[发明专利]无线能量收集装置

说明书

技术领域

本发明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装置、一种无源电压转换匹配电路以及一种相应的传感装置。

背景技术

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。

目前的射频能量收集系统一般包括阻抗匹配电路以用于对天线和后续部件进行阻抗匹配以使传输功率最大，其中经匹配后的天线阻抗通常固定为标准阻抗50Ω或75Ω。然而，目前的射频能量收集系统的局限性在于其灵敏度较低，即天线从低功率射频信号中转换而来的电平较低，不能达到系统的关键器件、如射频直流转换器的转换器件的开启电压，使得转换器件无法正常工作，因而这样的射频能量收集系统难以用于低功率应用。

发明内容

本发明的任务是提供一种无线能量收集装置以及一种相应的传感装置，利用所述装置或传感装置，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，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。

在此，本发明的电压放大所实现的是，利用本装置将天线的输出电压的幅值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。

在本发明的第一方面，该任务通过一种无线能量收集装置来解决，该装置包括：

天线，其用于接收无线信号并将其转换为电场信号；

天线阻抗转换电路，所述天线阻抗转换电路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，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阻抗R_转换器+jX_转换器共轭，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，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，并且R_转换器和X_转换器分别是无线直流转换器的阻抗的实部和虚部；以及

无线直流转换器，其与天线阻抗转换电路连接以用于将天线阻抗转换电路的输出信号转换为直流信号，其中无线直流转换器的阻抗被设置为使得其虚部X_转换器的绝对值为其实部R_转换器的绝对值的N倍，N＞√3。

在此应当指出，本发明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、如微波信号。

根据本发明的无线能量收集装置至少具有下列优点：

(1)通过该装置，可以实现良好的阻抗匹配以提高系统的能量转换效率，这是因为通过天线阻抗转换电路对天线进行阻抗匹配使得其转换后的阻抗与无线直流转换器的阻抗彼此共轭，可以实现最优的阻抗匹配，从而实现最大功率传输。

(2)通过天线和无线直流转换器的阻抗设计，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(放大电压的幅值，电压的周期也有可能会改变，但是功率不变)，从而提高系统的灵敏度、即降低最低工作功率，这是基于本发明人的如下洞察：本发明人通过观察发现，通过独特地对天线进行阻抗转换、同时通过独特地设置无线直流转换器的阻抗，可以实现较大的电压增益G_无源，其表达式为：