線11。

該射頻能量採集電路10亦包含一適合用於轉換所接收到的射頻能量成為一直流電壓的轉換器，所謂的RF/DC轉換器13。一般而言，RF/DC轉換器13是一電壓倍增器整流電路，其是由例如具有格賴納赫(Greinacher)電路形式的相互連接的一或多個二極體以及一或多個電容器所構成的。

該射頻能量採集電路10亦包含一在天線11以及RF/DC轉換器13之間的阻抗匹配電路12，其目標是匹配天線11以及RF/DC轉換器13的個別的阻抗。

由天線11、阻抗匹配電路12以及RF/DC轉換器13所構成的組件 在科學文獻中亦以整流天線(或是“rectenna”)的名稱著稱的。

射頻能量採集電路10亦包含一介面電路14，其產生在該RF/DC轉換器13以及一電能儲存容量15之間的介面。其它設備(感測器、微處理器、無線通訊電路、等等)接著是從該儲存容量15被供應電能。

傳統上，介面電路14目標是最大化被供應至儲存容量15的電功率。為此目的，介面電路14包含一最大功率點追蹤電路，所謂的MPPT電路140。在一已知的方式中，MPPT電路140動態地修改來自RF/DC轉換器13的負載輸出，以便於最大化從MPPT電路140輸出的電功率。MPPT電路140亦最常藉由直流升壓電路，所謂的DC/DC升壓轉換器141加以監測，其目標是增加在儲存容量15的端子處的最大電壓值。

當藉由天線11接收到的射頻能量不會太低，大於-17dBm時，如同在圖1中所繪的射頻能量採集電路10具有良好的效能。對於此種接收到的射頻能量位準而言，介面電路14確實使得最大化被供應至儲存容量15的電功率成為可能的，並且因此有效且快速地對其充電。

然而，此種射頻能量採集電路10並不適合其中藉由天線11接收到的射頻能量是較低的狀況。例如，低於-20dBm的接收到的射頻能量位準一般將會是不足以單獨供應MPPT電路140，MPPT電路140包含許多必須被供應電能才能夠運作的主動構件。藉由RF/DC轉換器13供應的電能並不足以操作MPPT電路140以及更一般而言的介面電路14，於是充電儲存容量15是不可能的。

例如，在一無線電源供應系統中，其中射頻能量採集電路10是藉由一射頻能量發送器而遠端地供電，於是用於充電儲存容量15的接收到的電能的最小位準決定無線電源供應系統的最大範圍。對於以33dBm(2瓦)發送的射頻能量發送器而言，-17dBm的接收位準是對應於10公尺的最大範圍。然而， 對於某些應用而言，所要的是能夠達到大於20或30公尺的最大範圍，此在如同在圖1中所繪的射頻能量採集電路10之下是不可能的。

本發明的目標是藉由提出一種解決方案來補救習知技術的解決方案的限制的全部或部分，特別是上述的限制，該解決方案是使得射頻能量能夠在比習知技術的接收位準更低的接收位準下加以採集。

為此目的，並且根據一第一特點，本發明是有關於一種射頻能量採集電路，其包含一適合用於接收該射頻能量的天線、一適合用於轉換接收到的射頻能量成為一直流電壓的RF/DC轉換器、一電能儲存容量、以及一被配置在該RF/DC轉換器的一輸出埠以及該電能儲存容量之間的介面電路。該介面電路是一被動電路，其包含一被串聯設置在該RF/DC轉換器的輸出埠以及電能儲存容量之間的電阻性負載，因而該RF/DC轉換器透過該電阻性負載來充電該電能儲存容量，該電阻性負載是具有等於或是大於400千歐姆的靜態值。

因此，相對於根據上述習知技術的包含MPPT電路140的介面電路14，而MPPT電路140包含許多必須被供電的主動構件，根據本發明的介面電路是一被動電路，亦即只由被動構件所構成的。因此，即使接收到低的射頻能量位準，充電該儲存容量仍然是可能的。

尤其，根據本發明的介面電路是包含一被串聯配置在該RF/DC轉換器的輸出埠以及電能儲存容量之間電阻性負載，並且較佳的是由該電阻性負載所構成的。再者，該電阻性負載是具有高的值，亦即大於400千歐姆(400kΩ)。該電阻性負載的值是靜態的，亦即其無法被修改，並且因此不論接收到的射頻能量位準為何都是相同的。此種串聯在該RF/DC轉換器以及儲存容量之間的具有高值的電阻性負載因為焦耳效應而帶來損失，所述損失隨著該電阻 性負載的值是高的而格外重要。原則上，此種因為焦耳效應的損失將會需要加以避免，因為由電阻性負載所消耗的電能並未被傳送至該儲存容量。然而，本發明人注意到此種電阻性負載的存在將會使得改善該射頻能量採集電路的靈敏度成為可能的，因而即使接收到低的射頻能量位準，儲存容量15仍然可被充電。所述電阻性負載的值越高，理論上所述射頻能量採集電路的靈敏度越高。在較佳實施例中，電阻性負載的值可以是大於1百萬歐姆(1MΩ)、或甚至是大於3或6MΩ。

然而，不言而喻的是有關於習知技術，被發送至儲存容量的電功率並未被最大化。

例如，在大於-17dBm的接收到的射頻能量位準下，習知技術的射頻能量採集電路10是使得更快速地充電儲存容量15成為可能的。因此，根據本發明的射頻能量採集電路並未使得具有和習知技術一樣快速的充電成為可能的，然而卻使得在根據習知技術的射頻能量採集電路沒有負載是可行的接收到的射頻能量位準下充電儲存容量成為可能的。

被串聯配置在RF/DC轉換器的輸出埠以及儲存容量之間的電阻性負載的另一優點在於事實其使得保護射頻能量採集電路對抗可能的過電流成為可能的，因為電阻性負載的高值將會限制循環在射頻能量採集電路中的電流的最大強度。因此，所述電阻性負載使得改善射頻能量採集電路的靈敏度以及限制循環於其中的電流強度兩者成為可能的。

在特定的實施例中，射頻能量採集電路可以進一步包含以下的特點中的單獨或根據任何可能的技術組合來採用的一或多個。

在特定的實施例中，所述電能儲存容量包含一超級電容器。

在特定的實施例中，該RF/DC轉換器是一格賴納赫電路。

根據一第二特點，本發明是有關於一種通訊裝置，其包含： -一通訊電路，-根據本發明的實施例的任一個的一射頻能量採集電路，-一電壓控制電路，其被配置以評估一充分的電壓標準，並且在該充分的電壓標準被驗證時，從該電能儲存容量供應電能給該通訊電路。

在特定的實施例中，該通訊裝置可以進一步包含以下的特點中的單獨或根據任何可能的技術組合來採用的一或多個。

在特定的實施例中，該電壓控制電路包含一直流升壓電路，所謂的DC/DC升壓轉換器。

在特定的實施例中，該通訊電路包含一控制模組以及一適合用射頻信號的形式來發送訊息的無線通訊模組。

在特定的實施例中，該無線通訊模組係被配置以用一序列的超寬頻無線電脈衝的形式來發送每一個訊息。

在特定的實施例中，該控制模組被配置成當其被供應電能時用以：-藉由該無線通訊模組來發送一第一訊息，-選擇一隨機發送延遲，並且在所選的隨機發送延遲的到期之後藉由該無線通訊模組來發送一第二訊息。

此種設置使得降低在藉由不同的通訊裝置所發送的訊息之間的衝突機率成為可能的，尤其是針對於被激勵以同時發送的通訊裝置，例如是一起通過一配備有射頻能量發送器的入口結構的通訊裝置而言。在此一情形中，射頻能量發送器快速地充電通訊裝置，此隨著時間過去傾向分組藉由所述通訊裝置的第一訊息的發送，因而在第一訊息之間的衝突機率是潛在高的。所述隨機發送延遲是被選擇以隨著時間過去隨機地散開所述第二訊息的發送，此使得降低在第二訊息之間的衝突機率成為可能的。

10:射頻能量採集電路

11:天線

12:阻抗匹配電路

13:RF/DC轉換器

14:介面電路

15:儲存容量

20:射頻能量採集電路

21:天線

22:阻抗匹配電路

23:RF/DC轉換器

24:介面電路

25:電能儲存容量

30:電壓控制電路

31:負載評估模組

32:開關

33:DC/DC升壓轉換器

40:通訊電路

41:控制模組

42:無線通訊模組

50:通訊裝置

140:MPPT電路

141:DC/DC升壓轉換器

230:輸入埠

231:輸出埠

240:電阻性負載

E1、E2、E3、E4:級

本發明在閱讀以下藉由非限制性的例子給出並且參考圖式所做成的說明之後將會更佳的理解，所述圖式係展示：圖1為已經敘述根據習知技術的一種射頻能量採集電路的示意圖，圖2為根據本發明的一種射頻能量採集電路的一實施例的示意圖，圖3為一RF/DC轉換器的一實施例的示意圖，圖4為根據本發明的一種包含一射頻能量採集電路的通訊裝置的一實施例的示意圖，圖5為圖4的通訊裝置的一替代實施例的示意圖。

在所述圖式中，圖式之間相同的元件符號是指相同或類似的元件。為了清楚起見，除非另有指明，否則所展示的元件並未按照比例。

圖2概要地展示根據本發明的一種射頻能量採集電路20的實施例的一個例子。

如同在圖2中所繪的，射頻能量採集電路20首先是包含一天線21，其適合用於接收在一預設的頻帶，例如是一中心在867百萬赫(MHz)或是在915MHz的頻帶之內的射頻能量。然而，並不排除考量中心在其它頻率的頻帶。

射頻能量採集電路20亦包含一適合用於轉換藉由天線21接收到的射頻能量成為一直流電壓的轉換器，所謂的RF/DC轉換器23。更明確地說，射頻能量是以一交流電壓的形式在RF/DC轉換器23的一輸入埠230加以接收。藉由射頻能量的轉換所獲得的直流電壓係在RF/DC轉換器的一輸出埠231加以供 應。

射頻能量採集電路20亦在天線21以及RF/DC轉換器23的輸入埠230之間包含一阻抗匹配電路22，其目標是在預設的頻帶之內匹配天線21以及RF/DC轉換器23的個別的阻抗。大致而言，阻抗匹配電路22偏離本發明的範疇，因而此種阻抗匹配電路22的設計被視為是在熟習此項技術者的能力之內。

射頻能量採集電路20亦包含一介面電路24，其產生在RF/DC轉換器23的輸出埠231以及一電能儲存容量25之間的介面。其它設備(感測器、微處理器、無線通訊電路、等等)接著是從儲存容量25被供應電能。儲存容量25例如是由一或多個電容器、或是一或多個超級電容器、等等所形成的。儲存容量25的值例如是介於10微法拉(μF)到220μF之間。

根據本發明，介面電路24是一被動電路。根據“被動電路”，所了解的是介面電路24只包含被動構件(線圈、電容器或是電阻)。介面電路24包含至少一被串聯配置在RF/DC轉換器23的輸出埠231以及電能儲存容量25之間的電阻性負載240，因而RF/DC轉換器23是透過電阻性負載240來充電儲存容量25。電阻性負載240包含一第一端子以及一第二端子。電阻性負載240的第一端子是連接至RF/DC轉換器23的輸出埠231，並且電阻性負載240的第二端子是連接至儲存容量25的一第一電極。電能儲存容量25亦包含一連接至電性接地的第二電極。

根據“電阻性負載”，所理解的是在第一端子及第二端子之間的單一電阻(離散的構件)、或是在第一端子及第二端子之間相互串聯及/或相互並聯的一群組的電阻(離散的構件)的等效電阻。較佳的是，並且如同在圖2中所繪的，電阻性負載240是由單一電阻所構成的。電阻性負載240進一步是具有高的值，亦即等於或大於400kΩ。

電阻性負載240的值是靜態的，亦即其無法隨著時間過去而被控 制或修改的，並且因此完全由構成電阻性負載240的一或多個離散構件(電阻)的選擇來加以決定並且凍結。

在RF/DC轉換器23以及儲存容量25之間並沒有必須被供電才能運作的主動構件(並且因此並沒有MPPT電路)，而是串聯耦接在RF/DC轉換器23以及儲存容量25之間的電阻性負載240的高值使得相對於參考圖1所述的習知技術的射頻能量採集電路10來改善射頻採集電路20的靈敏度成為可能的。

再者，射頻能量採集電路20的靈敏度是隨著電阻性負載240的值而增加。在較佳實施例中，電阻性負載240的值可以是等於或大於1MΩ、或甚至是等於或大於3或6MΩ，以便於增加射頻能量採集電路20的靈敏度。同樣應注意到的是，此種具有高值的電阻性負載240的存在是使得簡化匹配電路22的設計成為可能的。

較佳的是，並且如同在圖2中所繪的，介面電路24是由電阻性負載240所構成的，換言之除了電阻性負載240之外，其在RF/DC轉換器23以及電能儲存容量25之間並不包含任何構件。然而，根據其它例子，並不排除具有一包含其它被動構件的介面電路24，例如是用以產生一被動濾波器。

RF/DC轉換器23例如是由相互連接的一或多個二極體以及一或多個電容器所構成的電壓倍增器整流電路。

圖3概要地展示RF/DC轉換器23的實施例的一非限制性的例子，其中RF/DC轉換器23是一格賴納赫電路。此種格賴納赫電路是以一種熟習此項技術者已知的方式包含至少兩級，每一級包含一電容器以及一二極體(較佳的是一蕭特基二極體)。在圖3描繪的非限制性的例子中，該格賴納赫電路包含級E1、E2、E3及E4，其理論上使得在輸出埠231獲得一可以上升到達在輸入埠230接收到的交流電壓的振幅的四倍的直流電壓成為可能的。然而，根據其它例子，並不排除考量一種包含非四個的數量的級的格賴納赫電路。通常，級的 數量是考量在RF/DC轉換器23以及儲存容量25之間的電阻性負載240的存在，根據在儲存容量25的端子處所要的電壓以便於能夠供電其它設備來加以選擇的。

實際上，具有高值的電阻性負載240使得改善射頻能量採集電路20的靈敏度成為可能的，因為事實上循環在整流天線(天線21、匹配電路22及RF/DC轉換器23)中的電流的強度是由於電阻性負載240的高值而為低的，此使得限制由RF/DC轉換器23的二極體的寄生電阻(串聯電阻)所引發的電壓損失成為可能的。對於在輸入埠230的相同的交流電壓而言，所述電流的強度越低，則在輸出埠231的直流電壓越高。換言之，RF/DC轉換器23的功效是藉由降低所述電流的強度而被改善。再者，此使得在不過度地增加所述電壓損失下，增加RF/DC轉換器23的級的數量成為可能的。

如上所指出的，在儲存容量25中所儲存的電能接著被用來供應其它設備。

在本說明的其餘部分中，吾人是以一非限制性的方式而被置於其中射頻能量採集電路20是被實施在一通訊裝置50內的狀況中，亦即被實施在一件利用儲存容量25中所儲存的電能以便於發送欲針對於一或多個接收裝置的訊息的設備中，所述接收裝置的每一個可以進一步是一被實施以遠端地供電該通訊裝置50的射頻能量發送器。

圖4概要地展示一通訊裝置50的實施例的一個例子。

如同在圖4中所繪的，除了根據本發明的一射頻能量採集電路20之外，所述通訊裝置50包含：一通訊電路40，一電壓控制電路30，其被配置在射頻能量採集電路20以及通訊電路40之間。

一般而言，控制電路30是被配置以確保被供應至通訊電路40的 電壓是足以使得通訊電路40能夠正確地運作並且因此發送至少一訊息。因此，控制電路30被配置以評估一充分的電壓標準，並且當所述充分的電壓標準被驗證時，從電能儲存容量25供應電能給通訊電路40。

在圖4描繪的例子中，所述充分的電壓標準的評估主要是以兩個階段執行的。首先，控制電路30包含一負載評估模組31，其例如是藉由比較在儲存容量25的端子處的電壓與一預設的臨界值來驗證儲存容量25的負載是否足夠。一般而言，熟習此項技術者已知的任意類型的負載評估模組31都可加以實施，因而一特定類型的負載評估模組的選擇只構成本發明的一替代的實施方式而已。當所述負載被視為足夠的，則一先前是在開路狀態的開關32係被負載評估模組31命令成為閉合的狀態。在圖4描繪的例子中，電壓控制電路30包含一直流升壓電路，所謂的DC/DC升壓轉換器33，其於是藉由儲存容量25來加以供電。所述充分的電壓標準於是只有在由DC/DC升壓轉換器33供應的升高的電壓已經到達一足以供應通訊電路40的電壓時才完全被驗證。當為此種情況時，所述升高的電壓被供應至通訊電路40，其於是可被啟動以便於尤其是發送一訊息。

應注意到的是，只有若由儲存容量25(並且因此由RF/DC轉換器23)供應的電壓是不足以直接供應通訊電路40時，DC/DC升壓轉換器33的存在才是必要的。

在相反的情況中，DC/DC升壓轉換器33的存在是不必要的，並且圖5概要地展示其中電壓控制電路30並沒有DC/DC升壓轉換器33的實施例的一個例子。

在圖4及5描繪的例子中，通訊電路40包含一控制模組41以及一無線通訊模組42。

無線通訊模組42例如是以一射頻電路的形式而被提出，其包含 被視為熟習此項技術者已知的適合用於以射頻信號的形式來發送訊息的設備(天線、放大器、本地振盪器、混頻器、類比濾波器、等等)。

例如，無線通訊模組42是被配置以用一序列的超寬頻無線電脈衝的形式來發送每一個訊息。根據“超寬頻”或“UWB”，所了解的是以一射頻信號的形式發送的訊息在一給定的時點具有一大於500MHz的寬度的瞬間的頻譜(在相關於所述瞬間的頻譜的最大功率的-10dB處)。例如，所述訊息是在一中心在4十億赫(GHz)及/或中心在7.25GHz的頻帶之內加以發送。然而，並不排除考量中心在其它頻率的頻帶。

控制模組41例如是包含一或多個處理器以及一電腦程式產品被儲存其中的儲存裝置(硬式磁碟機、電子記憶體、光碟、等等)，所述電腦程式產品具有一組待被執行以便於控制無線通訊模組42的操作的程式碼指令的形式。替代或是額外地，控制模組41包含適合用於控制無線通訊模組42的操作的一或多個可程式化的邏輯電路(FPGA、PLD、等等)、及/或一或多個特殊積體電路(ASIC)、及/或一組離散的電子構件、等等。

換言之，控制模組41包含一組藉由軟體(特定的電腦程式產品)配置的裝置、及/或硬體(FPGA、PLD、ASIC、離散的電子構件、等等)，以控制無線通訊模組42。

在較佳實施例中，控制模組41在其被供應電能時被配置以：藉由無線通訊模組42來發送一第一訊息，選擇一隨機發送延遲，並且在所選的隨機發送延遲的到期之後藉由無線通訊模組42來發送一第二訊息。

此種設置使得降低某些訊息的衝突機率成為可能的。所述隨機發送延遲例如是在一預設可能的延遲範圍之內隨機選擇的，所述範圍是藉由一可以是正的或是零的最小延遲值、以及一可以是大於一或多個訊息的持續期間 的最大延遲值來加以定界。一般而言，任何已知用於選擇隨機值的方法都可被實施，並且一特定的方法的選擇只構成本發明的一替代的實施方式。所採用的隨機值選擇方法必須使得確保在同一給定的時點，兩個不同的通訊裝置50同時選擇相同的隨機發送延遲的機率是低的成為可能的。一旦隨機發送延遲已經加以選擇後，控制模組41以及無線通訊模組42在發送第二訊息之前等待所選的隨機發送延遲的整個持續期間。所述第二訊息只有在所選的隨機發送延遲的到期時才藉由無線通訊模組42來發送。

20:射頻能量採集電路

21:天線

22:阻抗匹配電路

23:RF/DC轉換器

24:介面電路

25:電能儲存容量

230:輸入埠

231:輸出埠

240:電阻性負載

Claims (10)

1. 一種射頻能量採集電路(20)，其包含適合用於接收所述射頻能量的天線(21)、適合用於轉換接收到的所述射頻能量成為直流電壓的RF/DC轉換器(23)、電能儲存容量(25)、以及被配置在所述RF/DC轉換器(23)的輸出埠(231)以及所述電能儲存容量(25)之間的介面電路(24)，所述射頻能量採集電路(20)的特徵在於所述介面電路(24)包含被串聯設置在所述RF/DC轉換器(23)的輸出埠(231)以及所述電能儲存容量(25)之間的電阻性負載(240)的被動電路，因而所述RF/DC轉換器(23)透過所述電阻性負載來充電所述電能儲存容量(25)，所述電阻性負載具有等於或大於400千歐姆的靜態值。
2. 如請求項1所述之射頻能量採集電路(20)，其中所述電阻性負載(240)具有等於或大於1百萬歐姆的值。
3. 如請求項2所述之射頻能量採集電路(20)，其中所述電阻性負載(240)具有等於或大於3百萬歐姆的值。
4. 如請求項1至3的任一項所述之射頻能量採集電路(20)，其中所述電能儲存容量(25)包含超級電容器。
5. 如請求項1至3的任一項所述之射頻能量採集電路(20)，其中所述RF/DC轉換器(23)是格賴納赫電路。
6. 一種包含通訊電路(40)之通訊裝置(50)，特徵在於其包含：如請求項1至5的任一項所述之射頻能量採集電路(20)，電壓控制電路(30)，其被配置以評估充分的電壓標準，並且當所述充分的電壓標準被驗證時，從所述電能儲存容量(25)供應電能給所述通訊電路(40)。
7. 如請求項6所述之通訊裝置(50)，其中所述電壓控制電路(30)包含直流升壓電路，且其中所述直流升壓電路包括DC/DC升壓轉換器(33)。
8. 如請求項6或7所述之通訊裝置(50)，其中所述通訊電路(40)包含 控制模組(41)、以及適合用於以射頻信號的形式來發送訊息的無線通訊模組(42)。
9. 如請求項8所述之通訊裝置(50)，其中所述無線通訊模組(42)被配置以用超寬頻無線電脈衝的序列的形式來發送每一個訊息。
10. 如請求項8所述之通訊裝置(50)，其中所述控制模組(41)在其被供應電能時被配置以：藉由所述無線通訊模組(42)來發送第一訊息，選擇隨機發送延遲，並且在所選的隨機發送延遲的到期之後，藉由所述無線通訊模組(42)來發送第二訊息。