可重构的CMOS射频能量采集系统技术方案

本发明专利技术公开了一种可重构的CMOS射频能量采集系统，包括：低功率支路，用于将较低功率的射频能量转换成直流能量；高功率支路，用于将较高功率的射频能量转换成直流能量，包含：整流器结构和可调谐阻抗匹配网络，该整流器结构包含若干可进行串联、并联连接切换的整流器单元，该高功率支路能根据不同输入功率的射频能量配置不同的可调谐阻抗匹配网络和整流器结构，将不同输入功率的射频能量最大化的转换成直流能量；以及控制电路，根据不同输入功率的射频能量自动控制低功率支路与高功率支路的切换、以及控制高功率支路中可调谐阻抗匹配网络和整流器结构的配置。该系统实现对射频能量宽动态范围、高效率的能量采集，并可有效提高能量采集的灵敏度。

Reconfigurable CMOS radio frequency energy acquisition system

The invention discloses a reconfigurable CMOS radio frequency energy acquisition system, which includes a low power branch for converting low power radio frequency energy into direct current energy; high power branch is used to convert high power RF energy into DC energy, including: rectifier structure and tunable impedance matching network, which rectifying. The device consists of a number of rectifier units that can be connected in series and parallel connection. The high power branch can configure different tunable impedance matching networks and rectifier structures according to the radio frequency energy of different input power, convert the RF energy of different input power into DC energy, and control circuit. According to the radio frequency energy of different input power, the switching between the low power branch and the high power branch is automatically controlled, and the configuration of the tunable impedance matching network and the rectifier structure in the high power branch is controlled. The system can achieve RF energy wide dynamic range and high efficiency energy acquisition, and can effectively improve the sensitivity of energy acquisition.

【技术实现步骤摘要】
可重构的CMOS射频能量采集系统
本公开属于射频集成电路设计领域，涉及一种可重构的CMOS射频能量采集系统。
技术介绍
近年来，无线传感网络(WSN)得到了广泛应用。无线传感器节点不仅需要较小的尺寸和较低的功耗，而且考虑到其可能应用于较恶劣的自然环境或者是植入式医疗设备中，无法进行电池的更换和有线充电，这就要求无线传感器节点还应具备较强的自供电能力。射频能量采集技术是目前解决WSN中能量受限问题的首选方案，即通过捕获周围环境中的微弱射频能量，将其转换为电能，为低功耗传感器节点提供工作所需的电源电压。虽然射频能量采集技术具有很好的应用前景，但是也面临了诸多挑战：首先，环境中可用的射频信号功率很微弱，只有μW的量级，若要从μW量级的射频能量源中采集到所需的直流电压，射频能量采集系统必须具备高灵敏度和高效率，为了提高系统灵敏度，应降低整流器的开启电压；其次，射频能量采集系统的射频输入功率随时会发生不可预知的变化，这些变化会间接影响系统的能量转换效率。因此，射频能量采集系统效率的提高不能只是单一地提高某一特定输入功率下的效率，而是应该考虑如何解决效率随输入功率变化而不断变化这一问题，设法在更宽的输入功率范围内保持相对较高的能量转换效率。这就需要射频能量采集系统具备自调谐功能，能够根据输入功率的变化自适应地调节系统内部整流器和阻抗匹配网络的结构或参数，保持系统效率在一个相对较高值。因而，针对以上射频能量采集系统所面临的问题，亟需一个高效的可自适应调谐的射频能量采集系统，使系统在宽输入功率范围内都能保持一个较高的能量转换效率。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种可重构的CMOS射频能量采集系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种可重构的CMOS射频能量采集系统，包括：低功率支路，用于将较低功率的射频能量转换成直流能量；高功率支路，用于将较高功率的射频能量转换成直流能量，包含：整流器结构和可调谐阻抗匹配网络，该整流器结构包含若干可进行串联、并联连接切换的整流器单元，该高功率支路能根据不同输入功率的射频能量配置不同的可调谐阻抗匹配网络和整流器结构，将不同输入功率的射频能量最大化的转换成直流能量；以及控制电路，根据不同输入功率的射频能量自动控制低功率支路与高功率支路的切换、以及控制高功率支路中可调谐阻抗匹配网络和整流器结构的配置。在本公开的一些实施例中，低功率支路具有输入端、输出端、以及控制端，其输入端与射频天线相连，其输出端与CMOS射频能量采集系统的输出端相连；高功率支路具有输入端、输出端、以及控制端，其输入端与射频天线相连，其输出端与CMOS射频能量采集系统的输出端相连；控制电路，具有输入端和控制字输出端，其输入端分别与CMOS射频能量采集系统的输出端和参考电压相连，其控制字输出端分别与低功率支路的控制端和高功率支路的控制端相连。在本公开的一些实施例中，高功率支路还包含：开关S1，开关S1与可调谐阻抗匹配网络相连；以及开关S2，与整流器结构的输出端相连；其中，整流器结构，与可调谐阻抗匹配网络相连，包括：第二整流器、第三整流器、以及开关组，其中，开关组设置于第二整流器与第三整流器之间，实现第二整流器与第三整流器的串、并联转换，使第二整流器、第三整流器构成相互串联或并联可切换的整流器结构。在本公开的一些实施例中，第二整流器和第三整流器的结构相同。在本公开的一些实施例中，整流器单元为交叉耦合结构RF-DC整流器。在本公开的一些实施例中，可调谐阻抗匹配网络包含：电容C1～C4，电感L1～L4，NMOS开关管Mn1～Mn4，两个射频输入端RFin+、RFin-，两个射频输出端RFout+、RFout-和两个控制端G1、G2；其中，电容C1和NMOS开关管Mn1连接，构成第一支路；电容C2和NMOS开关管Mn2连接，构成第二支路；第一支路与第二支路并联，电容C1、C2分别与射频输入端RFin+相连，NMOS开关管Mn1、Mn2分别与射频输入端RFin-相连；电容C3和NMOS开关管Mn3连接，构成第三支路；电容C4和NMOS开关管Mn4连接，构成第四支路；第三支路与第四支路并联，在电容C2、C3之间设置有电感L1，在NMOS开关管Mn2、Mn3之间设置有电感L3；在第四支路包含电容C4的一端连接有电感L2，该电感L2与射频输出端RFout+相连；在第四支路包含NMOS开关管Mn4的一端连接有电感L4，该电感L4与射频输出端RFout-相连；控制端G1分别与开关管Mn1、开关管Mn3的栅极连接，控制端G2分别与开关管Mn2、开关管Mn4的栅极连接。在本公开的一些实施例中，整流器单元包括：电容C1、C2，NMOS管Mn1、Mn2，PMOS管Mp1、Mp2；其中，C1的一端与可调谐阻抗匹配网络的射频输出端RFout+相连，另一端分别与Mn1的源极和Mp1的源极相连；C2的一端与可调谐阻抗匹配网络的射频输出端RFout-相连，另一端分别与Mn2的源极和Mp2的源极相连；Mn1的漏极与Mn2的漏极相连，Mn1的栅极与Mp1的栅极相连，同时连接到Mn2和Mp2的源极，Mn1的源极与Mp1的源极相连；Mn2的漏极与Mn1的漏极相连，Mn2的栅极与Mp2的栅极相连，同时连接到Mn1和Mp1的源极，Mn2的源极与Mp2的源极相连；Mp1与Mp2的漏极相连接。在本公开的一些实施例中，在射频能量的输入功率介于-25dBm～-17dBm之间时，该CMOS射频能量采集系统通过控制电路产生控制字，开启低功率支路，关断高功率支路；在射频能量的输入功率介于-17dBm～0dBm之间时，该CMOS射频能量采集系统通过控制电路产生控制字，开启高功率支路，关断低功率支路。在本公开的一些实施例中，当射频能量的输入功率介于-17dBm～-7dBm之间时，控制电路产生控制字，控制整流器单元进行并联，使该CMOS射频能量采集系统在这个功率范围内的效率最大，同时，阻抗匹配网络也调谐到与并联的整流器结构相匹配；当射频能量的输入功率介于-7dBm～0dBm之间时，控制电路产生控制字，控制整流器单元进行串联，使该CMOS射频能量采集系统在这个功率范围内的效率最大，同时，阻抗匹配网络也调谐到与串联的整流器结构相匹配。在本公开的一些实施例中，低功率支路包括第一整流器，该第一整流器采用中等阈值MOS管。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开提供的可重构的CMOS射频能量采集系统，具有以下有益效果：通过设置低功率支路、高功率支路、以及控制电路，利用控制电路控制低功率支路和高功率支路的开启与关断，以及高功率支路中整流器和阻抗匹配网络的连接方式，能够根据不同的输入功率实现自适应调谐，通过可重构的方式实现对射频能量宽动态范围、高效率的能量采集；同时低功率支路中的整流器采用中等阈值MOS管，能够采集更微弱的射频能量，可有效提高能量采集系统的灵敏度。附图说明图1为根据本公开一实施例所示的可重构的CMOS射频能量采集系统的结构示意图。图2为根据本公开一实施例所示的低功率支路中第一整流器的结构示意图。图3为根据本公开一实施例所示的可调谐阻抗匹配网络的结构示意图。图4为根据本公开一实施例所示的高功率支路中第二整流器和第三本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可重构的CMOS射频能量采集系统，包括：低功率支路，用于将较低功率的射频能量转换成直流能量；高功率支路，用于将较高功率的射频能量转换成直流能量，包含：整流器结构和可调谐阻抗匹配网络，该整流器结构包含若干可进行串联、并联连接切换的整流器单元，该高功率支路能根据不同输入功率的射频能量配置不同的可调谐阻抗匹配网络和整流器结构，将不同输入功率的射频能量最大化的转换成直流能量；以及控制电路，根据不同输入功率的射频能量自动控制低功率支路与高功率支路的切换、以及控制高功率支路中可调谐阻抗匹配网络和整流器结构的配置。

【技术特征摘要】
1.一种可重构的CMOS射频能量采集系统，包括：低功率支路，用于将较低功率的射频能量转换成直流能量；高功率支路，用于将较高功率的射频能量转换成直流能量，包含：整流器结构和可调谐阻抗匹配网络，该整流器结构包含若干可进行串联、并联连接切换的整流器单元，该高功率支路能根据不同输入功率的射频能量配置不同的可调谐阻抗匹配网络和整流器结构，将不同输入功率的射频能量最大化的转换成直流能量；以及控制电路，根据不同输入功率的射频能量自动控制低功率支路与高功率支路的切换、以及控制高功率支路中可调谐阻抗匹配网络和整流器结构的配置。2.根据权利要求1所述的CMOS射频能量采集系统，其中：所述低功率支路具有输入端、输出端、以及控制端，其输入端与射频天线相连，其输出端与CMOS射频能量采集系统的输出端相连；所述高功率支路具有输入端、输出端、以及控制端，其输入端与射频天线相连，其输出端与CMOS射频能量采集系统的输出端相连；所述控制电路，具有输入端和控制字输出端，其输入端分别与CMOS射频能量采集系统的输出端和参考电压相连，其控制字输出端分别与低功率支路的控制端和高功率支路的控制端相连。3.根据权利要求1所述的CMOS射频能量采集系统，其中，所述高功率支路还包含：开关S1，开关S1与可调谐阻抗匹配网络相连；以及开关S2，与整流器结构的输出端相连；其中，整流器结构，与可调谐阻抗匹配网络相连，包括：第二整流器、第三整流器、以及开关组，其中，开关组设置于第二整流器与第三整流器之间，实现第二整流器与第三整流器的串、并联转换，使第二整流器、第三整流器构成相互串联或并联可切换的整流器结构。4.根据权利要求3所述的CMOS射频能量采集系统，其中，所述第二整流器和第三整流器的结构相同。5.根据权利要求1所述的CMOS射频能量采集系统，其中，所述整流器单元为交叉耦合结构RF-DC整流器。6.根据权利要求1所述的CMOS射频能量采集系统，其中，所述可调谐阻抗匹配网络包含：电容C1～C4，电感L1～L4，NMOS开关管Mn1～Mn4，两个射频输入端RFin+、RFin-，两个射频输出端RFout+、RFout-和两个控制端G1、G2；其中，电容C1和NMOS开关管Mn1连接，构成第一支路；电容C2和NMOS开关管Mn2连接，构成第二支路；第一支路与第二支路并联，电容C1、C2分别与射频输入端RFin+相连，NMOS开关管Mn1、Mn2分别与射频输入端RFin-相连；电容C3和...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘欣，刘昱，李延，刘敬丰，张永琥，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11