本發(fā)明總體上涉及無(wú)線信號(hào)放大領(lǐng)域，具體而言涉及一種無(wú)線能量收集裝置、一種無(wú)源電壓轉(zhuǎn)換匹配電路以及一種相應(yīng)的傳感裝置。

背景技術(shù)：

物聯(lián)網(wǎng)的興起給人們的生活帶來(lái)了巨大的便利，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的改進(jìn)也成為業(yè)界追逐的目標(biāo)。一個(gè)改進(jìn)目標(biāo)是其無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的供電。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)(其包括一個(gè)或多個(gè)無(wú)線傳感器)是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要組成部分，其用于對(duì)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)由于數(shù)目龐大，其供電成為一個(gè)突出問(wèn)題。例如，假設(shè)一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)具有10000個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的電池可持續(xù)供電4年，那么平均每天大概需要更換6.85個(gè)電池?？梢?jiàn)，僅僅更換這些傳感器節(jié)點(diǎn)的電池就已經(jīng)是一項(xiàng)高人工成本的工作，更不用說(shuō)對(duì)這些電池的日常維護(hù)、電量檢查等等所花費(fèi)的成本以及購(gòu)買(mǎi)電池本身的花費(fèi)。此外，大量更換下來(lái)的電池如不加以處理極易對(duì)環(huán)境造成污染，而廢舊電池的處理又是一個(gè)高成本的過(guò)程。隨著物聯(lián)網(wǎng)的普及，傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模越來(lái)越大，這種傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的供電方式的弊端已凸顯。

隨著集成電路工藝的改進(jìn)，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗不斷降低。據(jù)此，在現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)了收集環(huán)境中的射頻能量以用于對(duì)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電的方案，其中射頻能量與其它形式的能量相比，具有更好的可控性和能源穩(wěn)定性，這在能量收集應(yīng)用方面是較大優(yōu)勢(shì)。

目前的射頻能量收集系統(tǒng)一般包括阻抗匹配電路以用于對(duì)天線和后續(xù)部件進(jìn)行阻抗匹配以使傳輸功率最大，其中經(jīng)匹配后的天線阻抗通常固定為標(biāo)準(zhǔn)阻抗50ω或75ω。然而，目前的射頻能量收集系統(tǒng)的局限性在于其靈敏度較低，即天線從低功率射頻信號(hào)中轉(zhuǎn)換而來(lái)的電平較低，不能達(dá)到系統(tǒng)的關(guān)鍵器件、如射頻直流轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器件的開(kāi)啟電壓，使得轉(zhuǎn)換器件無(wú)法正常工作，因而這樣的射頻能量收集系統(tǒng)難以用于低功率應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的任務(wù)是提供一種無(wú)線能量收集裝置以及一種相應(yīng)的傳感裝置，利用所述裝置或傳感裝置，可以實(shí)現(xiàn)良好的電壓放大以及良好的阻抗匹配，而無(wú)需較大附加成本或附加部件，從而提升無(wú)線能量收集系統(tǒng)的靈敏度(即降低最低工作功率)和能量轉(zhuǎn)換效率。

在此，本發(fā)明的電壓放大所實(shí)現(xiàn)的是，利用本裝置將天線的輸出電壓的幅值進(jìn)行放大為大于或等于能量收集系統(tǒng)的某些關(guān)鍵器件(如直流轉(zhuǎn)換器)的閾值電壓，使得這些關(guān)鍵器件能夠正常工作。

在本發(fā)明的第一方面，該任務(wù)通過(guò)一種無(wú)線能量收集裝置來(lái)解決，該裝置包括：

天線，其用于接收無(wú)線信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)信號(hào)，所述天線的阻抗r天線+jx天線被設(shè)置為使得天線的阻抗r天線+jx天線與無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器的經(jīng)阻抗轉(zhuǎn)換后的阻抗r’轉(zhuǎn)換器+jx’轉(zhuǎn)換器共軛，其中r天線和x天線分別是天線的阻抗的實(shí)部和虛部，并且r’轉(zhuǎn)換器和x’轉(zhuǎn)換器分別是無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器的經(jīng)阻抗轉(zhuǎn)換后的阻抗的實(shí)部和虛部；

無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路，所述無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路與無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器連接以便將無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器的阻抗r轉(zhuǎn)換器+jx轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為r’轉(zhuǎn)換器+jx’轉(zhuǎn)換器，使得無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器的經(jīng)阻抗轉(zhuǎn)換后的阻抗的虛部x’轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)值為其實(shí)部r’轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)值的n倍，n＞√3，其中r轉(zhuǎn)換器和x轉(zhuǎn)換器分別是無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器的阻抗的實(shí)部和虛部；以及

無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器，其與無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路相連用于將無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)。

在此應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明的無(wú)線能量收集系統(tǒng)可以用于任何無(wú)線信號(hào)，而不僅僅是射頻信號(hào)，而是可以用于其它頻段的信號(hào)、如微波信號(hào)。

根據(jù)本發(fā)明的無(wú)線能量收集裝置至少具有下列優(yōu)點(diǎn)：

(1)通過(guò)該裝置，可以實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配以提高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的天線、即通過(guò)將天線的阻抗專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)為與無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器的阻抗彼此共軛，可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的阻抗匹配，從而實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。

(2)通過(guò)天線的阻抗設(shè)計(jì)和對(duì)無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器的阻抗轉(zhuǎn)換，可以對(duì)輸入電壓進(jìn)行放大(或升壓)以達(dá)到相應(yīng)器件的閾值電壓(放大電壓的幅值，電壓的周期也有可能會(huì)改變，但是功率不變)，從而提高系統(tǒng)的靈敏度、即降低最低工作功率，這是基于本發(fā)明人的如下洞察：本發(fā)明人通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，通過(guò)獨(dú)特地設(shè)置天線的阻抗、而不是固守于50ω或75ω的標(biāo)準(zhǔn)天線阻抗、同時(shí)通過(guò)獨(dú)特地對(duì)無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)較大的電壓增益g無(wú)源，其表達(dá)式為：

其中由于根據(jù)本發(fā)明對(duì)天線的阻抗和無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路的專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，使得無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器的經(jīng)阻抗轉(zhuǎn)換后的阻抗的虛部x’轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)值為其經(jīng)阻抗準(zhǔn)換后的阻抗的實(shí)部r’轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)值的n倍，并且由于阻抗共軛關(guān)系得出：r天線＝r’轉(zhuǎn)換器，x天線＝－x’轉(zhuǎn)換器，由此該公式可以簡(jiǎn)化為：

當(dāng)n較大時(shí)，

從上式可以看出，電壓增益g無(wú)源取決于無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器的經(jīng)阻抗轉(zhuǎn)換后的阻抗的虛部x’轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)值與其經(jīng)阻抗轉(zhuǎn)換后的阻抗的實(shí)部r’轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)值的比例n。

由此，通過(guò)設(shè)置x’轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)值與r’轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)值之間的比例n可以調(diào)整該裝置的電壓增益g無(wú)源，其中由上面的等式可知，當(dāng)n＞√3時(shí)，g無(wú)源＞1。例如，可以通過(guò)調(diào)節(jié)n將g無(wú)源調(diào)整為100倍。由此可見(jiàn)，本發(fā)明的裝置的電壓增益可以容易地被調(diào)整為較大，從而提高系統(tǒng)的靈敏度、即降低最低工作功率，因?yàn)榧词褂商炀€從無(wú)線信號(hào)中轉(zhuǎn)換而來(lái)的原始電平較低，該裝置也可以將其提升到較高電平，從而達(dá)到后續(xù)部件、例如無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器的閾值電壓，實(shí)現(xiàn)其正常工作。

(3)本發(fā)明的無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路可以僅僅由阻抗元件、即電阻、電容和電感等無(wú)源器件組成，因此其成本低廉、實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單、無(wú)需專(zhuān)門(mén)供電，有利于無(wú)線能量收集系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用及其小型化應(yīng)用。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案中規(guī)定，該裝置還包括：

儲(chǔ)能器，其與無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器連接以用于儲(chǔ)存無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器的輸出電荷；以及

能量管理模塊，其與儲(chǔ)能器連接以用于對(duì)儲(chǔ)能器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理以得到穩(wěn)定的直流電壓。

通過(guò)該優(yōu)選方案，可以實(shí)現(xiàn)所采集的電能的儲(chǔ)存和處理。儲(chǔ)能器例如可以是電池、電容器等等。能量管理模塊對(duì)儲(chǔ)能器的輸出信號(hào)的處理例如包括整流、濾波和電平轉(zhuǎn)換。通過(guò)該優(yōu)選方案，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)優(yōu)化的輸出信號(hào)，例如具有穩(wěn)定的電流和合適的電壓、低高次諧波的輸出信號(hào)。其它處理也是可以設(shè)想的，例如從直流信號(hào)轉(zhuǎn)換為交流信號(hào)的逆變等等。

在本發(fā)明的另一優(yōu)選方案中規(guī)定，能量管理模塊對(duì)儲(chǔ)能器的輸出信號(hào)的處理包括整流、濾波和電平轉(zhuǎn)換。通過(guò)該優(yōu)選方案，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)優(yōu)化的輸出信號(hào)，例如具有穩(wěn)定的電流和合適的電壓、低高次諧波的輸出信號(hào)。其它處理也是可以設(shè)想的，例如從直流信號(hào)轉(zhuǎn)換為交流信號(hào)的逆變等等。

在本發(fā)明的另一擴(kuò)展方案中規(guī)定，n被選擇為使得該裝置的增益大于等于50。另外，其它增益也是可以設(shè)想的，例如10倍、25倍、30倍等等。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案中規(guī)定，天線和/或無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路的阻抗大小被選擇為使得天線的阻抗r天線+jx天線與無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器的經(jīng)阻抗轉(zhuǎn)換的阻抗r’轉(zhuǎn)換器+jx’轉(zhuǎn)換器共軛并且x’轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)值為r’轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)值的n倍。通過(guò)該優(yōu)選方案，可以靈活地實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和電壓放大。

在本發(fā)明的又一擴(kuò)展方案中規(guī)定，所述無(wú)線信號(hào)為射頻信號(hào)或微波信號(hào)。用于rfid的射頻信號(hào)是物流領(lǐng)域中廣泛采用的通信信號(hào)，其頻段例如為ism波段，頻率例如為125khz、133khz、13.56mhz、27.12mhz、433mhz、902－928mhz，2.45ghz、5.8ghz等。另外，本發(fā)明還可以應(yīng)用于其它頻率，例如微波頻率。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案中規(guī)定，根據(jù)無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器的閾值電壓來(lái)確定n。通過(guò)調(diào)節(jié)n，可以使輸入到無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵器件、如轉(zhuǎn)換電路的電壓被放大為大于或等于該關(guān)鍵器件的閾值電壓，從而實(shí)現(xiàn)該關(guān)鍵器件的正常工作。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案中規(guī)定，無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路具有橋式整流電路。例如，所述橋式整流電路包括彼此并聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)支路，每個(gè)支路包括交叉偶合的四個(gè)晶體管和與所述四個(gè)晶體管串聯(lián)的整流電容器，并且每個(gè)支路的四個(gè)晶體管中的兩個(gè)晶體管的源極與相鄰支路的四個(gè)晶體管中的兩個(gè)晶體管的漏極連接。通過(guò)調(diào)整支路的數(shù)目、晶體管的尺寸以及整流電容器的大小，可以調(diào)整第二阻抗元件的大小，從而對(duì)無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器的阻抗r轉(zhuǎn)換器+jx轉(zhuǎn)換器進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。

在本發(fā)明的又一優(yōu)選方案中規(guī)定，無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路具有電荷泵電路。電荷泵電路由開(kāi)關(guān)和電容器構(gòu)成，其中開(kāi)關(guān)由二極管構(gòu)成，通過(guò)調(diào)節(jié)電荷泵的級(jí)數(shù)、二極管的尺寸和電容器的大小，可以容易地調(diào)整第二阻抗元件的大小，從而對(duì)無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器的阻抗r轉(zhuǎn)換器+jx轉(zhuǎn)換器進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。

在本發(fā)明的一個(gè)擴(kuò)展方案中規(guī)定，無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電包括電阻、電容和/或電感，并且分別與無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器連接。通過(guò)該擴(kuò)展方案，可以容易地實(shí)現(xiàn)阻抗的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)所期望的阻抗匹配和電壓增益。在此應(yīng)當(dāng)指出，第二阻抗元件可以包括一個(gè)或多個(gè)相同或不同的阻抗元件，而不一定僅僅包括一個(gè)阻抗元件。在一些情況下，為了降低阻抗，第二阻抗元件可以僅僅包括電容和/或電感。

在本發(fā)明的第二方面，前述任務(wù)通過(guò)一種傳感裝置來(lái)解決，其具有根據(jù)本發(fā)明的無(wú)線能量收集裝置和傳感器，所述無(wú)線能量收集裝置為所述傳感器供電。該傳感器例如可以是射頻信號(hào)接收器、如rfid標(biāo)簽，或者是其它傳感器、如聲傳感器、光傳感器等等，其中利用無(wú)線信號(hào)、如射頻信號(hào)或微波信號(hào)給這些傳感器的無(wú)線能量收集系統(tǒng)供電。

在本發(fā)明的第三方面，前述任務(wù)通過(guò)一種電路來(lái)解決，該電路包括：

第一設(shè)備，其用于接收無(wú)線信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)信號(hào)，所述第一設(shè)備的阻抗r1+jx1被設(shè)置為使得第一設(shè)備的阻抗r1+jx1與第二設(shè)備的經(jīng)阻抗轉(zhuǎn)換后的阻抗r’2+jx’2共軛，其中r1和x1分別是第一設(shè)備的阻抗的實(shí)部和虛部，并且r’2和x’2分別是第二設(shè)備的經(jīng)阻抗轉(zhuǎn)換后的阻抗的實(shí)部和虛部；

第二設(shè)備阻抗轉(zhuǎn)換電路，所述第二設(shè)備阻抗轉(zhuǎn)換電路與第二設(shè)備連接以便將第二設(shè)備的阻抗r2+jx2轉(zhuǎn)換為r’2+jx’2，使得第二設(shè)備的經(jīng)阻抗轉(zhuǎn)換后的阻抗的虛部x’2的絕對(duì)值為其實(shí)部r’2的絕對(duì)值的n倍，n＞√3，其中r1和x1分別是第二設(shè)備的阻抗的實(shí)部和虛部；以及

第二設(shè)備，其與第二設(shè)備阻抗轉(zhuǎn)換電路相連。

通過(guò)該電路，可以以低電路成本實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和電壓調(diào)節(jié)，其中該電路改變電壓的幅值，電壓的周期也有可能會(huì)改變，但是，經(jīng)過(guò)該電路的功率并不改變。具體優(yōu)點(diǎn)請(qǐng)參閱無(wú)線能量收集系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。該電路可以應(yīng)用于電力傳輸時(shí)的升壓或降壓等領(lǐng)域。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案中規(guī)定，當(dāng)n＞√3時(shí)，第二設(shè)備接受第一設(shè)備的輸出電壓進(jìn)行放大后的電壓(放大電壓的幅值，電壓的周期也有可能會(huì)改變，但是功率不變)，并且當(dāng)n＜√3時(shí)，第二設(shè)備接受第一設(shè)備的輸出電壓進(jìn)行降低后的電壓(降低電壓的幅值，提供電流的幅值，電壓的周期也有可能會(huì)改變，但是功率不變)。通過(guò)該優(yōu)選方案，可以容易地調(diào)節(jié)電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的精確調(diào)整。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖參考具體實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的無(wú)線能量收集裝置的第一實(shí)施例的框圖；

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的無(wú)線能量收集裝置的第二實(shí)施例的框圖；

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的無(wú)線能量收集裝置的天線阻抗轉(zhuǎn)換電路的電路圖；

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的無(wú)線能量收集裝置的無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路的電路圖；

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的無(wú)線能量收集裝置的天線、無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路和無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器的等效電路；

圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的無(wú)線能量收集裝置的無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路的第一實(shí)施例；以及

圖7示出了示出了根據(jù)本發(fā)明的無(wú)線能量收集裝置的無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路的第二實(shí)施例。

具體實(shí)施方式

應(yīng)當(dāng)指出，各附圖中的各組件可能為了圖解說(shuō)明而被夸大地示出，而不一定是比例正確的。在各附圖中，給相同或功能相同的組件配備了相同的附圖標(biāo)記。

除非另行規(guī)定，在本申請(qǐng)中，量詞＂一個(gè)＂、＂一＂并未排除多個(gè)元素的場(chǎng)景。

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的無(wú)線能量收集裝置100的第一實(shí)施例的框圖。

如圖1所示，無(wú)線能量收集裝置100包括天線101，其用于接收無(wú)線信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)信號(hào)。無(wú)線信號(hào)可以是射頻信號(hào)，但是也可以是其它頻段的信號(hào)。所述天線的阻抗r天線+jx天線被設(shè)置為使得天線的阻抗r天線+jx天線與無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器的經(jīng)阻抗轉(zhuǎn)換后的阻抗r’轉(zhuǎn)換器+jx’轉(zhuǎn)換器共軛，其中r天線和x天線分別是天線的阻抗的實(shí)部和虛部，并且r’轉(zhuǎn)換器和x’轉(zhuǎn)換器分別是無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器的經(jīng)阻抗轉(zhuǎn)換后的阻抗的實(shí)部和虛部。天線的阻抗設(shè)置可以通過(guò)多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，根據(jù)天線的阻抗的實(shí)部和虛部與信號(hào)頻率之間的曲線函數(shù)關(guān)系，通過(guò)設(shè)置合適信號(hào)頻率來(lái)調(diào)節(jié)天線的阻抗。另外，還可以通過(guò)設(shè)置天線的開(kāi)孔大小、接收面積、幾何形狀來(lái)設(shè)置天線的阻抗。除了直接設(shè)置天線101的阻抗之外，也可以通過(guò)天線阻抗轉(zhuǎn)換電路106對(duì)天線進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換，關(guān)于此請(qǐng)參閱后面對(duì)圖2和圖3的描述。

無(wú)線能量收集裝置100還具有無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路105，關(guān)于無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路105的電路圖，請(qǐng)參見(jiàn)圖4。

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的無(wú)線能量收集系統(tǒng)100的無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路105的電路圖。無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路105具有第一阻抗元件，所述第一阻抗元件在此包括電感401和電容402。但是應(yīng)當(dāng)指出，這僅僅是示例性的，在其它實(shí)施例中，第一阻抗元件還可以包括電阻和/或附加的電感和/或附加的電容。在此，第一阻抗元件的電感401與無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器的阻抗元件403和404(例如等效輸入電容x轉(zhuǎn)換器和其等效輸入電阻r轉(zhuǎn)換器)的串聯(lián)電路并聯(lián)(即將無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器與電感401并聯(lián)后再與電容402串聯(lián))，以便將無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器的阻抗r轉(zhuǎn)換器+jx轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為r’轉(zhuǎn)換器+jx’轉(zhuǎn)換器，使得無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器102的經(jīng)阻抗轉(zhuǎn)換后的阻抗的虛部x’轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)值為其實(shí)部r’轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)值的n倍，n＞√3，或|x’轉(zhuǎn)換器|＞＞|r’轉(zhuǎn)換器|。無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路105的高電壓端c和低電壓端d可以作為無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路105的連接端。例如，高電壓端c和低電壓端d可以分別與天線101的高電壓端和低電壓端(未示出)電連接。

回到圖1，無(wú)線能量收集裝置100還包括無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器102，其與無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路105連接以用于將無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路105的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)。

無(wú)線能量收集裝置100還可選地具有儲(chǔ)能器103，其與無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器102連接以用于儲(chǔ)存無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器102的輸出電荷。儲(chǔ)能器103例如可以是電池、電容等儲(chǔ)能器件。

最后，無(wú)線能量收集裝置100還可選地具有能量管理模塊104，其與儲(chǔ)能器104連接以用于對(duì)儲(chǔ)能器103的輸出信號(hào)進(jìn)行處理以得到穩(wěn)定的直流電壓。例如，能量管理模塊104對(duì)儲(chǔ)能器103的輸出信號(hào)的處理包括整流、濾波和電平轉(zhuǎn)換等等。通過(guò)所述處理，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)優(yōu)化的輸出信號(hào)，例如具有穩(wěn)定的電流和合適的電壓、低高次諧波的輸出信號(hào)。其它處理也是可以設(shè)想的，例如從直流信號(hào)轉(zhuǎn)換為交流信號(hào)的逆變等等。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的無(wú)線能量收集裝置100的第二實(shí)施例的框圖。

圖2的第二實(shí)施例與圖1的第一實(shí)施例的區(qū)別在于，通過(guò)天線阻抗轉(zhuǎn)換電路106來(lái)設(shè)置天線101的阻抗，而不是直接設(shè)計(jì)天線的阻抗。這樣可以降低設(shè)計(jì)難度。在其它方面，兩個(gè)實(shí)施例都相同。

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的無(wú)線能量收集裝置100的天線阻抗轉(zhuǎn)換電路106的電路圖。在此，天線阻抗轉(zhuǎn)換電路106的電路圖具有第一阻抗元件，其包括第一電感302和第二電感303，它們的電感值分別為l1和l2。阻抗301為天線301的阻抗，其阻抗值為r1、例如標(biāo)準(zhǔn)阻抗50ω或75ω。在此，第一電感302與天線101的阻抗301串聯(lián)以后再與第二電感303并聯(lián)，但是這僅僅是示例性的，其它連接方式也是可設(shè)想的，只要能將天線101的阻抗301轉(zhuǎn)換為r’天線+jx’天線，使得天線的經(jīng)阻抗轉(zhuǎn)換后的阻抗r’天線+jx’天線與無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器的經(jīng)阻抗轉(zhuǎn)換后的阻抗r’轉(zhuǎn)換器+jx’轉(zhuǎn)換器共軛，其中r天線和x天線分別是天線在阻抗轉(zhuǎn)換以前的阻抗的實(shí)部和虛部，r’天線和x’天線分別是天線在阻抗轉(zhuǎn)換以后的阻抗的實(shí)部和虛部，并且r’轉(zhuǎn)換器和x’轉(zhuǎn)換器分別是無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器的經(jīng)阻抗轉(zhuǎn)換后的阻抗的實(shí)部和虛部。天線阻抗轉(zhuǎn)換電路106的高電壓端a和低電壓端b可以作為天線阻抗轉(zhuǎn)換電路106的連接端。例如，高電壓端a和低電壓端b可以分別與無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路105的高電壓端c和低電壓端d電連接。

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的無(wú)線能量收集裝置100的天線101、無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路105和無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器102的等效電路。在此，天線101(可選地包括天線阻抗轉(zhuǎn)換電路106或第二阻抗元件)的等效電路為501，而無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路105和無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器102的等效電路為502。如圖5所示，天線101的阻抗為r天線+jx天線，并且無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器103的經(jīng)無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路105進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換后的阻抗為r’轉(zhuǎn)換器+jx’轉(zhuǎn)換器。在此，通過(guò)設(shè)計(jì)天線101和/或無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路105的阻抗或者通過(guò)選擇第一阻抗元件和/或第二阻抗元件的大小和/或連接方式，使得天線的阻抗r天線+jx天線與無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器的阻抗r’轉(zhuǎn)換器+jx’轉(zhuǎn)換器共軛，即實(shí)部相等：r天線＝r’轉(zhuǎn)換器，且虛部大小相等、符號(hào)相反：x天線＝－x’轉(zhuǎn)換器；而且，x’轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)值為r’轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)值的n倍，其中n＞√3，或者說(shuō)其虛部遠(yuǎn)大于實(shí)部，即：|x’轉(zhuǎn)換器|＞＞|r’轉(zhuǎn)換器|。n既可以為整數(shù)也可以為小數(shù)。

假定由天線101接收并轉(zhuǎn)換的無(wú)線信號(hào)的電平為va(參見(jiàn)圖6)，則輸入到無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器102的輸入電壓v為：

由此，該裝置的增益為g無(wú)源為：

由于x’轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)值為r’轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)值的n倍，且由于r天線＝r’轉(zhuǎn)換器，由此該公式可以簡(jiǎn)化為：

當(dāng)n較大時(shí)，

由此可見(jiàn)，通過(guò)調(diào)整x’轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)值與r’轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)值之間的比例n＝x’轉(zhuǎn)換器/r’轉(zhuǎn)換器，可以調(diào)整該裝置100的增益g無(wú)源，例如，可以通過(guò)調(diào)節(jié)n將g無(wú)源調(diào)整為100倍。

根據(jù)本發(fā)明的無(wú)線能量收集裝置100至少具有下列優(yōu)點(diǎn)：

(1)通過(guò)該裝置100，可以實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配以提高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的天線101、即通過(guò)將天線101的阻抗專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)為與無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器102的阻抗彼此共軛，由此實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的阻抗匹配，從而實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。

(2)通過(guò)天線101的阻抗設(shè)計(jì)和對(duì)無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器102的阻抗轉(zhuǎn)換，可以對(duì)輸入電壓進(jìn)行放大(或升壓)以達(dá)到相應(yīng)器件的閾值電壓，從而提高系統(tǒng)的靈敏度、即降低最低工作功率，這是基于本發(fā)明人的如下洞察：本發(fā)明人通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，通過(guò)獨(dú)特地設(shè)置天線101的阻抗、而不是固守于50ω或75ω的標(biāo)準(zhǔn)天線阻抗、同時(shí)通過(guò)獨(dú)特地對(duì)無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器102進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)較大的電壓增益g無(wú)源，其表達(dá)式為：

其中由于根據(jù)本發(fā)明對(duì)天線的阻抗和無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路的專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，使得無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器的經(jīng)阻抗準(zhǔn)換后的阻抗的虛部x’轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)值為其經(jīng)阻抗準(zhǔn)換后的阻抗的實(shí)部r’轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)值的n倍，并且由于阻抗共軛關(guān)系得出：r天線＝r’轉(zhuǎn)換器，x天線＝－x’轉(zhuǎn)換器，由此該公式可以簡(jiǎn)化為：

當(dāng)n較大時(shí)，

從上式可以看出，從上式可以看出，電壓增益g無(wú)源取決于無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器102的經(jīng)阻抗轉(zhuǎn)換后的阻抗的虛部x’轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)值與其經(jīng)阻抗轉(zhuǎn)換后的阻抗的實(shí)部r’轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)值的比例n。

由此，通過(guò)設(shè)置x’轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)值與r’轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)值之間的比例n可以調(diào)整該裝置的電壓增益g無(wú)源，其中由上面的等式可知，當(dāng)n＞√3時(shí)，g無(wú)源＞1。例如，可以通過(guò)調(diào)節(jié)n將g無(wú)源調(diào)整為100倍。由此可見(jiàn)，本發(fā)明的裝置100的電壓增益可以容易地被調(diào)整為較大，從而提高系統(tǒng)的靈敏度、即降低最低工作功率，因?yàn)榧词褂商炀€101從無(wú)線信號(hào)中轉(zhuǎn)換而來(lái)的原始電平較低，該裝置100也可以將其提升到較高電平，從而達(dá)到后續(xù)部件、例如無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器102的閾值電壓，實(shí)現(xiàn)其正常工作。

(3)在本發(fā)明中，本發(fā)明的無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路105可以僅僅由阻抗元件、即電阻、電容和電感等無(wú)源器件組成，因此其成本低廉、實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單、無(wú)需專(zhuān)門(mén)供電，有利于無(wú)線能量收集系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用及其小型化應(yīng)用。

圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的無(wú)線能量收集裝置的無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路105的第一實(shí)施例。

如圖6所示，無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路105為橋式整流電路。所述橋式整流電路包括彼此并聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)支路，每個(gè)支路包括交叉偶合的四個(gè)晶體管(m11，m12，m13，m14；…；mn1，mn2，mn3，mn4)和與所述四個(gè)晶體管串聯(lián)的整流電容器(c11，c12；…；cn1，cn2)，并且每個(gè)支路的四個(gè)晶體管(m11，m12，m13，m14；…；mn1，mn2，mn3，mn4)中的兩個(gè)晶體管(m12，m14；…；m(n－1)2，m(n－1)4)的源極與相鄰支路的四個(gè)晶體管(m11，m12，m13，m14；…；mn1，mn2，mn3，mn4)中的兩個(gè)晶體管(m21，m23；…；mn1，mn3)的漏極連接。通過(guò)調(diào)整支路的數(shù)目、晶體管的尺寸以及整流電容器(c11，c12；…；cn1，cn2)的大小，可以調(diào)整第二阻抗元件的大小，從而對(duì)無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器102的阻抗r轉(zhuǎn)換器+jx轉(zhuǎn)換器進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。

圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的無(wú)線能量收集裝置的無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路105的第二實(shí)施例。

如圖7所示，無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器阻抗轉(zhuǎn)換電路105為電荷泵電路。電荷泵電路由開(kāi)關(guān)和電容器(c1…cn)構(gòu)成，其中開(kāi)關(guān)由二極管(d1…dn)構(gòu)成，通過(guò)調(diào)節(jié)電荷泵的級(jí)數(shù)、二極管(d1…dn)的尺寸和電容器(c1…cn)的大小，可以容易地調(diào)整第二阻抗元件的大小，從而對(duì)無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器的阻抗r轉(zhuǎn)換器+jx轉(zhuǎn)換器進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。

另外，本發(fā)明的無(wú)線能量收集系統(tǒng)可以用在各種無(wú)源傳感器中以實(shí)現(xiàn)給這些無(wú)源傳感器供電的效果。在本實(shí)施例中，由能量管理模塊104輸出的直流電壓為無(wú)源傳感器供電；在其它實(shí)施例中，無(wú)線能量收集系統(tǒng)100還可以不包括儲(chǔ)能器103和能量管理模塊104，直接由無(wú)線直流轉(zhuǎn)換器102輸出的直流電壓為無(wú)源傳感器供電。

雖然本發(fā)明的一些實(shí)施方式已經(jīng)在本申請(qǐng)文件中予以了描述，但是對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，這些實(shí)施方式僅僅是作為示例示出的。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到眾多的變型方案、替代方案和改進(jìn)方案而不超出本發(fā)明的范圍。所附權(quán)利要求書(shū)旨在限定本發(fā)明的范圍，并藉此涵蓋這些權(quán)利要求本身及其等同變換的范圍內(nèi)的方法和結(jié)構(gòu)。