一种射频能量采集电路中的L型阻抗匹配系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种射频能量采集电路中的L型阻抗匹配系统及方法，其系统包括采样比较模块、逻辑算法控制模块和可调阻抗匹配网络；采样比较模块用于在逻辑控制模块的控制下对倍压整流电路输出的电压进行连续两次采样并对连续两次采样的电压进行比较；逻辑算法控制模块用于根据连续两次采样的电压的比较结果逐次调整并入可调阻抗匹配网络中L型可调电容阵列的数量；可调阻抗匹配网络用于根据并入的L型可调电容阵列的数量来匹配所述天线与倍压整流电路之间的阻抗。本发明专利技术通过判断倍压整流电路输出电压得到当前阻抗匹配效果，避免了复杂的ADC采样或者信号处理单元，电路简单，功耗极低，仅在开关过程消耗能量，适用于微弱能量采集环境。

L type impedance matching system and method in radio frequency energy acquisition circuit

The present invention relates to a L type impedance matching in RF energy acquisition circuit system and method, the system includes a sampling module, logic control module and algorithm of adjustable impedance matching network; sampling comparison module for voltage output rectifier circuit of times in the control logic control module of the two consecutive samples and compared for the two consecutive sampling voltage; logic control module for two consecutive samples according to the voltage comparison results can be incorporated into the number of successive adjustment adjustment of L type impedance matching network adjustable capacitor array; adjustable impedance matching network for the number of adjustable capacitor array based on type L into the impedance matching between the the antenna and voltage doubling rectifier circuit. The present invention by judging the voltage doubler rectifier circuit output voltage current impedance matching effect, avoids the complicated ADC sampling or signal processing unit, simple circuit, low power consumption, energy consumption only in the switching process, suitable for weak energy acquisition environment.

【技术实现步骤摘要】
一种射频能量采集电路中的L型阻抗匹配系统及方法
本专利技术涉及能量采集电路中阻抗匹配的系统及方法，具体的涉及一种射频能量采集电路中的L型阻抗匹配系统及方法。
技术介绍
由于无线传感网(WSN)、人体体域网(BAN)和物联网(IoT)的大力发展，无线传感节点得到了广泛利用。为了实现不间断测量，传感节点需要拥有更长的待机时间，但其使用寿命被电池技术的瓶颈所限制。为了解决传感节点供电问题，无线能量收集技术得到了广泛发展，其收集无线电能量为传感节点提供电源，以达到延长电路工作时间或无源工作的目的。能量收集电路一般由四部分组成，如图1所示，能量收集电路包括天线、阻抗匹配电路、倍压整流电路和储能电容组成。天线在本系统中作为射频能量源，负责感应电磁波，其在设计完成后阻抗不再变化。倍压整流电路的作用是将天线感应到的微弱电磁波整流并升压，其阻抗与信号频率以及输入功率相关。由于倍压整流电路的输入端通常并联或串联电容，因此其阻抗与频率相关；当倍压整流电路的输出功率改变时，倍压整流电路输出的电压发生变化，倍压整流电路内部MOSFET的工作状态也因此发生变化，从而造成阻抗变化。在射频能量传输领域，根据能量传输公式得：当源阻抗与负载阻抗实部相等，虚部相反时能量传输效率最大。然而在实际使用中倍压整流电路的阻抗与天线的阻抗并不匹配，造成了能量反射，降低了转换效率，因此需要阻抗匹配电路来匹配天线与倍压整流电路，提高能量收集效率。传统阻抗匹配电路结构众多，常见的如图2-1中所示的π型结构和图2-2中所示的L型结构，这些结构均针对特定频率信号进行阻抗匹配，只能实现单点匹配，一般匹配在能量最低点。而能量收集电路并不针对某一特定频率信号，其需要在较宽的频带内都有较高的能量收集效率，因此传统阻抗匹配电路并不满足能量收集电路的使用需求。另外，当前存在一些自动阻抗匹配系统，但是由于存在以下问题这些方法也无法应用于能量获取电路。光伏发电领域利用动态阻抗等效匹配实现最大功率点跟踪控制(MPPT)(具体参见：基于动态等效阻抗匹配的光伏发电最大功率点跟踪控制,郑颖楠，王俊平，张霞，中国电机工程学报，第31卷第2期，2011年1月15日)。该系统如图3所示：通过电流检测电路、电压检测电路和信号处理电路实现光伏电池板的动态等效阻抗测量，并控制功率变换器实现最大功率跟踪。如果将其应用于无线能量收集电路存在的问题是：1.无线能量收集电路源端阻抗即天线阻抗并不变化，无法通过测量天线内阻的方式确定当前系统状态；2.MPPT系统通过调控功率变换器达到阻抗匹配目的，而能量收集电路中倍压整流电路一般不可动态调节。因此该MPPT系统并不适用于能量获取电路。无线输电领域利用无线电传输电力能量，其为实现能量最大化传输也需要阻抗匹配电路(具体参见：一种用于大功率无线输电装置的自动阻抗匹配控制装置，申请号201410326172.8，申请日2014.07.10)。该系统如图4所示：包括处理器单元、功率监测单元、开关阵列单元、匹配网络单元。该系统的功率监测单元包含一个耦合器与两个检波器，经过耦合器的正向功率和反射功率分别被两个检波器检测，并输出与功率成正比的电压信号。通过ADC采样两个检波器电压并利用计算单元计算出当前传输效率，之后通过算法改变匹配网络参数以改变阻抗。但是由于以下原因该系统并不适合能量收集电路：1.该系统需要一个耦合器用于检测正向功率信号与被反射回的功率信号，然而该元件无法使用CMOS工艺集成，增加了系统的复杂程度；2.此系统过于复杂，该系统首先需要ADC采样电压信号，之后利用处理器单元计算当前传输效率，再控制匹配网络改变，直到效率满足程序要求，此种做法具有较大功耗，无法应用于微弱能量收集系统中；3.该系统使用继电器作为控制单元，适合于大功率传输，但是在能量收集电路中，收集到的能量并不足以控制继电器等元件。一种传输线自动阻抗匹配系统(申请号201110353777.2，申请日2011.11.09)中提到的适用于传输线的自动阻抗匹配系统也不适用于本系统。因为该系统利用幅值相位检测器、互感器及A/D转换器来检测射频信号的电压值和电流值，再将采样结果送入控制模块进行计算，之后再控制电机改变匹配网络。该方法同样面临系统复杂、无法集成、功耗较大的问题，无法适用于微弱能量收集电路。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种射频能量采集电路中的L型阻抗匹配系统及方法，可以在较大频率范围及电路工作状态改变时动态调整微弱能量收集电路阻抗，使得负载阻抗与天线内部阻抗互相匹配，实现最大功率收集。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种射频能量采集电路中的L型阻抗匹配系统，所述射频能量采集电路包括用于接收射频信号的天线，以及将天线接收到的射频信号进行整流并升压的倍压整流电路，本专利技术的系统包括采样比较模块、逻辑算法控制模块和可调阻抗匹配网络，所述可调阻抗匹配网络中包含有L型可调电容阵列；所述采样比较模块，其用于在所述逻辑控制模块的控制下对倍压整流电路输出的电压进行连续两次采样，并对连续两次采样的电压进行比较；所述逻辑算法控制模块，其用于根据连续两次采样的电压的比较结果逐次调整并入所述可调阻抗匹配网络中L型可调电容阵列的数量；所述可调阻抗匹配网络，其用于根据并入的L型可调电容阵列的数量来匹配所述天线与倍压整流电路之间的阻抗。本专利技术的有益效果是：本专利技术一种射频能量采集电路中的L型阻抗匹配系统具有以下有益效果，1.通过判断倍压整流电路输出电压得到当前阻抗匹配效果，避免了复杂的ADC采样或者信号处理单元，电路简单，功耗极低，仅在开关过程消耗能量，特别适用于微弱能量采集环境；2.本专利技术采样比较模块不需要运算放大器等高增益元件，降低了功耗，同时也降低了系统设计的复杂程度；3.逻辑算法控制模块根据采样比较模块的反馈然后通过逐次逼近的思想逐次调整可调阻抗匹配网络，提高匹配效果，实现自动调控；4.本专利技术可以使用标准CMOS工艺，实现全集成化，降低生产成本。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。进一步，本专利技术的系统还包括低启动电压振荡器，所述倍压整流电路的输出端上连接有储能电容，所述逻辑算法控制模块上设有时钟信号输入端，所述低启动电压振荡器的输入端连接在所述倍压整流电路与所述储能电容之间的公共端上，所述低启动电压振荡器的输出端连接在所述逻辑算法控制模块的时钟信号输入端上，用于给所述逻辑算法控制模块提供时钟信号。采用上述进一步方案的有益效果是：低启动电压振荡器给所述逻辑算法控制模块提供时钟信号，保证逻辑算法控制模块正常工作。进一步，所述可调阻抗匹配网络还包含有固定式电感L和固定式电容Cfix，所述固定式电感L的一端与所述天线电连接，所述固定式电感L的另一端与所述固定式电容Cfix的一端电连接，所述固定式电容Cfix的另一端与所述倍压整流电路的输入端电连接，所述L型可调电容阵列与所述固定式电容Cfix并联；所述L型可调电容阵列包括n个并联的可调电容，n个并联的可调电容的大小分别为2n-1C至C，每个所述可调电容上分别串联有一个可调开关，n个所述可调开关分别为开关bn-1至开关b0；所述逻辑算法控制模块上设有n位开关控制输出端，所述n位开关控制输出端对应的与n个所述可调开关相关联，用于控制n个所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种射频能量采集电路中的L型阻抗匹配系统，所述射频能量采集电路包括用于接收射频信号的天线，以及将天线接收到的射频信号进行整流并升压的倍压整流电路，其特征在于：包括采样比较模块、逻辑算法控制模块和可调阻抗匹配网络，所述可调阻抗匹配网络中包含有L型可调电容阵列；所述采样比较模块，其用于在所述逻辑控制模块的控制下对倍压整流电路输出的电压进行连续两次采样，并对连续两次采样的电压进行比较；所述逻辑算法控制模块，其用于根据连续两次采样的电压的比较结果逐次调整并入所述可调阻抗匹配网络中L型可调电容阵列的数量；所述可调阻抗匹配网络，其用于根据并入的L型可调电容阵列的数量来匹配所述天线与倍压整流电路之间的阻抗。

【技术特征摘要】
1.一种射频能量采集电路中的L型阻抗匹配系统，所述射频能量采集电路包括用于接收射频信号的天线，以及将天线接收到的射频信号进行整流并升压的倍压整流电路，其特征在于：包括采样比较模块、逻辑算法控制模块和可调阻抗匹配网络，所述可调阻抗匹配网络中包含有L型可调电容阵列；所述采样比较模块，其用于在所述逻辑控制模块的控制下对倍压整流电路输出的电压进行连续两次采样，并对连续两次采样的电压进行比较；所述逻辑算法控制模块，其用于根据连续两次采样的电压的比较结果逐次调整并入所述可调阻抗匹配网络中L型可调电容阵列的数量；所述可调阻抗匹配网络，其用于根据并入的L型可调电容阵列的数量来匹配所述天线与倍压整流电路之间的阻抗。2.根据权利要求1所述的一种射频能量采集电路中的L型阻抗匹配系统，其特征在于：还包括低启动电压振荡器，所述倍压整流电路的输出端上连接有储能电容，所述逻辑算法控制模块上设有时钟信号输入端，所述低压启动振荡器模块的输入端连接在所述倍压整流电路与所述储能电容之间的公共端上，所述低启动电压振荡器的输出端连接在所述逻辑算法控制模块的时钟信号输入端上，用于给所述逻辑算法控制模块提供时钟信号。3.根据权利要求1或2所述的一种射频能量采集电路中的L型阻抗匹配系统，其特征在于：所述可调阻抗匹配网络还包含有固定式电感L和固定式电容Cfix，所述固定式电感L的一端与所述天线电连接，所述固定式电感L的另一端与所述固定式电容Cfix的一端电连接，所述固定式电容Cfix的另一端与所述倍压整流电路的输入端电连接，所述L型可调电容阵列与所述固定式电容Cfix并联；所述L型可调电容阵列包括n个并联的可调电容，n个并联的可调电容的大小分别为2n-1C至C，每个所述可调电容上分别串联有一个可调开关，n个所述可调开关分别为开关bn-1至开关b0；所述逻辑算法控制模块上设有n位开关控制输出端，所述n位开关控制输出端对应的与n个所述可调开关相关联，用于控制n个所述可调开关的通断。4.根据权利要求1或2所述的一种射频能量采集电路中的L型阻抗匹配系统，其特征在于：所述采样比较模块包括采样保持单元和比较器，所述采样保持单元包括正输入端采样保持电路和负输入端采样保持电路，所述逻辑算法控制模块上设有采样比较信号输入端，所述负输入端采样保持电路的输入端和正输入端采样保持电路的输入端连接在所述倍压整流模块的输出端上，所述负输入端采样保持电路的输出端连接在所述比较器的负输入端上，所述正输入端采样保持电路的输出端连接在所述比较器的正输入端上，所述比较器的输出端与所述逻辑算法控制模块的采样比较信号输入端相连。5.根据权利要求4所述的一种射频能量采集电路中的L型阻抗匹配系统，其特征在于：所述负输入端采样保持电路和正输入端采样保持电路对称，所述负输入端采样保持电路包括开关S1、电容C1、开关S3、电容C3和开关Sdivide1，所述开关S1的一端与所述倍压整流电路的输出端相连，所述开关S1的另一端与所述电容C1的一端相连，所述电容C1的另一端接地，所述开关S3的一端接地，所述开关S3的另一端与所述比较器的负输入端相连，所述电容C3的一端接地，所述电容C3的另一端与所述比较器的负输入端相连，所述开关Sdivide1的一端与所述开关S1与电容C1之间的公共端相连，所述开关Sdivide1的另一端与所述比较器的负输入端相连；所述正输入端采样保持电路包括开关S2、电容C2、开关S4、电容...

【专利技术属性】
技术研发人员：李小明，庄奕琪，汪坤，王少龙，刘伟峰，彭琪，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61