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

有效

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• 申請日: 2017-04-21
• 公開（公告）號: CN107171452B
• 公開（公告）日: 2020-02-07
• 發(fā)明（設計）人: 李小明;莊奕琪;汪坤;王少龍;劉偉峰;彭琪
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H02J50/20
• 分類號: H02J50/20;H03H7/40
• 代理公司: 11212 北京輕創(chuàng)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 曾濤

本發(fā)明涉及一種射頻能量采集電路中的π型阻抗自動匹配系統(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，采樣比較模塊用于在所述邏輯控制模塊的微分算子法控制下對倍壓整流電路輸出的電壓進行連續(xù)兩次采樣并對連續(xù)兩次采樣的電壓進行比較；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)果判斷出π型可調(diào)電容陣列的電容調(diào)整方向并根據(jù)電容調(diào)整方向利用電容值二分法按照電容權(quán)重逐次調(diào)整并入所述可調(diào)阻抗匹配網(wǎng)絡中可調(diào)電容的數(shù)量；可調(diào)阻抗匹配網(wǎng)絡用于根據(jù)并入π型可調(diào)電容陣列的電容數(shù)量來匹配所述天線與倍壓整流電路之間的阻抗。本發(fā)明電路簡單，功耗極低，僅在開關過程消耗能量，適用于微弱能量采集環(huán)境。

技術(shù)領域

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π型阻抗自動匹配系統(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)點得到了廣泛利用。為了實現(xiàn)不間斷測量，傳感節(jié)點需要擁有更長的待機時間，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)點提供電源，以達到延長電路工作時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、倍壓整流電路和儲能電容組成。天線在本系統(tǒng)中作為射頻能量源，負責感應電磁波，其在設計完成后阻抗不再變化。倍壓整流電路的作用是將天線感應到的微弱電磁波整流并升壓，其阻抗與信號頻率以及輸入功率相關。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；當倍壓整流電路的輸出功率改變時，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。

在射頻能量傳輸領域，根據(jù)能量傳輸公式得：當源阻抗與負載阻抗實部相等，虛部相反時能量傳輸效率最大。然而在實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)均針對特定頻率信號進行阻抗匹配，只能實現(xiàn)單點匹配，一般匹配在能量最低點。而能量收集電路并不針對某一特定頻率信號，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，當前存在一些自動阻抗匹配系統(tǒng)，但是由于存在以下問題這些方法也無法應用于能量獲取電路。

光伏發(fā)電領域利用動態(tài)阻抗等效匹配實現(xiàn)最大功率點跟蹤控制(MPPT)(具體參見：基于動態(tài)等效阻抗匹配的光伏發(fā)電最大功率點跟蹤控制,鄭穎楠，王俊平，張霞，中國電機工程學報，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處理電路實現(xiàn)光伏電池板的動態(tài)等效阻抗測量，并控制功率變換器實現(xiàn)最大功率跟蹤。如果將其應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)阻的方式確定當前系統(tǒng)狀態(tài)；

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

因此該MPPT系統(tǒng)并不適用于能量獲取電路。