一种基于WISP的三频段的射频能量收集系统

摘要

本发明属于射频能量收集领域，具体为一种基于WISP的三频段的射频能量收集系统，三频段包括WIFI、蜂窝网络频段和ISM，本发明将匹配网络与整流电路结合，实现了三种频率的同时收集，实现了能量的最大化利用。该系统包括天线模块和阻抗匹配整流电路，天线模块包括三个C型天线，其中两C型天线的开口相对，另一C型天线设置在两C型天线之间且开口朝上，此阻抗匹配整流电路为一个四级整流电路，是一个灵敏度高,而且可以并行的收集三种频率的电路。L1，C1组成了一个简单升压电路，L2、L3、L4分别与C2、C3、C4是所需要收集三个频段的匹配电路。本系统很好的解决了WISP中能量收集的问题，可以很好的利用环境中的能量来应用于生活中，解决一些实际问题。

说明书

技术领域

本发明属于射频能量收集领域，具体为一种基于WISP的三频段（无线蜂窝网络、WIFI、ISM频段）的射频能量收集系统。

背景技术

无线识别和感知平台（WISP）是一个集感知、通信与获取能量于一体的无源设备，利用反向散射通信技术获取阅读器发出的射频信号中的能量，来进行自身的感知与通信，是一个可编程的无电池的传感和计算平台，使用16位超低功耗单片机来处理传感器传来的数据。WISP自身有温度、加速度、光照传感器，WISP在每次查询过程中可以传递64比特的信息，它就像传统的超高频无源标签，可以利用阅读器来提供自己所需要的所有能量。WISP的结构几乎可以兼容任何低功耗的传感器，它作为超高频被动标签的一部分被集成在标签上。

近几年，能源问题首先导致了物联网应用的成本大幅度增长。基于电池的工作方式又导致了节点非常有限的工作寿命。由于基数大，对电源的管理与维护带来的开销让人难以接受。事实上，许多生态环境监控系统、地质灾害预警等都面临一个共同的问题，那就是难以维持长时间的维持运行，直接导致了这类解决思路的可扩展性和实用性的大幅下降。而WISP是可以收集周围环境中的能量的，但是现有的WISP电路设计只是可以收集915MHz的能量，必须有专用的阅读器来提供，对于户外的各种活动都有很多的限制，所以本专利就设计了基于WISP的三种频带的能量收集系统来解决此问题。

发明内容

本发明设计了一种并行的三频段射频能量收集系统，三频段包括WIFI(2.45GHz)、蜂窝网络频段（915MHz）和ISM(5.8GHz），本发明将匹配网络与整流电路结合，实现了三种频率的同时收集，实现了能量的最大化利用。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种基于WISP的三频段的射频能量收集系统，包括天线模块和阻抗匹配整流电路，天线模块包括三个C型天线，其中两C型天线的开口相对，另一C型天线设置在两C型天线之间且开口朝上，阻抗匹配整流电路包括第一电感L1和第一电容C1组成的升压电路，第二电感L2和第二电容C2、第三电感L3和第三电容C3、第四电感L4和第四电容C4组成的匹配电路，第一电感L1和第一电容C1连接形成升压电路，第一电感L1和第一电容C1的端部分别作为升压电路的两端，天线模块中三个C型天线的输出端首尾相连后连接在升压电路的两端，第一电感L1和第一电容C1之间的连接点分别和第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8和第九电容C9的一端连接，第六电容C6的另一端和第一个二极管D1的阴极连接，第一个二极管D1的阳极和第一电容C1的端部连接，第六电容C6的另一端还和第二个二极管D2的阳极连接，第二个二极管D2的阴极和第二电感L2的一端连接，第二电感L2的另一端通过第二电容C2与第一个二极管D1的阳极连接，第七电容C7的另一端和第七个二极管D7的阴极连接，第七个二极管D7的阳极和第二个二极管D2的阴极连接，第七电容C7的另一端还和第八个二极管D8的阳极连接，第八个二极管D8的阴极通过第五电容C5和第一个二极管D1的阳极连接，第八电容C8的另一端和第三个二极管D3的阴极连接，第三个二极管D3的阳极和第八个二极管D8的阴极连接，第八电容C8的另一端还和第四个二极管D4的阳极连接，第四个二极管D4的阴极和第三电感L3的一端连接，第三电感L3的另一端通过第三电容C3和第一个二极管D1的阳极连接，第九电容C9的另一端和第五个二极管D5的阴极连接，第五个二极管D5的阳极和第四个二极管D4的阴极连接，第九电容C9的另一端还和第六个二极管D6的阳极连接，第六个二极管D6的阴极和第四电感L4的一端连接，第四电感L4的另一端通过第四电容C4和第一个二极管D1的阳极连接，第四电感L4和第四电容C4的连接点与第一个二极管D1的阳极作为系统的输出端。

此系统可以实现一种或者多种频段能量的同时收集，克服了传统WISP设计电路只能收集一种频段能量的问题。可以根据所处环境中信号的强弱来进行能量的收集，三个匹配支路是并联的关系，所以可以保证节点工作的连续性与有效性。

附图说明

图1为天线的结构示意图。

图2为本发明的电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于WISP的三频段的射频能量收集系统，包括天线模块和阻抗匹配整流电路，天线模块包括三个C型天线，其中两C型天线的开口相对，另一C型天线设置在两C型天线之间且开口朝上，阻抗匹配整流电路包括第一电感L1和第一电容C1组成的升压电路，第二电感L2和第二电容C2、第三电感L3和第三电容C3、第四电感L4和第四电容C4组成的匹配电路，第一电感L1和第一电容C1连接形成升压电路，第一电感L1和第一电容C1的端部分别作为升压电路的两端，天线模块中三个C型天线的输出端首尾相连后连接在升压电路的两端，第一电感L1和第一电容C1之间的连接点分别和第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8和第九电容C9的一端连接，第六电容C6的另一端和第一个二极管D1的阴极连接，第一个二极管D1的阳极和第一电容C1的一端连接，第六电容C6的另一端还和第二个二极管D2的阳极连接，第二个二极管D2的阴极和第二电感L2的一端连接，第二电感L2的另一端通过第二电容C2与第一个二极管D1的阳极连接，第七电容C7的另一端和第七个二极管D7的阴极连接，第七个二极管D7的阳极和第二个二极管D2的阴极连接，第七电容C7的另一端还和第八个二极管D8的阳极连接，第八个二极管D8的阴极通过第五电容C5和第一个二极管D1的阳极连接，第八电容C8的另一端和第三个二极管D3的阴极连接，第三个二极管D3的阳极和第八个二极管D8的阴极连接，第八电容C8的另一端还和第四个二极管D4的阳极连接，第四个二极管D4的阴极和第三电感L3的一端连接，第三电感L3的另一端通过第三电容C3和第一个二极管D1的阳极连接，第九电容C9的另一端和第五个二极管D5的阴极连接，第五个二极管D5的阳极和第四个二极管D4的阴极连接，第九电容C9的另一端还和第六个二极管D6的阳极连接，第六个二极管D6的阴极和第四电感L4的一端连接，第四电感L4的另一端通过第四电容C4和第一个二极管D1的阳极连接，第四电感L4和第四电容C4的连接点与第一个二极管D1的阳极作为系统的输出端。

本发明为了很好的收集三个频段的能量，设计了三个C型天线组合成一个大C的天线，实现了很好的收集，天线结构图如图1所示。

在WISP硬件电路中，射频能量收集电路的目的是收集尽可能多的能量以及使交流功率转化为直流功率的效率达到最大。阻抗匹配的主要作用就是获得尽可能多的能量。本申请提出了针对三种不同频率的匹配网络。匹配网络的核心是使电路的谐振频率与输入频率一致，L型匹配网络的谐振频率表达式如下： QUOTE。

本专利的设计是为了收集三种不同频率的能量，所以需要针对每种不同的频率进行匹配网络的设计，根据上述公式来进行电感与电容的选择，具体的参数选择在表一。

表一

本发明最大的特点就是可以不会仅限于对于一种频率的收集，而是可以自适应的进行能量的收集，可以根据所处环境的不同，收集一种或者多种频率的能量。

此阻抗匹配整流电路为一个四级整流电路，是一个灵敏度高,而且可以并行的收集三种频率的电路，所用的二极管均采用HSMS285C型号的二极管。L1，C1组成了一个简单升压电路，L2、L3、L4分别与C2 、C3 、C4是所需要收集三个频段的匹配电路。L2连接在第一阶，收集915MHZ频段的能量，L3连接在第三阶，收集2.4GHz频段的能量，L4连接在第四阶，收集5.8GHz频段的能量。当L2,L3,L4其中任意一个短路，都可以保证其他两路可以收集到能量，是此电路最大的优点。L1=3nH，C1=0.2 pF，C2 、C3 、C4与L2、L3、L4的参数选择如表一中所示。本系统很好的解决了WISP中能量收集的问题，可以很好的利用环境中的能量来应用于生活中，解决一些实际问题，其整流效率高达85%。