用于提高效率的無線功率傳輸或周圍rf能量收集的整流天線電路元件、電路和技術的制作方法
【技術領域】
[0001] 本公開的方面涉及用于通過（a)多頻帶多信道（MBMC)RF匹配網(wǎng)絡和/或（b)擴 展輸入功率范圍整流器（可以包括可自適應重配置整流器或擊穿保護整流器）來提高無線 功率傳輸（WPT)或周圍RF能量收集電路中的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE)的整流天線電路元件、電 路和技術。
【背景技術】
[0002] 無線功率傳輸（WPT)涉及從預定源或特定類型源到與整流器耦合的接收天線的 RF電能傳輸。接收天線和整流器的組合被稱為整流天線。整流天線將接收的RF能量轉(zhuǎn)換 為可用于為系統(tǒng)或設備（例如傳感器或醫(yī)療儀器）供電的DC功率。由于一種或多種無線 系統(tǒng)和設備之間的無線通信（例如，公用無線電信基站和移動電話/智能電話），因此周圍 RF能量收集涉及采集在現(xiàn)代環(huán)境中固有的RF能量，從而可以將否則會被浪費的RF能量投 入使用，以例如進行電池再充電。與WPT-樣，周圍RF能量收集依賴于將所收集的RF能量 轉(zhuǎn)換為DC功率的整流天線。
[0003] 圖1是常規(guī)整流天線的示意圖，該整流天線被配置為接收單個RF頻帶內(nèi)的RF能 量，并將該單個頻帶內(nèi)的RF能量轉(zhuǎn)換為DC功率。因為整流天線被限制在單個RF頻帶，因 此在整流天線被設計用于的單個頻帶之外的RF能量無法被轉(zhuǎn)換為DC功率，從而限制了該 常規(guī)整流天線在WPT和/或RF能量收集應用中的使用。例如，各種可植入醫(yī)療儀器（例如 可植入脈沖發(fā)生器）具有需要再充電的電源，例如電池。針對已植入的醫(yī)療儀器，出于安全 目的，施加在人體上的瞬時RF功率必須維持在預定水平以下。因此，期望使用多個RF頻帶 來同時施加脈沖RF功率，以對植入電源進行再充電。此外，針對RF能量收集應用，期望同 時收集同時存在于多個頻帶內(nèi)的RF能量，以提高或者最大化可用的周圍RF能量到DC功率 的轉(zhuǎn)換。
[0004] 已經(jīng)開發(fā)出多頻整流天線，然而這些整流天線通常使用多個天線和多個整流器， 每個天線及其關聯(lián)的整流器對應于特定的RF頻帶。因此，這些常規(guī)多頻整流天線設計導致 低效的RF能量轉(zhuǎn)換以及增加的空間和成本。
[0005] 整流天線RF到DC功率轉(zhuǎn)換效率主要取決于其中的整流器的特性。圖2A是基于常 規(guī)整流器的常規(guī)整流天線的示意圖，該常規(guī)整流器適用于低RF輸入功率條件。具體地，針 對該整流天線，在輸入RF功率超過二極管D1的擊穿電壓之前，RF到DC功率轉(zhuǎn)換效率（PCE) 隨輸入RF功率線性增加，在輸入RF功率超過二極管D1的擊穿電壓之后，RF到DCPCE迅 速降低。
[0006] 圖2B是使用常規(guī)高RF輸入功率整流器的常規(guī)整流天線的示意圖。針對圖2B的 整流天線，二極管組D2 (例如，成對并聯(lián)布置的總共4個二極管）與二極管D1串聯(lián)耦合，從 而擴大二極管D1和二極管組D2的組合的總擊穿電壓。遺憾的是，該整流天線在較低輸入 RF功率電平不期望地呈現(xiàn)出較低的RF到DCPCE。
[0007] 圖2C是使用另一種常規(guī)低RF輸入功率整流器的常規(guī)整流天線的示意圖。同樣地， 一旦輸入RF功率超過二極管D1的擊穿電壓，該整流天線的RF到DCPCE就迅速下降。
[0008] 需要這樣一種整流天線，其使用單個天線和單個整流器，并且相比于現(xiàn)有整流天 線，在顯著更寬的輸入RF操作功率條件的范圍呈現(xiàn)出提高的RF到DCPCE。
【附圖說明】
[0009] 圖1是常規(guī)整流天線的示意圖。
[0010] 圖2A是使用常規(guī)低RF輸入功率整流器的常規(guī)整流天線的示意圖。
[0011] 圖2B是使用常規(guī)高RF輸入功率整流器的常規(guī)整流天線的示意圖。
[0012] 圖2C是使用另一種常規(guī)低RF輸入功率整流器的常規(guī)整流天線的示意圖。
[0013] 圖3是根據(jù)本公開實施例的包括多頻帶多信道（MBMC)匹配網(wǎng)絡的代表性MBMC整 流天線的示意圖。
[0014] 圖4A是根據(jù)本公開實施例的準八木天線1x2子陣列的頂部示意圖。
[0015] 圖4B是根據(jù)本公開實施例具有覆蓋GSM-1800和UTMS-2100頻帶中的每一個的帶 寬的1x4準八木天線陣列的正面或頂面圖像，該1x4準八木天線陣列是通過將兩個圖4A的 準八木天線1x2子陣列和T型結功分器連在一起形成的。
[0016] 圖4C是圖4B的1x4準八木天線陣列的背面或底面圖像。
[0017] 圖5A是根據(jù)本公開實施例的MBMC整流天線內(nèi)的MBMC匹配網(wǎng)絡的代表性實施例 的示意圖。
[0018] 圖5B是所制造的根據(jù)本公開實施例的該MBMC匹配網(wǎng)絡的代表性實現(xiàn)的圖像。
[0019] 圖6繪出了針對圖3的MBMC整流天線的代表性實現(xiàn)在不同功率電平（_30dBm 到-18dBM)所測量的RF到DCPCE相對于頻率的圖。
[0020] 圖7繪出了針對圖3的MBMC整流天線的代表性實現(xiàn)針對輸入信號頻率1. 83GHz 和2. 14GHz所測量的PCE相對于單音調(diào)和雙音調(diào)輸入功率的圖，其中1. 83GHz和2. 14GHz 是1. 80~1. 88GHz和2. 11~2. 17GHz頻帶的近似中心頻率。
[0021] 圖8A是根據(jù)本公開實施例的基于第一可自適應重配置整流器或第一自適應整流 器的可自適應重配置整流天線或自適應整流天線的示意圖。
[0022] 圖8B是根據(jù)本公開實施例的基于第二可自適應重配置整流器或第二自適應整流 器的可自適應重配置整流天線或自適應整流天線的示意圖。
[0023] 圖8C示出了圖8B所示的可自適應重配置整流器的代表性實現(xiàn)的電路配置。
[0024] 圖8D是所制造的圖8C的代表性第二可自適應重配置整流器的圖像。
[0025] 圖9A是示出了針對（a)圖2A所示的常規(guī)低RF輸入功率整流器、（b)圖2B所示 的常規(guī)高RF輸入功率整流器、（c)圖8A所示的第一可自適應重配置整流器、以及（d)圖8B 所示的第二可自適應重配置整流器的RF到DCPCE仿真結果的圖。
[0026] 圖9B是示出了針對圖8B至8D的第二可自適應重配置整流器的代表性實現(xiàn)隨著 輸入RF功率的變化的測量的RF到DCPCE對仿真的RF到DCPCE以及測量的輸出電壓對 仿真的輸出電壓的圖。
[0027]圖10A是根據(jù)本公開實施例的基于擊穿保護整流器的擊穿保護整流天線的示意 圖。
[0028] 圖10B是圖10A的擊穿保護整流器的代表性實現(xiàn)的示意圖。
[0029] 圖10C是所制造的圖10B的擊穿保護整流器的代表性實施例的圖像。
[0030] 圖11A至圖11H分別是根據(jù)本公開實施例的第一晶體管保護二極管結構至第七晶 體管保護二極管結構的示意圖。
[0031] 圖12是示出了單獨二極管D1和圖11A的第一晶體管保護二極管結構410a的I-V 特性的圖。
[0032] 圖13是示出了針對圖2C所示的整流器以及圖10A的擊穿保護整流器的仿真RF 到DCPCE對輸入RF功率電平的圖。
[0033] 圖14是示出了針對圖10B和圖10C的擊穿保護整流器的代表性實現(xiàn)隨著輸入RF 功率的變化的測量的RF到DCPCE對仿真的RF到DCPCE以及測量的輸出電壓對仿真的輸 出電壓的圖。
[0034] 圖15A示出了根據(jù)本公開實施例的具有MBMC匹配網(wǎng)絡和第二可自適應重配置整 流器中的每一個的整流天線。
[0035] 圖15B示出了根據(jù)本公開實施例的具有MBMC匹配網(wǎng)絡和擊穿保護整流器中的每 一個的整流天線。
[0036] 圖16是示出了針對以下各項中的每一項的代表性實現(xiàn)的仿真的RF到DCPCE對 輸入RF功率的圖：（a)圖2A的常規(guī)低輸入RF功率整流器、（b)圖3的MBMC整流器、（c)圖 8B所示的第二可自適應重配置整流器、（d)以圖15A所示的方式與第二可自適應重配置整 流器352耦合的MBMC匹配網(wǎng)絡、（e)圖10A的擊穿保護整流器、以及（f)以圖15B所示的 方式與擊穿保護整流器402耦合的MBMC匹配網(wǎng)絡。
[0037] 圖17A至圖17H是示出了典型的無線網(wǎng)絡的框圖，在所述無線網(wǎng)絡中可以部署根 據(jù)本公開實施例的一組整流天線，這組整流天線包括一個或多個MBMC整流天線、可自適應 重配置整流天線和/或擊穿保護整流天線。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0038] 根據(jù)本公開的一個方面，一種被配置為接收分布在多個RF頻帶中的RF能量的電 路包括多頻帶多信道（MBMC)匹配網(wǎng)絡。MBMC匹配網(wǎng)絡包括：多個T形傳輸線匹配結構，每 個T形傳輸線匹配結構與另一個T形傳輸線匹配結構串聯(lián)耦合，其中每個T形傳輸線匹配 結構包括第一部分、第二部分以及耦合在第一部分和第二部分之間的第三部分，并且所述 多個T形傳輸線匹配結構中的第一T形傳輸線匹配結構的第一部分形成MBMC匹配網(wǎng)絡的 輸入端，所述多個T形傳輸線匹配結構中的第二T形傳輸線匹配結構的第二部分形成MBMC 匹配網(wǎng)絡的輸出端，并且所述多個T形傳輸線匹配結構中的至少一個T形傳輸線匹配結構 的第三部分可耦合到電接地。
[0039]MBMC匹配網(wǎng)絡內(nèi)的每個單獨的T形傳輸線匹配結構被配置為提供與特定RF頻帶 內(nèi)的RF頻率相對應的阻抗匹配。所述電路可以形成為無線功率傳輸（WPT)系統(tǒng)的一部分 或周圍RF能量收集系統(tǒng)的一部分。
[0040] 所述電路可以包括或者是整流天線，所述整流天線包括：耦合到MBMC匹配網(wǎng)絡的 輸入端的天線；以及耦合到MBMC匹配網(wǎng)絡的輸出端的整流器。所述整流器包括以下之一： (a)可自適應重配置整流器，具有低輸入RF功率整流部、高輸入RF功率整流部以及耦合到 高輸入RF功率整流部和低輸入RF功率整流部之一的晶體管組，所述晶體管組被配置為基 于輸入RF功率電平，使所述可自適應重配置整流器在低輸入RF功率操作配置和高輸入RF 功率操作配置之間自動轉(zhuǎn)變；以及（b)擊穿保護整流器，具有至少一個晶體管保護二極管 結構，所述至少一個晶體管保護二極管結構包括通過以下方式耦合到晶體管的至少一個二 極管：保護二極管以免所述二極管直接暴露到負電壓，其中在沒有所述晶體管的情況下，該 負電壓通常會使所述二極管擊穿。
[0041] 根據(jù)本公開的另一個方面，一種被配置用于整流信號（例如無線接收的RF信號） 的電路包括以下之一 ：(a)可自適應重配置整流器，具有低輸入功率整流部、高輸入功率整 流部以及耦合到高輸入功率整流部和低輸入功率整流部之一的晶體管組，所述晶體管組被 配置為以與輸入到所述電路的信號的功率電平有關的方式，使所述可自適應重配置整流器 在低輸入功率操作配置和高輸入RF功率操作配置之間選擇性的自動轉(zhuǎn)變；以及（b)擊穿保 護整流器，具有至少一個晶體管保護二極管結構，所述至少一個晶體管保護二極管結構包 括通過以下方式耦合到晶體管的第一二極管：保護第一二極管以免所述第一二極管直接暴 露到負電壓，其中在沒有所述晶體管的情況下，該負電壓通常會使所述二極管擊穿。
[0042] 在各實施例中，所述可自適應重配置整流器的低輸入功率部和高輸入功率部串聯(lián) 耦合，并且所述可自適應重配置整流器的晶體管組與高輸入功率部并聯(lián)耦合。晶體管組內(nèi) 每個晶體管的控制端子耦合到電接地。所述可自適應重配置整流器的晶體管組可以包括彼 此串聯(lián)的多個晶體管。晶體管組內(nèi)的每個晶體管可以是場效應晶體管（FET)(例如M0SFET、 MESFET或另一種類型的FET)。
[0043] 在各實施例中，所述可自適應重配置整流器的低輸入功率整流部包括第一二極管 組，并且高輸入功率整流部包括第二二極管組。所述第一二極管組和所述第二二極管組中 至少一組可以包括多個二極管。
[0044]所述擊穿保護整流器包括第一晶體管保護二極管結構，第一晶