[發(fā)明專利]一種射頻能量采集電路中的L型阻抗匹配系統(tǒng)及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710266417.6
• 申請(qǐng)日: 2017-04-21
• 公開（公告）號(hào): CN107154788A
• 公開（公告）日: 2017-09-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李小明;莊奕琪;汪坤;王少龍;劉偉峰;彭琪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H03H7/38
• 分類號(hào): H03H7/38
• 代理公司: 北京輕創(chuàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11212
• 代理人: 曾濤

本發(fā)明涉及一種射頻能量采集電路中的L型阻抗匹配系統(tǒng)及方法，其系統(tǒng)包括采樣比較模塊、邏輯算法控制模塊和可調(diào)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)；采樣比較模塊用于在邏輯控制模塊的控制下對(duì)倍壓整流電路輸出的電壓進(jìn)行連續(xù)兩次采樣并對(duì)連續(xù)兩次采樣的電壓進(jìn)行比較；邏輯算法控制模塊用于根據(jù)連續(xù)兩次采樣的電壓的比較結(jié)果逐次調(diào)整并入可調(diào)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中L型可調(diào)電容陣列的數(shù)量；可調(diào)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)用于根據(jù)并入的L型可調(diào)電容陣列的數(shù)量來匹配所述天線與倍壓整流電路之間的阻抗。本發(fā)明通過判斷倍壓整流電路輸出電壓得到當(dāng)前阻抗匹配效果，避免了復(fù)雜的ADC采樣或者信號(hào)處理單元，電路簡單，功耗極低，僅在開關(guān)過程消耗能量，適用于微弱能量采集環(huán)境。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及能量采集電路中阻抗匹配的系統(tǒng)及方法，具體的涉及一種射頻能量采集電路中的L型阻抗匹配系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

由于無線傳感網(wǎng)(WSN)、人體體域網(wǎng)(BAN)和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的大力發(fā)展，無線傳感節(jié)點(diǎn)得到了廣泛利用。為了實(shí)現(xiàn)不間斷測量，傳感節(jié)點(diǎn)需要擁有更長的待機(jī)時(shí)間，但其使用壽命被電池技術(shù)的瓶頸所限制。為了解決傳感節(jié)點(diǎn)供電問題，無線能量收集技術(shù)得到了廣泛發(fā)展，其收集無線電能量為傳感節(jié)點(diǎn)提供電源，以達(dá)到延長電路工作時(shí)間或無源工作的目的。

能量收集電路一般由四部分組成，如圖1所示，能量收集電路包括天線、阻抗匹配電路、倍壓整流電路和儲(chǔ)能電容組成。天線在本系統(tǒng)中作為射頻能量源，負(fù)責(zé)感應(yīng)電磁波，其在設(shè)計(jì)完成后阻抗不再變化。倍壓整流電路的作用是將天線感應(yīng)到的微弱電磁波整流并升壓，其阻抗與信號(hào)頻率以及輸入功率相關(guān)。由于倍壓整流電路的輸入端通常并聯(lián)或串聯(lián)電容，因此其阻抗與頻率相關(guān)；當(dāng)倍壓整流電路的輸出功率改變時(shí)，倍壓整流電路輸出的電壓發(fā)生變化，倍壓整流電路內(nèi)部MOSFET的工作狀態(tài)也因此發(fā)生變化，從而造成阻抗變化。

在射頻能量傳輸領(lǐng)域，根據(jù)能量傳輸公式得：當(dāng)源阻抗與負(fù)載阻抗實(shí)部相等，虛部相反時(shí)能量傳輸效率最大。然而在實(shí)際使用中倍壓整流電路的阻抗與天線的阻抗并不匹配，造成了能量反射，降低了轉(zhuǎn)換效率，因此需要阻抗匹配電路來匹配天線與倍壓整流電路，提高能量收集效率。

傳統(tǒng)阻抗匹配電路結(jié)構(gòu)眾多，常見的如圖2-1中所示的π型結(jié)構(gòu)和圖2-2中所示的L型結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)均針對(duì)特定頻率信號(hào)進(jìn)行阻抗匹配，只能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)匹配，一般匹配在能量最低點(diǎn)。而能量收集電路并不針對(duì)某一特定頻率信號(hào)，其需要在較寬的頻帶內(nèi)都有較高的能量收集效率，因此傳統(tǒng)阻抗匹配電路并不滿足能量收集電路的使用需求。

另外，當(dāng)前存在一些自動(dòng)阻抗匹配系統(tǒng)，但是由于存在以下問題這些方法也無法應(yīng)用于能量獲取電路。

光伏發(fā)電領(lǐng)域利用動(dòng)態(tài)阻抗等效匹配實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制(MPPT)(具體參見：基于動(dòng)態(tài)等效阻抗匹配的光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤控制,鄭穎楠，王俊平，張霞，中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，第31卷第2期，2011年1月15日)。該系統(tǒng)如圖3所示：通過電流檢測電路、電壓檢測電路和信號(hào)處理電路實(shí)現(xiàn)光伏電池板的動(dòng)態(tài)等效阻抗測量，并控制功率變換器實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。如果將其應(yīng)用于無線能量收集電路存在的問題是：

1.無線能量收集電路源端阻抗即天線阻抗并不變化，無法通過測量天線內(nèi)阻的方式確定當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)；

2.MPPT系統(tǒng)通過調(diào)控功率變換器達(dá)到阻抗匹配目的，而能量收集電路中倍壓整流電路一般不可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

因此該MPPT系統(tǒng)并不適用于能量獲取電路。

無線輸電領(lǐng)域利用無線電傳輸電力能量，其為實(shí)現(xiàn)能量最大化傳輸也需要阻抗匹配電路(具體參見：一種用于大功率無線輸電裝置的自動(dòng)阻抗匹配控制裝置，申請(qǐng)?zhí)?01410326172.8，申請(qǐng)日2014.07.10)。該系統(tǒng)如圖4所示：包括處理器單元、功率監(jiān)測單元、開關(guān)陣列單元、匹配網(wǎng)絡(luò)單元。該系統(tǒng)的功率監(jiān)測單元包含一個(gè)耦合器與兩個(gè)檢波器，經(jīng)過耦合器的正向功率和反射功率分別被兩個(gè)檢波器檢測，并輸出與功率成正比的電壓信號(hào)。通過ADC采樣兩個(gè)檢波器電壓并利用計(jì)算單元計(jì)算出當(dāng)前傳輸效率，之后通過算法改變匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以改變阻抗。但是由于以下原因該系統(tǒng)并不適合能量收集電路：