射頻無線供電系統的製作方法

2023-05-01 01:07:11 1

專利名稱：射頻無線供電系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種射頻無線供電系統，尤其涉及一種為物聯網中低功耗節點供能的 射頻無線供電系統。
背景技術：
近年來，物聯網作為信息產業中的一個新的概念發展得異常火熱，隨著溫總理在 無錫考察時的講話更是將物聯網技術的發展推向高潮。當前物聯網中的傳感器節點基本還 是沿用了無線傳感器網絡中的架構，由低功耗的處理器、射頻模塊和傳感器模塊構成。這些 超低功耗節點主要用微型鈕扣電池供電，需要定期維護，鈕扣電池廢棄後對環境汙染也很 大，且製造單位能量的電池需要耗費約350倍的能源，能源利用效率很低。利用射頻技術對 多個節點進行集中式無線供電有望改變傳統的電源供應模式。射頻無線供電並不是在空中直接傳送電能，而是利用強度非常低的電磁波在空中 傳輸能量。早在電磁波被發現並被用於無線通信時，人們就想過電磁波既然能攜帶信息，那 麼也可以利用電磁波傳遞能量。上世紀初，Nicola Tesla就進行過遠距離無線輸電的實驗 研究，雖然該項計劃因資金等原因中途夭折，然而遠距離無線輸電技術一直在進行著。特別 是近年來，可攜式電子產品大量湧現，以及傳感器無線網絡技術與MEMS器件的發展，推動 了無線供電的研發，並在理論研究和實用化技術方面取得了初步的成果。目前已經投入使用的無線供電方式主要有電磁感應、磁共振和電磁波等，其中電 磁感應方式要求兩個線圈之間的距離很近，不能適應遠距離的無線供電，如電動牙刷充電 座和日本富士通公司的無線充電滑鼠墊；磁共振無線輸電雖然效率較高，傳輸距離也比較 遠，但是對線圈之間的諧振耦合比較嚴格，要求供電設備與受電設備的線圈平行放置，MIT 的研究人員已經成功應用該技術點亮相隔2M距離的60W的電燈，我國海爾集團也基於此技 術開發出一款無線供電液晶電視；射頻無線供電方案目前主要應用在近距離無源射頻識別 系統中，其傳輸的能量很低，只能驅動最簡單的標籤讀寫器，例如美國沃爾瑪超市利用電子 標籤對商品進行物流、倉儲、定價等全面的監控。採用射頻無線供電方案的難點在於接收端如何將微弱的射頻信號轉化為足夠負 載使用的電能。一篇中國發明專利申請(申請號為200910040127. 5，申請日為2009-6-5，公 開號為101908781A，
公開日為2010-12-8)中公開了一種利用射頻信號進行供電的「無線供 電裝置」。該無線供電裝置包括一信號發送單元和一信號接收單元，信號發送單元包括一電 源供應單元、一壓控振蕩電路、一信號放大單元及一發射天線組，信號接收單元包括一接收 天線和一整流電路。信號發射單元將電源轉化為射頻信號並發射，信號接收單元接收射頻 信號並產生電流，然後通過整流電路對電流進行整流提供給負載使用。接收端接收到的電 磁波是比較微弱的能量，每個周期的能量是有限的，該無線供電裝置採用了一整流電壓倍 增電路作為整流電路，該電路只是利用簡單的電路對兩個電容進行充電，很難達到電勢倍 增的效果，所能轉換的電能極為有限。因此該裝置僅能夠在近距離內為低功耗設備供電(例 如通過電腦為無線滑鼠進行供電)，當接收端和供電端距離稍遠時，則無法保證電能的穩定供應。

發明內容
本發明所要解決的技術問題在於克服現有射頻無線供電方案所存在的有效供電 距離較近的不足，提供一種能夠在較遠距離內實現為低功耗設備穩定供電的射頻無線供電 系統。

本發明提出了一種電容式電勢累加電路對接收端接收到的射頻信號進行整流，可 為負載提供較多的電能。具體而言，本發明採用以下技術方案
一種射頻無線供電系統，包括發射端裝置和至少一個接收端裝置，所述發射端裝置 包括電源適配電路、振蕩電路、功率放大電路及發射電路，所述電源適配電路用於為 振蕩電路、功率放大電路提供電能，所述振蕩電路用於產生射頻信號，所述功率放大電路將 射頻信號放大，然後通過所述發射電路轉化為射頻電磁波發送至空間中；所述接收端裝置 包括接收電路及整流電路，所述接收電路用於接收發射端裝置發射的射頻電磁波並產生電 流，所述整流電路對所述接收電路產生的電流進行整流後提供給負載，所述整流電路為電 容式電勢累加電路，該電路包括，
兩個輸入端第一輸入端、第二輸入端； 兩個輸出端第一輸出端、第二輸出端；
以及N個級聯的累加電路第一級累加電路、第二級累加電路、…第N級累加電路，其 中N為自然數；
每一級累加電路均包括一第一二極體、一第二二極體、一第一電容、一第二電容，第一、 第二電容均具有第一端和第二端；
第一級累加電路中，第一電容的第一端與所述第一輸入端連接，第一電容的第二端與 第二二極體的陰極連接，第二二級管的陽極與第二電容的第一端連接，第二電容的第二端 與所述第二輸入端連接，第一二級管的陽極接入第一電容的第二端與第二二極體的陰極之 間的連線，第一二極體的陰極與所述第二輸入端連接；
第二級累加電路中，第一電容的第一端與所述第一輸入端連接，第一電容的第二端與 第二二極體的陰極連接，第二二級管的陽極與第二電容的第一端連接，第二電容的第二端 與所述第二輸入端連接，第一二級管的陽極接入第一電容的第二端與第二二極體的陰極之 間的連線，第一二級管的陰極接入第一級累加電路中第二二級管的陽極與第二電容的第一 端之間的連線；
依此類推，第N級累加電路中，第一電容的第一端與所述第一輸入端連接，第一電容的 第二端與第二二極體的陰極連接，第二二級管的陽極與第二電容的第一端連接，第二電容 的第二端與所述第二輸入端連接，第一二級管的陽極接入第一電容的第二端與第二二極體 的陰極之間的連線，第一二級管的陰極接入第N-I級累加電路中第二二級管的陽極與第二 電容的第一端之間的連線，第二電容的第一端、第二端分別與所述第一輸出端、第二輸出端 連接。進一步地，為了防止靜電效應，所述整流電路還包括第一三極體和第二三極體，第 一三極體的源極與所述第一輸入端連接，第一三極體的漏極、第一三極體的柵極、第一三極 管的襯底引線均與所述第一輸出端連接；第二三極體的源極與所述的第二輸入端連接，第二三極體的漏極、第二三極體的柵極、第二三極體的襯底引線均與所述第一輸出端連接。進一步地，為了防止輸入能量過高時，所述電容式電勢累加電路輸出的電壓超出 負載所需的正常工作電壓，對負載中的部件造成損壞，本發明中，所述接收端裝置還包括一 電能動態釋放電路，所述電能動態釋放電路包括一電壓感應器和一三極體；所述電壓感應 器包括一組串聯的二極體和一個電阻，串聯的二極體的陰極與所述電阻的一端連接，串聯 的二極體的陽極與所述第一輸出端連接，所述電阻的另一端與所述第二輸出端連接；所述 三極體的柵極接入所述串聯的二極體的陰極與所述電阻之間的連線，所述三極體的漏極與 所述第一輸出端連接，所述三極體的源極和所述三極體的襯底引線均與所述第二輸出端連 接，所述第二輸出端接地。進一步地，所述接收電路中包含一諧振電路，其結構與發射端裝置中的振蕩電路 相同，為一電容式超高頻振蕩電路，所述電容式超高頻振蕩電路包括，三個電容第一電容、 第二電容、第三電容，以及一個電感、一個可調電容和一個寬帶信號放大器，所述第一至第 三電容、電感及可調電容均包含第一端和第二端，所述第一電容的第一端與寬帶信號放大 器的輸入端連接，所述第一電容的第二端與第三電容的第一端連接，所述第二電容的第一 端與寬帶信號放大器的輸出端連接，所述第二電容的第二端與地線連接，所述第三電容的 第一端與第一電容的第二端連接，所述第三電容的第二端與振蕩電路的輸出連接，所述電 感的第一端與第三電容的第二端連接，所述電感的第二端與可調電容的第一端連接，所述 可調電容的第一端與第三電容的第一端連接，所述可調電容的第二端接地，所述寬帶信號 放大器的輸入端與第一電容的第一端連接，所述寬帶信號放大器的輸出端與第二電容的第 一端連接。

作為一優選方案，所述射頻信號的頻率為300MHz。作為又一優選方案，所述接收端裝置位於距所述發射端裝置10米的半徑範圍內。本發明的射頻無線供電系統，採用電容式電勢累加電路對接收到的射頻信號進行 整流，通過多個級聯的累加電路逐級提高電壓，可以將更多的射頻電磁波能量轉化為負載 所需的電能，從而可以有效提升無線供電的有效使用距離。本發明還進一步地通過防靜電 措施和電能動態釋放電路，有效提升了整個無線供電系統的安全性。相比現有技術，本發明 可在較遠距離內為物聯網中低功耗節點提供安全穩定的無線供電。


圖1為本發明的射頻無線供電系統的結構框圖2為本發明具體實施方式
中的電源適配電路的電路圖； 圖3為本發明具體實施方式
中的振蕩電路的電路圖； 圖4為本發明具體實施方式
中的功率放大電路的電路圖； 圖5為本發明具體實施方式
中的帶ESD的電容式電勢累加電路的電路圖； 圖6為本發明具體實施方式
中的電能動態釋放電路的電路圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的技術方案進行詳細說明
本發明的射頻無線供電系統，如圖1所述，包括包括發射端裝置和至少一個接收端裝置，所述發射端裝置包括電源適配電路、振蕩電路、功率放大電路及發射電路，所述電源適 配電路用於為振蕩電路、功率放大電路提供電能，所述振蕩電路用於產生射頻信號，所述功 率放大電路將射頻信號放大，然後通過所述發射電路轉化為射頻電磁波發送至空間中；所 述接收端裝置包括接收電路及整流電路，所述接收電路用於接收發射端裝置發射的射頻電 磁波並產生電流，所述整流電路對所述接收電路產生的電流進行整流後提供給負載。本具體實施方式
中，電源適配電路如附圖2所示，包含橋式全波整流電路、變壓電 路、濾波電路以及一個擁有控制模塊的反饋網絡，可以將220V的交流電(即市電)轉換為可 供振蕩電路使用的5V、IA的直流電。如圖所示，變壓器輸入側電路包括由電容CX和共模 電感L-COM組成的輸入濾波電路，由BD組成的整流橋電路，由Ul組成的控制及功率電路。 變壓器輸出側包括二極體DlO等組成的輸出整流濾波電路；固定電壓基準U2等組成的穩 壓反饋電路。所述的輸入濾波電路中，電容CX的第一端和第二端分別與電源適配電路的交 流輸入端連接，共模電感L-COM的第一端與電容CX的第一端連接，電阻R2的第一端與電容 CX的第二端連接，共模電感L-COM的第二端與電阻R2的第二端連接。所述的整流橋電路包 含四個二極體，其連接方式為全波整流的橋式電路。所述的輸出整流濾波電路，變壓器的輸 出端的第一端與二極體DlO的陽極連接，變壓器的第二端與電解電容C13的陰極連接，電容 C23的第一端與二極體的DlO的陽極連接，電容C23的第二端與電阻Rll的第一端連接，電 阻Rll的第二端與電解電容C13的陽極連接。當然，在本發明中，可以根據使用的電源的實 際情況選擇現有的其他合適的電源適配電路。接收電路要將接收的電磁波轉換成交流的振蕩信號，需要一諧振電路，這個諧振 電路與發射端的振蕩電路需在結構上一致，才能起到諧振的功能，從而最大限度地將電磁 波轉化為電能。由於在接收端沒有電能啟動，因此本具體實施方式
中，接收電路中包含一諧 振電路，其結構與發射端裝置中的振蕩電路相同，為一電容式超高頻振蕩電路，其為電容三 點式振蕩電路的改進形式，所述電容式超高頻振蕩電路的結構如圖3所示，包括四個電容 Cl、C2、C3、C4，其中C3為可調電容，一個電感Li，以及一個集成放大器(本實施方式中採用 型號為UPC1651的集成放大器，其所需的工作電壓為5V直流電壓)。該振蕩電路的振蕩頻 率由電容C1、C2、C3和電感Ll所決定，並可由可調電容C3進行調整。本發明優選300 MHz 的振蕩頻率，該頻率的射頻電磁波能量較集中，波長較長，繞射能力強，且不會對常用的射 頻通信(例如2. 4GHz、868/915MHz)造成幹擾。由于振蕩電路所產生的射頻信號功率較小，因此要通過具有高增益的功率放大電 路使其獲得足夠的射頻功率。本具體實施方式
採用圖5所示的功率放大電路，其採用的高 增益功率放大器晶片RF5110G具有高功率、高效率的特點，效率達到57%，增益高達32dB。 圖中VCCl (1)、VCC (14)和RF OUT(9、10、11、12)管腳的電容電感主要是對電源進行濾波。 APCl (16)管腳的電容控制第一級和第二級放大器的關斷，APC2 (15)管腳的電容控制第三 級放大器的關斷。經功率放大電路放大的300MHz振蕩信號通過發射電路中的天線或天線 組轉化為射頻電磁波輻射至外部空間中。接收端裝置的接收電路中的天線或天線組接收發射端發射的射頻電磁波，並通過 諧振電路轉化為振蕩信號。本具體實施方式
中的諧振電路採用與發射端發射端的振蕩電路 結構相同的電容式超高頻振蕩電路，上文已對該電容式超高頻振蕩電路做詳細介紹，此處 不再贅述。
本發明採用多個級聯的累加電路組成的電容式電勢累加電路將接收電路傳輸的 射頻振蕩信號轉換成直流的電荷，保存在大容量的電容器中，供負載使用。本發明的電容式 電勢累加電路如圖5所示，由多個級聯的累加電路組成，兩個輸入端分別與諧振電路的輸 出端連接，第一級累加電路包括兩個電容C1、C2，兩個二極體D1、D2，電容Cl的一端與第 一輸入端連接，Cl的另一端與二極體D2的陰極連接，二極體D2的陽極與電容C2的一端連 接，電容C2的另一端與第二輸入端連接，二極體Dl的陽極接入電容Cl與二極體D2的陰極 之間的連線，二極體D2的另一端與第二輸入端連接；第二級累加電路與第一級累加電路類 似，包括兩個電容C3、C4，兩個二極體D3、D4，電容C3的一端與第一輸入端連接，電容C3 的另一端與二極體D4的陰極連接，二級管D4的陽極與電容C4的一端連接，電容C4的另一 端與第二輸入端連接，二級管D3的陽極接入電容C3與二極體D4的陰極之間的連線，二級 管D3的陰極接入第一級累加電路中二級管D2的陽極與電容C2之間的連線；依此類推，最 後一級累加電路中(本具體實施方式
中以13級為例)，電容C25的一端與第一輸入端連接， 電容C25的另一端與二極體D26的陰極連接，二極體D26的陽極與電容C26的一端連接，電 容C26的另一端與第二輸入端連接，二級管D25的陽極接入電容C26與二極體D26的陰極 之間的連線，二極體D26的陰極接入第12級累加電路(圖中未示出)中二級管D24的陽極與 電容C24之間的連線，電容C26的兩端分別連接該電容式電勢累加電路的第一輸出端、第二 輸出端。該電容式電勢累加電路利用開關陣列逐次增加輸出電壓的大小，接收電路的輸入 信號為超高頻的正弦交流信號，在輸入信號的正半周，二極體Dl導通，輸入信號對Cl充電， 此時Cl的左極板為正電壓，右極板為負電壓。在輸入信號的負半周，Cl相當於電池，與輸 入信號串聯，此時二極體D2導通，對C2充電，C2的電壓大於Cl電壓。依次類推，電壓隨著 累加電路級數而逐漸累加，最後對電容C26進行充電。電容C26起到了微能量收集器的作 用，應採用電容值較大的電容，例如超級電容。
本具體實施方式
中，電容式電勢累加電路中還採用了防靜電(ESD)設計，如圖5所 示，該ESD設計包括兩個三極體M1、M2，三極體Ml的源極與所述第一輸入端連接，三極體 Ml的漏極、柵極、及襯底引線均與所述第一輸出端連接；三極體M2的源極與所述第二輸入 端連接，三極體M2的漏極、柵極、襯底引線均與所述第一輸出端連接。若有靜電進入電路， 三級管Ml、M2導通，將高電壓釋放掉。本發明的電容式電勢累加電路中，最後一級累加電路中的第二電容(例如圖5中 的電容C26)作為微能量收集器，存儲足夠的電荷以供負載在輸入能量較小的時刻維持正常 工作所需的電源電壓。當輸入的能量較高時，電容中儲存的電荷過多，可能導致輸出給負載 的電壓過高。為此，本發明在接收端裝置中又加入了一個電能動態釋放電路，該電能動態釋 放電路如圖6所示，包括一電壓感應器和一三極體M3 ；所述電壓感應器包括一組串聯的二 極管(本具體實施方式
中為Dl—D5)和一個電阻R，串聯的二極體的陰極(即二極體D5的陰 極)與所述電阻R的一端連接，串聯的二極體的陽極(即二極體Dl的陽極)與電容式電勢累 加電路的第一輸出端連接，電阻R的另一端與電容式電勢累加電路的第二輸出端連接；三 極管M3的柵極接入所述串聯的二極體的陰極(即二極體D5的陰極)與電阻R之間的連線， 三極體M3的漏極與電容式電勢累加電路的第一輸出端連接，三極體M3的源極和襯底引線 均與電容式電勢累加電路的第二輸出端連接，電容式電勢累加電路的第二輸出端接地。當動態電能釋放電路的輸入功率較低時，動態電能釋放電路的輸入電壓較低，二極體D1、D2、 D3、D4、D5尚未導通，電阻R上電壓近似為0，三級管M3關斷；當動態電能釋放電路的輸入 功率逐漸增大時，Dl、D2、D3、D4、D5導通，電阻R上的電壓逐漸增大，當電壓高於三級管M3 的開啟電壓之後，三級管M3導通，將作為微能量收集器的電容C26中多餘的電荷釋放掉，從 而起到穩壓的效果。

本發明的射頻無線供電系統在接收端裝置與發射端裝置相距3米時，接收端裝置 的實時接收功率穩定地保持在IOmW以上，在接收端裝置與發射端裝置相距10米範圍內，可 穩定地為低功耗節點裝置供電。
權利要求
1.一種射頻無線供電系統，包括發射端裝置和至少一個接收端裝置，所述發射端裝置 包括電源適配電路、振蕩電路、功率放大電路及發射電路，所述電源適配電路用於為振蕩電 路、功率放大電路提供電能，所述振蕩電路用於產生射頻信號，所述功率放大電路將射頻信 號放大，然後通過所述發射電路轉化為射頻電磁波發送至空間中；所述接收端裝置包括接 收電路及整流電路，所述接收電路用於接收發射端裝置發射的射頻電磁波並產生電流，所 述整流電路對所述接收電路產生的電流進行整流後提供給負載，其特徵在於，所述整流電 路為電容式電勢累加電路，該電路包括，兩個輸入端第一輸入端、第二輸入端；兩個輸出端第一輸出端、第二輸出端；以及N個級聯的累加電路第一級累加電路、第二級累加電路、…第N級累加電路，其 中N為自然數；每一級累加電路均包括一第一二極體、一第二二極體、一第一電容、一第二電容，第一、 第二電容均具有第一端和第二端；第一級累加電路中，第一電容的第一端與所述第一輸入端連接，第一電容的第二端與 第二二極體的陰極連接，第二二級管的陽極與第二電容的第一端連接，第二電容的第二端 與所述第二輸入端連接，第一二級管的陽極接入第一電容的第二端與第二二極體的陰極之 間的連線，第一二極體的陰極與所述第二輸入端連接；第二級累加電路中，第一電容的第一端與所述第一輸入端連接，第一電容的第二端與 第二二極體的陰極連接，第二二級管的陽極與第二電容的第一端連接，第二電容的第二端 與所述第二輸入端連接，第一二級管的陽極接入第一電容的第二端與第二二極體的陰極之 間的連線，第一二級管的陰極接入第一級累加電路中第二二級管的陽極與第二電容的第一 端之間的連線；依此類推，第N級累加電路中，第一電容的第一端與所述第一輸入端連接，第一電容的 第二端與第二二極體的陰極連接，第二二級管的陽極與第二電容的第一端連接，第二電容 的第二端與所述第二輸入端連接，第一二級管的陽極接入第一電容的第二端與第二二極體 的陰極之間的連線，第一二級管的陰極接入第N-I級累加電路中第二二級管的陽極與第二 電容的第一端之間的連線，第二電容的第一端、第二端分別與所述第一輸出端、第二輸出端 連接。
2.如權利要求1所述射頻無線供電系統，其特徵在於，所述整流電路還包括第一三極 管和第二三極體，第一三極體的源極與所述第一輸入端連接，第一三極體的漏極、第一三極 管的柵極、第一三極體的襯底引線均與所述第一輸出端連接；第二三極體的源極與所述的 第二輸入端連接，第二三極體的漏極、第二三極體的柵極、第二三極體的襯底引線均與所述 第一輸出端連接。
3.如權利要求1所述射頻無線供電系統，其特徵在於，所述接收端裝置還包括一電能 動態釋放電路，所述電能動態釋放電路包括一電壓感應器和一三極體；所述電壓感應器包 括一組串聯的二極體和一個電阻，串聯的二極體的陰極與所述電阻的一端連接，串聯的二 極管的陽極與所述第一輸出端連接，所述電阻的另一端與所述第二輸出端連接；所述三極 管的柵極接入所述串聯的二極體的陰極與所述電阻之間的連線，所述三極體的漏極與所述 第一輸出端連接，所述三極體的源極和所述三極體的襯底引線均與所述第二輸出端連接，所述第二輸出端接地。
4.如權利要求1所述射頻無線供電系統，其特徵在於，所述接收電路中包含一諧振電 路，其結構與發射端裝置中的振蕩電路相同，為一電容式超高頻振蕩電路，所述電容式超高 頻振蕩電路包括，三個電容第一電容、第二電容、第三電容，以及一個電感、一個可調電容 和一個寬帶信號放大器，所述第一至第三電容、電感及可調電容均包含第一端和第二端，所 述第一電容的第一端與寬帶信號放大器的輸入端連接，所述第一電容的第二端與第三電容 的第一端連接，所述第二電容的第一端與寬帶信號放大器的輸出端連接，所述第二電容的 第二端與地線連接，所述第三電容的第一端與第一電容的第二端連接，所述第三電容的第 二端與振蕩電路的輸出連接，所述電感的第一端與第三電容的第二端連接，所述電感的第 二端與可調電容的第一端連接，所述可調電容的第一端與第三電容的第一端連接，所述可 調電容的第二端接地，所述寬帶信號放大器的輸入端與第一電容的第一端連接，所述寬帶 信號放大器的輸出端與第二電容的第一端連接。
5.如權利要求1一4任一項所述射頻無線供電系統，其特徵在於，所述射頻信號的頻率 為 300MHz。
6.如權利要求1一4任一項所述射頻無線供電系統，其特徵在於，所述接收端裝置位於 距所述發射端裝置10米的半徑範圍內。
全文摘要
本發明公開了一種射頻無線供電系統，用於物聯網中低功耗節點的供能。該射頻無線供電系統包括發射端裝置和至少一個接收端裝置，所述發射端裝置包括電源適配電路、振蕩電路、功率放大電路及發射電路；所述接收端裝置包括接收電路及整流電路，其中整流電路採用電容式電勢累加電路對接收到的射頻信號進行整流，通過多個級聯的累加電路逐級提高電壓，可以將更多的射頻電磁波能量轉化為負載所需的電能，從而可以有效提升無線供電的有效使用距離。本發明還進一步地通過防靜電措施和電能動態釋放電路，有效提升了整個無線供電系統的安全性。相比現有技術，本發明可在較遠距離內為物聯網中低功耗節點提供安全穩定的無線供電。
文檔編號H02J17/00GK102142721SQ20111008992
公開日2011年8月3日 申請日期2011年4月12日 優先權日2011年4月12日
發明者吳楓, 袁家斌, 金建龍 申請人:南京航空航天大學