无线能量收集系统技术方案

本发明专利技术涉及一种无线能量收集系统，包括：天线；无源放大电路，其与天线连接以用于对天线输出的电压进行放大并且对天线和无线直流转换器进行阻抗匹配，所述无源放大电路具有：天线阻抗转换电路，其与天线连接以便将天线的阻抗R天线+jX天线转换为R’天线+jX’天线，X’天线的绝对值为R’天线的绝对值的N倍，且

Wireless energy harvesting system

The invention relates to a wireless energy collection system includes an antenna; passive amplifying circuit, and the antenna is connected to the output voltage of the antenna amplifier and the antenna and wireless DC converter impedance matching, the passive amplifying circuit has an antenna impedance conversion circuit, and the antenna is connected to the R antenna impedance conversion +jX antenna for R '+jX' antenna antenna, the absolute value of X 'antenna N times of the absolute value of the antenna, and the R.

【技术实现步骤摘要】
无线能量收集系统
本专利技术总体上涉及无线信号放大领域，具体而言涉及一种无线能量收集系统以及一种无源电压转换匹配电路，本专利技术还涉及一种相应的传感装置。
技术介绍
物联网的兴起给人们的生活带来了巨大的便利，物联网技术的改进也成为业界追逐的目标。一个改进目标是其无线传感器节点的供电。无线传感器节点(其包括一个或多个无线传感器)是物联网的一个重要组成部分，其用于对联网设备进行实时的数据采集、处理和传输。无线传感器节点由于数目庞大，其供电成为一个突出问题。例如，假设一个物联网传感器网络具有10000个无线传感器节点，每一个传感器节点的电池可持续供电4年，那么平均每天大概需要更换6.85个电池。可见，仅仅更换这些传感器节点的电池就已经是一项高人工成本的工作，更不用说对这些电池的日常维护、电量检查等等所花费的成本以及购买电池本身的花费。此外，大量更换下来的电池如不加以处理极易对环境造成污染，而废旧电池的处理又是一个高成本的过程。随着物联网的普及，传感器网络的规模越来越大，这种传统物联网传感器节点的供电方式的弊端已凸显。随着集成电路工艺的改进，无线传感器节点的功耗不断降低。据此，在现有技术中出现了收集环境中的射频能量以用于对无线传感器节点进行供电的方案，其中射频能量与其它形式的能量相比，具有更好的可控性和能源稳定性，这在能量收集应用方面是较大优势。例如，在申请公开号为CN105356627A的专利文献中公开了一种用于为无线传感器节点供电的射频能量收集装置，在其实施例中公开了两种射频直流转换电路，一种基于浮栅晶体管，另一种基于二极管。但是这两种方案都无法实现电压放大，使得电路能够处理的最小信号的幅值较大，不适于小功率的射频能量收集。此外，在申请公开号为CN103227498A的专利文献中公开了一种环境电磁波能量采集器，其公开的两个实施例中的升压电路都基于二极管，而二极管无法实现电压放大，使得电路能够处理的最小信号的幅值很大，不适于小功率的射频能量收集。
技术实现思路
本专利技术的任务是提供一种无线能量收集系统以及一种无源电压转换匹配电路、以及一种相应的传感装置，利用所述系统、电路或传感装置，可以实现良好的电压放大以及良好的阻抗匹配，而无需较大附加成本或附加部件，从而提升无线能量收集系统的灵敏度(即降低最低工作功率)和能量转换效率。在本专利技术的第一方面，该任务通过一种无线能量收集系统来解决，该系统包括：天线，其用于接收无线信号并将其转换为电场信号；无源放大电路，其与天线连接以用于对天线输出的电压进行放大并且对天线和无线直流转换器进行阻抗匹配，所述无源放大电路具有：天线阻抗转换电路，其与天线连接以便将天线的阻抗R天线+jX天线转换为R’天线+jX’天线，其中R天线和X天线分别是天线在阻抗转换以前的阻抗的实部和虚部，并且R’天线和X’天线分别是天线在阻抗转换以后的阻抗的实部和虚部，X’天线的绝对值为R’天线的绝对值的N倍，且N＞√3；无线直流转换器阻抗转换电路，其与无线直流转换器连接以便将无线直流转换器的阻抗R转换器+jX转换器转换为R’转换器+jX’转换器，其中R转换器和X转换器分别是无线直流转换器在阻抗转换以前的阻抗的实部和虚部，并且R’转换器和X’转换器分别是无线直流转换器在阻抗转换以后的阻抗的实部和虚部，其中天线的经阻抗转换后的阻抗R’天线+jX’天线与无线直流转换器的经阻抗转换后的阻抗R’转换器+jX’转换器共轭；以及无线直流转换器，其与无源放大电路连接以用于将经阻抗匹配和放大的信号转换为直流信号。在此应当指出，本专利技术的无线能量收集系统可以用于任何无线信号，而不仅仅是射频信号，而是可以用于其它频段的信号。此外，本专利技术的电压放大所实现的是，利用无源放大电路将天线的输出电压的幅值进行放大为大于或等于能量收集系统的某些关键器件(如直流转换器)的阈值电压，使得这些关键器件能够正常工作。根据本专利技术的无线能量收集系统至少具有下列优点：(1)通过该系统，可以实现良好的阻抗匹配以提高系统的能量转换效率，这是因为通过无源放大电路可以将天线和无线直流转换器的阻抗转换为彼此共轭，由此实现最优的阻抗匹配，从而实现最大功率传输。(2)通过该系统，可以对输入电压进行放大(或升压)以达到相应器件的阈值电压(其中所述无源放大电路放大电压的幅值、电压的周期也有可能会改变，但是，经过所述无源放大电路的功率并不改变)，从而提高系统的灵敏度、即降低最低工作功率，这是基于本专利技术人的如下洞察：本专利技术人通过观察发现，本专利技术的无源放大电路的增益为G无源，其表达式为：由于X’天线的绝对值为R’天线的绝对值的N倍并且由于R’天线+jX’天线与R’转换器+jX’转换器共轭，因此X’转换器的绝对值也为R’转换器的绝对值的N倍，且由于阻抗共轭关系可知：R’天线＝R’转换器，并且X’天线＝－X’转换器，由此该公式可以简化为：当N较大时，由此，通过调整X’天线的绝对值与R’天线的绝对值之间的比例(或X’转换器的绝对值与R’转换器的绝对值之间的比例)N，可以调整无源放大电路的增益G无源，其中由上面的等式可知，当N＞√3时，G无源＞1。例如，可以通过调节N将G无源调整为100倍。由此可见，本专利技术的系统的电压增益可以容易地被调整为较大，从而提高系统的灵敏度、即降低最低工作功率，因为即使由天线从无线信号中转换而来的电压的电平较低，本专利技术的无源放大电路也可以将其提升到较高电平，从而达到后续部件、例如无线直流转换器的阈值电压，实现其正常工作。(3)本专利技术的无源放大电路可以仅仅由阻抗元件、即电阻、电容和电感等无源器件组成，因此其成本低廉、实现方式简单、无需专门供电，有利于无线能量收集系统的大规模应用及其小型化应用。在本专利技术的一个优选方案中规定，天线阻抗转换电路的阻抗元件和/或无线直流转换器阻抗转换电路的阻抗元件的阻抗大小被选择为使得天线的经阻抗转换后的阻抗R’天线+jX’天线与无线直流转换器的经阻抗转换后的阻抗R’转换器+jX’转换器共轭并且X’天线的绝对值为R’天线的绝对值的N倍。通过该优选方案，可以灵活地实现阻抗匹配和电压放大。在本专利技术的另一优选方案中规定，天线阻抗转换电路和无线直流转换器阻抗转换电路分别包括电阻、电容和电感的中一种或几种，并且分别与天线和无线直流转换器连接。例如，串联和并联可以实现阻抗的实部和/或虚部的调整。但是在一些情况下，为了减小损耗，可以不采用电阻，而是采用电容和/或电感来进行阻抗调整。通过该扩展方案，可以容易地实现阻抗的调整，从而实现所期望的阻抗匹配和电压增益。在此应当指出，第一阻抗元件和第二阻抗元件可以分别包括一个或多个相同或不同的阻抗元件，而不一定仅仅包括一个阻抗元件。在本专利技术的一个扩展方案中规定，天线阻抗转换电路的高电压端与无线直流转换器阻抗转换电路的高电压端连接，天线阻抗转换电路的低电压端与无线直流转换器阻抗转换电路的低电压端连接。在本专利技术的另一扩展方案中规定，N被选择为使得天线阻抗转换电路的增益大于等于50。通过调整天线阻抗转换电路和无线直流转换器阻抗转换电路的阻抗及其连接方式，可以容易地调整N，从而调整增益。另外，其它增益也是可以设想的，例如10倍、25倍、30倍等等。在本专利技术的又一扩展方案中规定，所述无线信号为射频信号或微波信号。用于RFID的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线能量收集系统，包括：天线，其用于接收无线信号并将其转换为电场信号；无源放大电路，其与天线连接以用于对天线输出的电压进行放大并且对天线和无线直流转换器进行阻抗匹配，所述无源放大电路具有：天线阻抗转换电路，其与天线连接以便将天线的阻抗R天线+jX天线转换为R’天线+jX’天线，其中R天线和X天线分别是天线在阻抗转换以前的阻抗的实部和虚部，并且R’天线和X’天线分别是天线在阻抗转换以后的阻抗的实部和虚部，X’天线的绝对值为R’天线的绝对值的N倍，且

【技术特征摘要】
1.一种无线能量收集系统，包括：天线，其用于接收无线信号并将其转换为电场信号；无源放大电路，其与天线连接以用于对天线输出的电压进行放大并且对天线和无线直流转换器进行阻抗匹配，所述无源放大电路具有：天线阻抗转换电路，其与天线连接以便将天线的阻抗R天线+jX天线转换为R’天线+jX’天线，其中R天线和X天线分别是天线在阻抗转换以前的阻抗的实部和虚部，并且R’天线和X’天线分别是天线在阻抗转换以后的阻抗的实部和虚部，X’天线的绝对值为R’天线的绝对值的N倍，且无线直流转换器阻抗转换电路，其与无线直流转换器连接以便将无线直流转换器的阻抗R转换器+jX转换器转换为R’转换器+jX’转换器，其中R转换器和X转换器分别是无线直流转换器在阻抗转换以前的阻抗的实部和虚部，并且R’转换器和X’转换器分别是无线直流转换器在阻抗转换以后的阻抗的实部和虚部，其中天线阻抗转换电路与无线直流转换器阻抗转换电路连接，天线的经阻抗转换后的阻抗R’天线+jX’天线与无线直流转换器的经阻抗转换后的阻抗R’转换器+jX’转换器共轭；以及无线直流转换器，其与无源放大电路连接以用于将经阻抗匹配和放大的信号转换为直流信号。2.根据权利要求1所述的无线能量收集系统，其中天线阻抗转换电路的阻抗元件和/或无线直流转换器阻抗转换电路的阻抗元件的阻抗大小被选择为使得天线的经阻抗转换后的阻抗R’天线+jX’天线与无线直流转换器的经阻抗转换后的阻抗R’转换器+jX’转换器共轭并且X’天线的绝对值为R’天线的绝对值的N倍。3.根据权利要求2所述的无线能量收集系统，其中天线阻抗转换电路和无线直流转换器阻抗转换电路分别包括电阻、电容和电感的中一种或几种，并且分别与天线和无线直流转换器连接。4.根据权利要求1所述的无线能量收集系统，其中天线阻抗转换电路的高电压端与无线直流转换器阻抗转换电路的高电压端连接，天线阻抗转换电路的低电压端与无线直流转换器阻抗转换电路的低电压端连接。5.根据权利要求1所述的无线能量收集系统，其中N被选择为使得天线阻抗转换电路的增益大于等于50。6.根据权利要求1所述的无线能量收集系统，其中所述无线信号为射频信号或微波信号。7.根据权利要求1所述的无线能量收集系统，其中所述无线能量收集系统还包括：储能器，其与无线直流转换器连接以用于储存无线直流转换器的输出电荷；以及能量管理模块，其与储能器连接以用于对储能器的输出信...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟印，王永流，李荣信，
申请(专利权)人：华大半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31