基于混合环境能源的宽带能量收集器

技术领域

本发明涉及环境混合能量回收技术领域，尤其是一种基于电磁能、光能混合环境能源协同回收的宽带能量收集器。

背景技术

伴随着近些年无线通信技术的飞速发展，大量的低功率无线传感器组件被广泛部署到各类场景中。为了减轻这些设备对电池的依赖，环境能量回收技术可以有效地将环境中的能量收集，实现绿色化、无人化、智能化的直流能量供给。同时，随着新一代通信技术的兴起，越来越多的无线基站已建成，自由空间环境中电磁信号的功率密度将增加。相比其他能量源，电磁能源是一种更稳定、更长期的能源，不受季节和时间的影响，能满足多数场景下的需求。

由于环境电磁能量频率分布未知，因此在环境电磁能量回收系统中，作为核心器件的整流电路若能够在低功率输入时保持宽带特性，整个系统的性能将得到极大的提升。但是，目前的宽带整流电路在低功率输入时存在着效率低下的问题，不能够适应不同的电磁能量回收场景。

发明内容

为了解决现有技术中整流电路效率低、带宽窄的问题，本发明提供了一种基于混合环境能源的宽带能量收集器。

本发明实施例包括一种基于混合环境能源的宽带能量收集器，包括：

混合环境能源输入网络；所述混合环境能源输入网络包括第一端和第二端，所述第一端用于连接到第一能源，所述第二端用于连接到第二能源；

整流-谐波导向网络；所述整流-谐波导向网络包括第三端、第四端和第五端，从所述第三端到所述第四端单向导通，从所述第五端到所述第三端单向导通，所述第四端与所述第五端之间形成谐波导向通路；

谐波抑制网络；所述谐波抑制网络包括第一谐波抑制单元、第二谐波抑制单元、第六端、第七端、第八端和第九端，所述第一谐波抑制单元设置在所述第六端和所述第七端之间，所述第二谐波抑制单元设置在所述第八端和所述第九端之间；

所述第二端与所述第六端连接，所述第五端与所述第七端连接，所述第四端和所述第八端连接，所述第五端与所述第七端连接。

进一步地，所述第一能源为射频源，所述第二能源为光伏板。

进一步地，所述第四端与所述第五端之间依次通过传输线、第一隔直电容和传输线连接。

进一步地，所述第九端用于连接到负载。

进一步地，所述宽带能量收集器还包括匹配网络和第二隔直电容，所述匹配网络的输出端与所述第三端连接，所述匹配网络的输入端与所述第二隔直电容的一端连接，所述第二隔直电容的另一端用于连接到射频源。

进一步地，所述匹配网络包括导线、扇形枝节、第一开路线和第二开路线，所述扇形枝节、第一开路线和第二开路线分别连接在所述导线上，所述导线的一端作为所述匹配网络的输入端，所述导线的另一端作为所述匹配网络的输出端。

进一步地，所述整流-谐波导向网络包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的负极与所述第二二极管的正极通过两段传输线连接，所述两段传输线的连接点作为所述第三端，所述第一二极管的正极作为所述第五端，所述第二二极管的负极作为所述第四端。

进一步地，所述宽带能量收集器还包括介质基板，所述混合环境能源输入网络、整流-谐波导向网络和所述谐波抑制网络被通过微带工艺固定在所述介质基板上。

进一步地，所述介质基板的材质为Rogers R4003C，所述介质基板的厚度为0.813mm，所述介质基板的介电常数为3.38

本发明的有益效果是：实施例中的宽带能量收集器接收环境中的混合能量后，能够通过整流-谐波导向网络进行整流；整流-谐波导向网络能够从第二能源获取正电压偏置，从而增大低功率电磁能量输入时的整流导通角，提升能量收集器的效率；同时，利用整流-谐波导向网络对电路中的谐波能量进行二次回收，弥补电路在高频时效率低下的缺陷，拓宽能量收集器的工作带宽；实施例中的宽带能量收集器在低功率输入时具有较高效率，能够适应不同的电磁能量回收场景。

附图说明

图1为实施例中宽带能量收集器的拓扑示意图；

图2为实施例中通过微带工艺制作出的整流-谐波导向网络与谐波抑制网络的示意图；

图3为实施例中设有匹配网络的宽带能量收集器的拓扑示意图；

图4为实施例中设有匹配网络和第二隔直电容的宽带能量收集器的拓扑示意图；

图5为实施例中通过微带工艺制作出的宽带能量收集器的示意图；

图6为实施例中对图5进行组成部件标记所得的示意图；

图7为实施例中对宽带能量收集器与传统宽带整流电路的仿真效率对比示意图；

图8和图9分别为实施例中对宽带能量收集器进行仿真与测试所得的数据结果示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例中，参照图1，基于混合环境能源的宽带能量收集器包括混合环境能源输入网络、整流-谐波导向网络和谐波抑制网络。其中混合环境能源输入网络包括两个端口即第一端1和第二端2，第一端1用于连接到第一能源，第二端2用于连接到第二能源，其中第一能源可以是空间环境中的射频源，第二能源可以是光能转化成的电源，即第一端1接入射频源，第二端2接入光伏板。第一端1和第二端2之间互不影响，第一端1输入的能量来自空间中的电磁能源，第二端2输入的能量来自空间中的光能源，二者共同组成宽带能量收集器的混合环境能源输入网络。

本实施例中，整流-谐波导向网络可以使用如图2所示的结构，包括三个端口即第三端3、第四端4和第五端5，具有如下性质：从第三端3到第四端4为单向导通，从第五端5到第三端3为单向导通；即在第三端3加高电压、在第四端4加低电压时第三端3和第四端4之间导通，在第三端3加低电压、在第四端4加高电压时第三端3和第四端4之间不导通；在第五端5加高电压、在第三端3加低电压时第五端5和第三端3之间导通，在第五端5加低电压、在第三端3加高电压时第五端5和第三端3之间不导通。同时，在第四端4和第五端5之间构造谐波导向网络，利用传输线-电容-传输线的结构在第四端4和第五端5之间形成谐波通路与直流开路，谐波能够从第四端4导向第五端5，流回二极管进行二次整流。

本实施例中，整流-谐波导向网络可以使用第一二极管D

本实施例中，第一二极管D

本实施例中，谐波抑制网络可以使用如图2所示的结构，谐波抑制网络包括第一谐波抑制单元、第二谐波抑制单元、第六端6、第七端7、第八端8和第九端9。其中第一谐波抑制单元的结构可以是一导线引出微带线通过电容接地，并且第一谐波抑制单元的导线两端分别作为第六端6和第七端7；第二谐波抑制单元的结构可以是一导线引出微带线通过电容接地，并且第二谐波抑制单元的导线两端分别作为第八端8和第九端9。

参照图1，整流-谐波导向网络的第四端4与谐波抑制网络的第八端8连接，整流-谐波导向网络的第五端5与谐波抑制网络的第七端7连接。

参照图1，整流-谐波导向网络的第三端3与射频源的输出端连接，接收射频源输出的电磁能量，谐波抑制网络的第六端6与光伏板的输出端连接，接收转化成直流的光能。谐波抑制网络的第九端9与负载连接，本实施例中负载可以是一个纯电阻。

结合图1和图2可以理解本实施例中宽带能量收集器的工作原理：

引入混合环境能源输入网络后，转化后的光能能够为二极管提供正电压偏置，增大在低功率的电磁能量输入时的整流导通角，极大提升电路的整流效率；同时，在整流-谐波导向网络接收射频源输出的电磁能量后，从第二二极管D

本实施例中，可以在图1所示的宽带能量收集器的基础上，进行进一步改进，如图3所示，在整流-谐波导向网络和射频源之间增加设置匹配网络。

本实施例中，可以在图3所示的宽带能量收集器的基础上，进行进一步改进，如图4所示，在匹配网络和射频源之间增加设置第二隔直电容。

本实施例中，可以通过微带工艺，将混合环境能源输入网络、整流-谐波导向网络、谐波抑制网络、匹配网络和第二隔直电容固定在介质基板的同一面上。介质基板的另一方面通过覆铜等制作地线，在谐波抑制网络的所在位置，例如是第一谐波抑制单元和第二谐波抑制单元的需要接地的部分，制作穿透介质基板的接地过孔，从而使得位于介质基板的一面的宽带能量收集器和负载能够进行接地。

本实施例中，所使用的介质基板的材质为Rogers R4003C，厚度为0.813mm，介电常数为3.38。

本实施例中，通过微带工艺在介质基板上制作混合环境能源输入网络、整流-谐波导向网络、谐波抑制网络、匹配网络和第二隔直电容等所得到的宽带能量收集器的效果如图5所示，在图5基础上进行组成部件的标记，得到图6。参照图6，匹配网络相应虚线框内的器件组成。参照图5或图6，本实施例中的匹配网络包括一个半径为4.7mm、圆心角为40°的扇形枝节，两根长为2.4mm、宽为1mm的第一短截线以及两根长为2.8mm、宽为0.2mm的第二短截线，扇形枝节、第一短截线和第二短截线之间通导线连接。图5或图6中的匹配网络能够起到阻抗匹配的作用，使得宽带能量收集器在整个工作频段内具有稳定的效率。第二隔直电容可以起到隔直通交的作用，也能进一步提高整流效率。为了实现最佳性能，图5或图6中负载的电阻优选为1470Ω。

实施例2

本实施例中，提供一种实施例1的基于混合环境能源的宽带能量收集器的设计方法，或称为基于混合环境能源的宽带能量收集器的制造方法，包括以下步骤：

S1.获取介质基板；

S2.在所述介质基板的一面制作混合环境能源输入网络、整流-谐波导向网络和谐波抑制网络；所述混合环境能量输入网络包括第一端和第二端，所述第一端为射频源输出口，所述第二端为经由光能转化的直流源输出口；所述整流-谐波导向网络包括第三端、第四端和第五端，从所述第三端到所述第四端为单向导通，从所述第五端到所述第三端为单向导通，从所述第四端到所述第五端之间由一个左右各连接一段传输线的第一隔直电容构成谐波导向通路；所述谐波抑制网络包括第一谐波抑制单元、第二谐波抑制单元、第六端、第七端、第八端和第九端，所述第一谐波抑制单元设置在所述第六端和所述第七端之间，所述第二谐波抑制单元设置在所述第八端和所述第九端之间；所述第二端与所述第六端连接，所述第五端与所述第七端连接，所述第四端和所述第八端连接，所述第五端与所述第七端连接。

步骤S1和S2可以是通过微波电路仿真软件、微波电路测试软件或微波电路设计软件等执行，也可以是在生产车间中通过生产机器来执行，即步骤S1和S2既可以是实验室仿真的操作，也可以是实际生产工艺流程。

通过执行步骤S1和S2，获得图1-图5所示的宽带能量收集器。为了获得最佳性能，图5中还标记出了优化后宽带能量收集器中的一些部件的物理尺寸。

通过执行步骤S1和S2，能够获得实施例1中的宽带能量收集器，从而实现与实施例1相同的技术效果，包括：所获得的宽带能量收集器中，引入混合环境能源输入网络后，转化后的光能能够为二极管提供正电压偏置，增大在低功率的电磁能量输入时的整流导通角，极大提升电路的整流效率；同时，在整流-谐波导向网络接收射频源输出的电磁能量后，从第二二极管D

实施例3

本实施例中，使用实施例2中设计或制造所得的宽带能量收集器进行仿真，仿真效率对比的结果如图7所示，仿真与实测结果如图8、图9所示。

如图7所示，通过采取宽带匹配网络的传统能量收集器和实施例1和实施例2中采取整流-谐波导向网络的能量收集器的效率仿真比较图可以看出，当光伏板不提供正电压偏置时，实施例1和实施例2中采取整流-谐波导向网络的电路在较高频处的整流效率得到了提升，相应的工作带宽得到了很大的提升。

图8是实施例1和实施例2中的宽带能量收集器在不同功率的混合能量输入下的效率随频率变化的响应图，实施例1和实施例2中的宽带能量收集器实现了宽带下的高效率整流。实测结果中，当输入射频功率越低时，光伏板提供的正电压偏置越大，电路的性能提升越明显。例如，在输入射频功率为-20dBm时，0.3V的偏置就能够使得电路的效率提升30％；在输入射频功率为0dBm、光伏板偏置为0.3V时，电路在1.4GHz拥有72.5％的最高整流效率。同时，在不同功率水平下，电路始终保持着宽带特性，例如，当输入射频功率为0dBm、光伏板偏置为0.1V时，电路效率大于40％的工作带宽为0.8GHz～2.5GHz，相对带宽为103.03％；当输入射频功率为-10dBm、光伏板偏置为0.2V时，电路效率大于40％的工作带宽为0.9GHz～2.4GHz，相对带宽为90.91％；当输入射频功率为-20dBm、光伏板偏置为0.3V时，电路效率大于40％的工作带宽为0.4GHz～2.8GHz，相对带宽为150％。由此可见，实施例1和实施例2中的宽带能量收集器具有高效、宽带等优点。

如图9所示，实施例1和实施例2中的宽带能量收集器在不同功率的混合能量输入时仍有较好的频率响应，实现了较好的阻抗匹配。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向目标终端的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的目标终端，包括显示器上产生的物理和有形目标终端的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。