接收裝置以及同時(shí)進(jìn)行射頻能量提取和數(shù)據(jù)通信方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種接收裝置和一種同時(shí)進(jìn)行射頻能量提取和數(shù)據(jù)通信的方法，其中，接收裝置包括：接收端口，用于接收來(lái)自外部的射頻信號(hào)；能量提取電路，連接至接收端口，用于從射頻信號(hào)中提取出功率和數(shù)據(jù)信號(hào)，將功率信號(hào)輸出至功率管理單元，以及將數(shù)據(jù)信號(hào)輸出至通信單元；功率管理單元，連接至能量提取電路，用于接收功率信號(hào)，儲(chǔ)存能量提取電路提取的能量。通過(guò)本發(fā)明的技術(shù)方案，能夠同時(shí)進(jìn)行無(wú)線能量的收集和數(shù)據(jù)通信，從而使得移動(dòng)設(shè)備或手持設(shè)備在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的同時(shí)，能夠?yàn)樽陨硖峁╇娔堋?br> 【專利說(shuō)明】接收裝置以及同時(shí)進(jìn)行射頻能量提取和數(shù)據(jù)通信方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體而言，涉及一種接收裝置和一種同時(shí)進(jìn)行射頻能 量提取和數(shù)據(jù)通信的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 基于射頻的無(wú)線技術(shù)使三個(gè)獨(dú)特的系統(tǒng)功能成為了可能，即無(wú)線通信（數(shù)據(jù)/語(yǔ) 音）、無(wú)線傳感（參數(shù)）和無(wú)線供電（能量）。前兩個(gè)無(wú)線應(yīng)用在現(xiàn)如今的生活中都可見(jiàn)它 們的身影，并已改變了我們的日常生活。第三個(gè)無(wú)線應(yīng)用一無(wú)線能量傳輸或傳遞（WPT)在 公眾中鮮為人知，至今尚未得到良好的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，任何在空間中的自然或人為 的電磁輻射和傳輸應(yīng)該被稱為WPT，但我們通常用WPT特指"面向電力的"、遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于在紅外 線和光頻段上的無(wú)線頻率上的能量傳輸。
[0003] 經(jīng)過(guò)近20多年的發(fā)展，高密度功率器件，低功耗集成電路，高效率整流天線和創(chuàng) 新的電路結(jié)構(gòu)推動(dòng)各種無(wú)線能量傳輸技術(shù)的研究進(jìn)展。此外，新興的應(yīng)用和市場(chǎng)在促進(jìn)和 "推進(jìn)"WPT上扮演了關(guān)鍵的角色，例如生物醫(yī)學(xué)工程中植入了免電池能量收集系統(tǒng)的CMOS 器件，安保應(yīng)用和交通運(yùn)輸中的非接觸式無(wú)線射頻識(shí)別（RFID)，以及電動(dòng)汽車(chē)和移動(dòng)設(shè)備 的遠(yuǎn)程充電和供電。
[0004] 移動(dòng)設(shè)備和手持式系統(tǒng)的特點(diǎn)是功耗和電壓驅(qū)動(dòng)越來(lái)越低，這得益于較小的蜂窩 結(jié)構(gòu)和先進(jìn)的CMOS工藝技術(shù)的飛速發(fā)展，隨著移動(dòng)設(shè)備和手持式系統(tǒng)的快速發(fā)展，它使這 些設(shè)備收集周?chē)h(huán)境中來(lái)自廣播服務(wù)和無(wú)線通信的電磁能來(lái)給這些設(shè)備供電成為了可能。 因此，在無(wú)線能量傳輸和收集方面，開(kāi)發(fā)一種獨(dú)立收發(fā)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和能量的傳輸和接收， 將是下一代無(wú)線系統(tǒng)的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明正是基于上述問(wèn)題，提出了一種同時(shí)進(jìn)行射頻能量提取和數(shù)據(jù)通信的技 術(shù)，能夠利用接收機(jī)模塊以無(wú)線的方式同時(shí)接收數(shù)據(jù)和能量。
[0006] 有鑒于此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種接收裝置，包括：接收端口，用于接 收來(lái)自外部的射頻信號(hào)；能量提取電路，連接至所述接收端口，用于從所述射頻信號(hào)中提取 出功率信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)，將所述功率信號(hào)輸出至功率管理單元，以及將所述數(shù)據(jù)信號(hào)輸出 至通信單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；所述功率管理單元，連接至所述能量提取電路，用于接收所述功 率信號(hào)，儲(chǔ)存所述能量提取電路提取的能量。
[0007] 在接收端口的輸出中增加能量提取電路，從接收到的射頻信號(hào)中提取出功率信號(hào) 和數(shù)據(jù)信號(hào)（數(shù)據(jù)信號(hào)可以是中頻信號(hào)或低頻信號(hào)），該功率信號(hào)用于射頻功率收集，數(shù)據(jù) 信號(hào)用于數(shù)據(jù)通信。因此，能量提取電路從接收到的射頻載波上提取直流功率，并從相同的 射頻載波中得到支持?jǐn)?shù)據(jù)通信所需要的功率，實(shí)現(xiàn)了在數(shù)據(jù)通信的同時(shí)進(jìn)行無(wú)線能量的收 集。
[0008] 在上述技術(shù)方案中，優(yōu)選的，所述能量提取電路包括整流電路，用于對(duì)所述射頻信 號(hào)進(jìn)行整流處理，得到所述功率信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)。
[0009] 在上述任一技術(shù)方案中，優(yōu)選的，所述接收端口包括N個(gè)輸出端口，所述N為大于 等于2的整數(shù)；所述整流電路包括N個(gè)整流器，所述N個(gè)整流器與所述N個(gè)輸出端口一一對(duì) 應(yīng)連接。
[0010] 任何結(jié)構(gòu)的接收端口均可以結(jié)合于此，到目前為止接收端口的輸出端口數(shù)量有2、 4、8及其組合的種類(lèi)。應(yīng)理解，奇數(shù)多端口接收機(jī)也是可能的。由于接收端口有多個(gè)輸出端 口，因此每一個(gè)輸出端口可連接一個(gè)整流器（即功率檢測(cè)器），用于對(duì)輸出端口輸出的射頻 信號(hào)進(jìn)行整流處理和功率讀取，并將功率信號(hào)從中頻或低頻數(shù)據(jù)信號(hào)中分離出來(lái)，以用于 功率收集。
[0011] 在上述任一技術(shù)方案中，優(yōu)選的，每個(gè)整流器包括：由多個(gè)二極管組成的整流單 元，將所述射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成所述功率信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)；濾波電路，接收來(lái)自所述整流單元的 輸出信號(hào)，從所述輸出信號(hào)中過(guò)濾出所述數(shù)據(jù)信號(hào)，剩余信號(hào)為所述功率信號(hào)。
[0012] 整流單元的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波電路的過(guò)濾后，允許數(shù)據(jù)信號(hào)與整流直流信號(hào)的分 離，直流信號(hào)（即功率信號(hào)）被輸入到功率收集器（即功率管理單元）中。
[0013] 在上述任一技術(shù)方案中，優(yōu)選的，所述整流器還包括低通濾波器或帶通濾波器，連 接在所述整流單元與所述接收端口之間，對(duì)所述射頻信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾處理，并將經(jīng)過(guò)過(guò)濾處 理的射頻信號(hào)輸出至所述整流單元。
[0014] 在上述任一技術(shù)方案中，優(yōu)選的，所述整流器還包括阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，連接在所述低 通濾波器或帶通濾波器與所述整流單元之間。
[0015] 在上述任一技術(shù)方案中，優(yōu)選的，所述濾波電路為電容和/或電感的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0016] 在上述任一技術(shù)方案中，優(yōu)選的，所述整流單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為以下結(jié)構(gòu)中的一種： 多個(gè)二級(jí)管的串聯(lián)結(jié)構(gòu)、多個(gè)二級(jí)管的并聯(lián)結(jié)構(gòu)、電壓倍增式結(jié)構(gòu)、橋式結(jié)構(gòu)。
[0017] 在上述任一技術(shù)方案中，優(yōu)選的，在所述整流單元由多個(gè)二級(jí)管串聯(lián)組成或并聯(lián) 組成時(shí)，每個(gè)二極管還連接有電阻，以保護(hù)相應(yīng)二極管。為了使二極管免受靜電放電的損 壞，采用具有高值電阻的路徑來(lái)保護(hù)二極管。
[0018] 在上述任一技術(shù)方案中，優(yōu)選的，所述功率管理單元包括：電池和/或超級(jí)電容； 電壓轉(zhuǎn)換器，連接至所述電池和/或超級(jí)電容，用于將所述功率信號(hào)進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，并將經(jīng) 電壓轉(zhuǎn)換后的功率信號(hào)輸出至所述電池和/或超級(jí)電容，以對(duì)所述電池和/或超級(jí)電容進(jìn) 行充電。以確保提供一個(gè)恒定的直流電壓供給?？捎靡环N低泄漏電容作為功率管理單元中 的存儲(chǔ)部件，并用一個(gè)直流-直流轉(zhuǎn)換器將低電壓的電平拉高。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還 提供了一種同時(shí)進(jìn)行射頻能量提取和數(shù)據(jù)通信方法，包括：接收來(lái)自外部的射頻信號(hào)；從 所述射頻信號(hào)中提取出功率信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)；將所述功率信號(hào)輸出至功率管理單元，以進(jìn) 行能量?jī)?chǔ)存，以及將所述數(shù)據(jù)信號(hào)輸出至通信單元，以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
[0019] 在上述技術(shù)方案中，優(yōu)選的，采用整流電路對(duì)所述射頻信號(hào)進(jìn)行整流處理，得到所 述功率信號(hào)和所述數(shù)據(jù)信號(hào)。
[0020] 在接收端口的輸出中增加能量提取電路，從接收到的射頻信號(hào)中提取出功率信號(hào) 和數(shù)據(jù)信號(hào)，該功率信號(hào)用于射頻功率收集，數(shù)據(jù)信號(hào)用于數(shù)據(jù)通信。因此，能量提取電路 從接收到的射頻載波上提取直流功率，并從相同的射頻載波中得到支持?jǐn)?shù)據(jù)通信所需要的 功率，實(shí)現(xiàn)了在數(shù)據(jù)通信的同時(shí)進(jìn)行無(wú)線能量的收集。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1示出了相關(guān)技術(shù)中的六端口（常用的多端口之一）接收機(jī)的示意圖；
[0022] 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的接收裝置的基本結(jié)構(gòu)框架圖；
[0023] 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的接收裝置的示意圖；
[0024] 圖4示出了對(duì)應(yīng)于圖3所示的接收裝置的同時(shí)進(jìn)行能量收集和數(shù)據(jù)通信的處理流 程不意圖；
[0025] 圖5示出了圖3所示接收裝置中的整流電路的示意圖；
[0026] 圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的接收裝置的示意圖；
[0027] 圖7示出了該整流器所獲得的輸出直流功率相對(duì)于輸入功率的仿真和測(cè)量結(jié)果；
[0028] 圖8示出了 RF-DC (射頻-直流）轉(zhuǎn)換效率相對(duì)于輸入功率的仿真和測(cè)量結(jié)果；
[0029] 圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的同時(shí)進(jìn)行射頻能量提取和數(shù)據(jù)通信方法的流 程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0030] 為了能夠更清楚地理解本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和具體實(shí) 施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述。需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)的實(shí)施 例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。
[0031] 在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是，本發(fā)明還可 以采用其他不同于在此描述的其他方式來(lái)實(shí)施，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受下面公開(kāi) 的具體實(shí)施例的限制。
[0032] N端口接收機(jī)的基本工作原理和基本特征已在很多公開(kāi)出版物中記載，為了方便 理解根據(jù)本發(fā)明的接收裝置的工作原理，下面以六端口接收機(jī)為例，簡(jiǎn)單說(shuō)明六端口接收 機(jī)的基本工作原理，雖然在下文中以六端口接收機(jī)為例，但應(yīng)理解N端口接收機(jī)均可結(jié)合 于此來(lái)實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的接收裝置。
[0033] 圖1示出了相關(guān)技術(shù)中的六端口接收機(jī)的示意圖。
[0034] 如圖1所示，描繪了一個(gè)六端口接收器的結(jié)構(gòu)，一般來(lái)說(shuō)，六端口接收器的結(jié)構(gòu)主 要包括兩個(gè)部分，即模擬前端102和數(shù)字前端104。模擬前端102由一個(gè)連接到功率檢波 器網(wǎng)絡(luò)的六端口 1022所組成。六端口 1022是一個(gè)線性器件，包括兩個(gè)輸入（接收到的射 頻（RF)信號(hào)和本機(jī)振蕩器（L0)信號(hào)）和四個(gè)輸出（由RF和L0信號(hào)以一定的相位關(guān)系組 成四種不同的組合輸出）。測(cè)得的功率信號(hào)通過(guò)模擬信號(hào)輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)，以將模 擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸入到通信部分（例如FPGA)。數(shù)字前端104包 括模數(shù)轉(zhuǎn)換器和通信部分。應(yīng)理解，在一些實(shí)際情況下，ADC可能是包括在FPGA模塊中的。 FPGA電路板包含必要的數(shù)字信號(hào)處理器，這是計(jì)算復(fù)基帶信號(hào)所需要的。
[0035] 基于以前的多端口技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，根據(jù)本發(fā)明的接收裝置的基本結(jié)構(gòu)框架可 參見(jiàn)圖2,功率采集器2042能夠提取射頻信號(hào)的射頻能量，數(shù)據(jù)傳輸單元2044完成數(shù)據(jù)通 信，同時(shí)進(jìn)行能量提取和數(shù)據(jù)傳輸。在這樣的結(jié)構(gòu)中，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息和直流功率的同時(shí)接 收，數(shù)據(jù)信息可以從調(diào)制載波信號(hào)中提取出來(lái)，而直流功率可從射頻載波分量來(lái)獲得。
[0036] 同步能量收集和數(shù)據(jù)通信是下一代的自供電或混合能源和通信系統(tǒng)的一種很有 前景的方法。一般來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低功耗、體積小、成本低以及高速度都是新興的無(wú)線收發(fā) 器所必須的。相比于外差式收發(fā)方案，多端口技術(shù)在收發(fā)器設(shè)計(jì)上的應(yīng)用已經(jīng)顯示出顯著 的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)槎喽丝诹悴罴夹g(shù)的功率讀取簡(jiǎn)單，而非采用大功率驅(qū)動(dòng)的混頻器，故多端口零 差技術(shù)一直很引人注目。因此，基于六端口的接收器是對(duì)現(xiàn)有接收拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有利優(yōu)化。除 了整流信號(hào)的I和Q分量之外，可從一個(gè)六端口接收機(jī)的輸出端得到一個(gè)（DC)直流信號(hào)。 此直流分量可被循環(huán)使用或被用于對(duì)除電池外的系統(tǒng)供電。這將減輕電池的負(fù)擔(dān)或延長(zhǎng)電 池的使用壽命。因此，同步數(shù)據(jù)和能量的接收器是可被實(shí)現(xiàn)的，這種方案類(lèi)似于混合氣動(dòng)/ 電動(dòng)車(chē)輛，該車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)可產(chǎn)生電力并再用于車(chē)輛自身的供電。
[0037] 為了實(shí)現(xiàn)一種同時(shí)具有雙功能的數(shù)據(jù)和功率接收系統(tǒng)，六端口接收器的功率檢測(cè) 器和濾波部分被整流模塊所替代，該整流模塊具有很高的射頻-直流轉(zhuǎn)換效率，并且也具 有分離中頻或低頻數(shù)據(jù)信號(hào)和直流功率信號(hào)的能力。參見(jiàn)圖3,根據(jù)本發(fā)明接收裝置基于 六端口接收技術(shù)，其主要包括一個(gè)六端口接頭302，4個(gè)能量提取電路304, 一個(gè)功率管理單 元306和一個(gè)通信單元308,該通信單元308包括ADC模塊和FPGA模塊。在圖3中，能量 提取電路304和功率管理單元306對(duì)應(yīng)于圖2中的功率采集器2042,通信單元308對(duì)應(yīng)于 圖2中的數(shù)據(jù)傳輸單元2044。六端口 302接收來(lái)自外部例如發(fā)射器的射頻信號(hào)，能量提取 電路304對(duì)該射頻信號(hào)進(jìn)行處理，分離出直流功率信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)（中頻或低頻信號(hào)），其 中，直流功率信號(hào)被輸出至功率管理單元306,進(jìn)行能量收集，可為接收器供電，實(shí)現(xiàn)接收器 的自供電；數(shù)據(jù)信號(hào)被輸出至通信單元308,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
[0038] 在圖3中，由于基于六端口技術(shù)，因此有四路輸出，在每一輸出上連接一個(gè)能量提 取電路304,以提取每一輸出上的射頻能量。
[0039] 本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，雖然在本文中以六端口技術(shù)來(lái)說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的接收裝 置的實(shí)施例，事實(shí)上，目前的N端口接收技術(shù)均可結(jié)合于此，每一輸出上連接一個(gè)能量提取 電路。
[0040] 根據(jù)本發(fā)明的接收裝置的處理流程圖可參見(jiàn)圖4,圖4是同時(shí)進(jìn)行無(wú)線功率傳輸 和數(shù)據(jù)通信的處理流程圖。
[0041] 如圖4所示，首先，六端口接頭接收來(lái)自外部的射頻信號(hào)402,接著該射頻信號(hào)被 輸入整流電路進(jìn)行處理404,整流電路的輸出分為兩個(gè)部分：傳輸給一個(gè)最佳的電阻負(fù)載 以實(shí)現(xiàn)功率收集的無(wú)線能量收集部分406,以及傳輸給數(shù)據(jù)通信單元以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)提取過(guò)程 的數(shù)據(jù)通信部分408。數(shù)據(jù)信號(hào)的提取是通過(guò)這些多端口數(shù)據(jù)信號(hào)的相干組合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 一旦從六端口接頭的所有輸出端收集到直流功率或整流波，全部收集到的直流電壓將由功 率管理單元進(jìn)行調(diào)節(jié)，以確保提供一個(gè)恒定的直流電壓供給?？捎靡环N低泄漏電容作為的 功率管理單元中的存儲(chǔ)部件，并用一個(gè)直流-直流轉(zhuǎn)換器將低電壓的電平拉高。
[0042] 基于上面的描述可知，RF信號(hào)由接收天線接收后，通過(guò)六端口接頭，在四個(gè)輸出端 與L0信號(hào)結(jié)合，從而形成不同相位的四個(gè)信號(hào)。它們是在這四個(gè)輸出端被注入進(jìn)整流電路 的。該整流電路的輸出信號(hào)通過(guò)一些過(guò)濾過(guò)程，然后轉(zhuǎn)移到通信單元進(jìn)行解調(diào)過(guò)程和數(shù)據(jù) 提取。這個(gè)過(guò)濾過(guò)程允許數(shù)據(jù)信號(hào)（基帶）和整流直流的分離。最簡(jiǎn)單的電路可以用適當(dāng) 的電容形式來(lái)做，這些電容器能允許基帶通過(guò)，卻能阻止全部的直流分量，直流分量可被重 新輸入到功率管理單元中。
[0043] 在根據(jù)本發(fā)明的接收裝置中，較重要的部分是能量提取電路，該能量提取電路可 由整流電路構(gòu)成。下面結(jié)合圖5進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的接收裝置中的整流電路的基 于構(gòu)成以及基本工作原理。
[0044] 如圖5所示，一般情況下，與六端口接頭502連接的整流電路可以包括：一個(gè)低通 濾波器或帶通濾波器504 (在某些應(yīng)用場(chǎng)景下該濾波器可能不是必需的），采用低通濾波 器或帶通濾波器，取決于不同的工作頻率，通過(guò)整流元件來(lái)抑制不想要的高次諧波；阻抗匹 配網(wǎng)絡(luò)506 ;整流元件508,在本實(shí)施例中，該整流元件由一個(gè)或多個(gè)二極管組成，具體拓 撲結(jié)構(gòu)決于接收裝置結(jié)構(gòu)的配置；一個(gè)用來(lái)平滑直流電壓輸出和提高系統(tǒng)性能的濾波電 路510,對(duì)在整流的非線性處理過(guò)程中所產(chǎn)生的高次諧波進(jìn)行衰減；一個(gè)直流負(fù)載（或直 流-直流充電模塊）。
[0045] 需說(shuō)明的是，整流電路具有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在本實(shí)施例中，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要 來(lái)選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如多個(gè)二極管的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，多個(gè)二極管的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，電壓倍增式結(jié) 構(gòu)以及橋式結(jié)構(gòu)。串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)可降低二極管損耗，并可作為低功率整流器設(shè)計(jì)的 較好的備選結(jié)構(gòu)。在一個(gè)電壓倍增式結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)二極管組成的整流電路可以產(chǎn)生比單二 極管整流器至少高兩倍的直流輸出電壓，同時(shí)電路的尺寸保持不變。應(yīng)理解，上述例子僅僅 是一種示例，并不用于限制本發(fā)明。為實(shí)現(xiàn)無(wú)線功率傳送，關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)射頻到直流的高效 轉(zhuǎn)換效率的整流電路。在設(shè)計(jì)具有高效的射頻到直流的轉(zhuǎn)換效率的整流電路中，二極管是 最重要的元件。一個(gè)整流器的功率轉(zhuǎn)換效率主要是由二極管的三個(gè)參數(shù)來(lái)決定，串聯(lián)電阻 (Rs)通過(guò)功率損失直接限制了效率，零偏結(jié)電容（CjO)，影響了通過(guò)二極管振蕩的諧波電 流，以及擊穿電壓（Vbr)限制了整流電路的功率處理能力（這只在大功率應(yīng)用上會(huì)用到）。 為了實(shí)現(xiàn)整流，有必要選擇一個(gè)具有高速開(kāi)關(guān)特性的二極管，以便能處理高頻輸入信號(hào)，并 且該二極管需具有較低的截止電壓，以便在RF輸入功率較低時(shí)能工作。
[0046] 接下來(lái)結(jié)合圖6進(jìn)一步說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的接收裝置的又一實(shí)施例。在本實(shí)施例 中，整流電路包括帶通濾波器504、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)506和整流元件、濾波電路510,其中整流 元件包括兩個(gè)二極管￠02和604)，濾波電路510為電容。整流電路可將直流部分從中頻或 低頻部分分離出來(lái)，即從六端口 504的每個(gè)輸出端口的整流波可收集到直流功率，并且同 時(shí)可保持整流波輸出的中頻或低頻（與基帶相關(guān)）部分，并將其發(fā)送到解碼器執(zhí)行解調(diào)過(guò) 程。在諧波抑制濾波器之后使用一個(gè)直流阻塞電容器來(lái)完成（應(yīng)理解，該直流阻塞電容器 可被集成在過(guò)濾器中）。整流電路所收集到的直流部分提供了抵消系統(tǒng)功率載荷或給電池 充電所需的功率。而涉及接收到的RF信號(hào)的全部I和Q分量的中頻或低頻部分則被導(dǎo)入 到接收器的數(shù)據(jù)處理單元。
[0047] 如上所述，本發(fā)明提供了一種簡(jiǎn)單的整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可用在可能自供電的 收發(fā)器結(jié)構(gòu)中。在本實(shí)施例中，還設(shè)計(jì)了兩個(gè)使用高值電阻設(shè)計(jì)的阻值很高的路徑來(lái)保護(hù) 二極管，使其免受靜電放電（ESD)的損壞，并且當(dāng)二極管被注入一個(gè)高動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)時(shí) 可防止二極管被燒毀。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)可根據(jù)二極管的輸入阻抗來(lái)決定。
[0048] 為了確保本發(fā)明所提出的結(jié)構(gòu)可正常工作在微波和毫米波頻段，整流器被設(shè)計(jì)成 工作在24GHz。根據(jù)仿真結(jié)果，在35mW及610 Ω電阻負(fù)載的RF輸入功率時(shí)的整流器是最佳 的。圖7示出了該整流器所獲得的輸出直流功率相對(duì)于輸入功率的仿真和測(cè)量結(jié)果，圖8示 出了射頻-直流轉(zhuǎn)換效率相對(duì)于輸入功率的仿真和測(cè)量結(jié)果。制作出來(lái)的樣機(jī)是與23GHz 匹配的，故所記錄的是在23GHz時(shí)所測(cè)得的效率，并且在該頻率下它表現(xiàn)出了更好的性能。 仿真和制作出來(lái)的樣機(jī)之間在24GHz產(chǎn)生的4%的頻移（1GHz)是可以接受的。需說(shuō)明的 是，在毫米波頻段，效率的仿真和測(cè)量結(jié)果之間是有一定的差異的。這種偏差被認(rèn)為是因?yàn)?整流二極管的非線性結(jié)電容的效果。當(dāng)輸入功率小于35mW時(shí)，轉(zhuǎn)換效率逐漸增加，之后因 為二極管的電壓超過(guò)擊穿電壓，轉(zhuǎn)換效率即迅速下降。
[0049] 根據(jù)本發(fā)明的接收裝置可應(yīng)用于無(wú)線通信設(shè)備，例如手機(jī)、平板電腦、智能手表等 便攜式移動(dòng)設(shè)備。
[0050] 如圖9所示，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的同時(shí)進(jìn)行射頻能量提取和數(shù)據(jù)通信方法，可 以包括以下步驟：
[0051] 步驟902,接收來(lái)自外部的射頻信號(hào)；步驟904,從射頻信號(hào)中提取出功率信號(hào)和 數(shù)據(jù)信號(hào)；步驟906,將功率信號(hào)輸出至功率管理單元，以進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存，以及將數(shù)據(jù)信號(hào) 輸出至通信單元，以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
[0052] 在上述技術(shù)方案中，優(yōu)選的，采用整流電路對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行整流處理，得到功率信 號(hào)和基帶數(shù)據(jù)信號(hào)。
[0053] 在接收端口的輸出中增加能量提取電路，從接收到的射頻信號(hào)中提取出功率信號(hào) 和數(shù)據(jù)信號(hào)，該功率信號(hào)用于射頻功率收集，數(shù)據(jù)信號(hào)用于數(shù)據(jù)通信。因此，能量提取電路 從接收到的RF載波上提取直流功率，并從相同的RF載波方案得到支持?jǐn)?shù)據(jù)通信所需要的 功率，實(shí)現(xiàn)了在數(shù)據(jù)通信的同時(shí)進(jìn)行無(wú)線能量的收集。
[0054] 以上結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，根據(jù)本發(fā)明的接收裝置能夠同 時(shí)進(jìn)行能量提取和數(shù)據(jù)通信，從而使射頻能量可被循環(huán)使用或被用于對(duì)除電池外的系統(tǒng)供 電，這將減輕電池的負(fù)擔(dān)或延長(zhǎng)電池的使用壽命。
[0055] 以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技 術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修 改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種接收裝置，其特征在于，包括： 接收端口，用于接收來(lái)自外部的射頻信號(hào)； 能量提取電路，連接至所述接收端口，用于從所述射頻信號(hào)中提取出功率信號(hào)和數(shù)據(jù) 信號(hào)，將所述功率信號(hào)輸出至功率管理單元，以及將所述數(shù)據(jù)信號(hào)輸出至通信單元進(jìn)行數(shù) 據(jù)通信；所述功率管理單元，連接至所述能量提取電路，用于接收所述功率信號(hào)，儲(chǔ)存所述 能量提取電路提取的能量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的接收裝置，其特征在于，所述能量提取電路包括整流電路，用 于對(duì)所述射頻信號(hào)進(jìn)行整流處理，得到所述功率信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的接收裝置，其特征在于，所述接收端口包括N個(gè)輸出端口，所 述N為大于等于2的整數(shù)； 所述整流電路包括N個(gè)整流器，所述N個(gè)整流器與所述N個(gè)輸出端口 一一對(duì)應(yīng)連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的接收裝置，其特征在于，每個(gè)整流器包括： 由多個(gè)二極管組成的整流單元，通過(guò)功率整流將所述射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成所述功率信號(hào)以 及通過(guò)干涉技術(shù)得到所述數(shù)據(jù)信號(hào)； 濾波電路，接收來(lái)自所述整流單元的輸出信號(hào)，從所述輸出信號(hào)中過(guò)濾出所述數(shù)據(jù)信 號(hào)，剩余信號(hào)為所述功率信號(hào)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的接收裝置，其特征在于，所述整流器還包括低通濾波器或帶 通濾波器，連接在所述整流單元與所述接收端口之間，對(duì)所述射頻信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾處理，并將 經(jīng)過(guò)過(guò)濾處理的射頻信號(hào)輸出至所述整流單元。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的接收裝置，其特征在于，所述整流器還包括阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，連 接在所述低通濾波器或帶通濾波器與所述整流單元之間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的接收裝置，其特征在于，所述濾波電路為電容和/或電感的拓 撲結(jié)構(gòu)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的接收裝置，其特征在于，所述整流單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為以下結(jié) 構(gòu)中的一種： 多個(gè)二級(jí)管構(gòu)成的串聯(lián)結(jié)構(gòu)、多個(gè)二級(jí)管構(gòu)成的并聯(lián)結(jié)構(gòu)、電壓倍增式結(jié)構(gòu)、橋式結(jié) 構(gòu)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的接收裝置，其特征在于，在所述整流單元由多個(gè)二級(jí)管串聯(lián) 組成或并聯(lián)組成時(shí)，每個(gè)二極管還連接有電阻，以保護(hù)相應(yīng)二極管。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的接收裝置，其特征在于，所述功率管理單元包 括： 電池或超級(jí)電容； 電壓轉(zhuǎn)換器，連接至所述電池或超級(jí)電容，用于將所述直流功率信號(hào)進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，并 將經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換后的功率信號(hào)輸出至所述電池或超級(jí)電容，以對(duì)所述電池或超級(jí)電容進(jìn)行充 電。
11. 一種同時(shí)進(jìn)行射頻能量提取和數(shù)據(jù)通信方法，其特征在于，包括： 接收來(lái)自外部的射頻信號(hào)； 從所述射頻信號(hào)中提取出功率信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)； 將所述功率信號(hào)輸出至功率管理單元，以進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存，以及將所述數(shù)據(jù)信號(hào)輸出至 通信單元，以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的同時(shí)進(jìn)行射頻能量提取和數(shù)據(jù)通信方法，其特征在于，采 用整流電路對(duì)所述射頻信號(hào)進(jìn)行整流處理，得到所述功率信號(hào)和所述數(shù)據(jù)信號(hào)。
【文檔編號(hào)】H02J17/00GK104113145SQ201410356181
【公開(kāi)日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】吳柯 申請(qǐng)人:杭州柯茂睿海科技有限公司