CN115801065B - 一种射频能量获取电路及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种射频能量获取电路及装置。具体包括天线、开关电路、控制端及输出电路，所述天线从环境射频场中获取射频信号，而开关电路及控制端通过在射频信号正半周期时导通天线两端，负半周期时关断天线两端的方式，使得天线在射频信号正半周期时存储电能，并输出给输出电路，解决了现有技术中从天线中获取高电压增益需要并联谐振电容的技术问题，达到了无需并联谐振电容即可获取高电压增益的技术效果，减小了对谐振电容物理空间上的需求。
Description
技术领域
本发明实施例涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种射频能量获取电路及装置。
背景技术
在目前广泛应用的RFID(Radio Frequency Identification，射频电子身份识别)技术、设备以及其他的从环境射频场中提取能量的应用中，射频能量的高效获取是无源射频电路的关键，而在目前的射频能量获取的技术中，往往对射频端口有谐振的要求。
现有技术满足该谐振要求的方案主要是通过并联谐振电容，而通过并联谐振电容来获得高电压增益的方法，主要有如下几个方面的问题：1、对谐振电容的大小有一定的要求，特别是当载波频率比较低的系统里，谐振电容会很大，占用较大的物理空间；2、高倍率的增益存在一定的困难，要达到大的电压增益，就需要提高增益倍率，然而过高的增益倍率会带来系统的不稳定性，当系统的谐振频率由于各种原因偏离载波频率时，在载波频率上就很难得到高的增益倍率，从而导致电压增益下降。
发明内容
本申请提供一种射频能量获取电路及装置，以达到无需并联谐振电容即可获取高电压增益的技术效果。
优选地，本申请提供了一种射频能量获取电路，包括天线、开关电路、控制端及输出电路；所述天线的两端与所述开关电路连接，所述天线的两端还与所述输出电路连接，所述开关电路还与所述控制端连接；其中，
所述天线，用于从环境射频场中获取射频信号，且当所述天线两端导通时，所述天线在所述射频信号处于正半周期时储存电能，在所述射频信号处于负半周期时释放电能；
所述开关电路，用于根据所述控制端的信号，导通或关断所述天线的两端；
所述控制端，用于当所述射频信号处于正半周期时，导通所述开关电路，当所述射频信号处于负半周期时，断开所述开关电路；
所述输出电路，用于输出所述天线储存的电能，并滤除冲击天线的反向电荷。
优选地，所述天线包括等效电感及等效电阻，所述天线可视为所述等效电感及所述等效电阻的串联，当所述射频信号处于正半周期时，所述天线两端导通，所述等效电感储存电能。
优选地，所述开关电路包括第一场效应管，所述第一场效应管的源极与所述天线的一端连接，所述第一场效应管的栅极与所述控制端连接，所述第一场效应管的漏极与所述天线的另一端连接。
优选地，还包括切换电路；所述切换电路与所述天线的两端及所述开关电路的两端连接；其中，
所述切换电路，用于当所述射频信号处于正半周期时，正向导通所述天线与所述开关电路的连接，当所述射频信号处于负半周期时，反向导通所述天线与所述开关的连接。
优选地，所述切换电路包括第一开关、第二开关、第三开关及第四开关；所述第一开关与所述天线的一端及所述第一场效应管的漏极连接，所述第二开关与所述天线的另一端及所述第一场效应管的源极连接，所述第三开关与所述天线的另一端及所述第一场效应管的漏极连接，所述第四开关与所述天线的一端及所述第一场效应管的源极连接；当所述第一开关及所述第二开关闭合，所述第三开关及所述第四开关断开时，所述切换电路正向导通所述天线与所述开关电路的连接，当所述第一开关及所述第二开关断开，所述第三开关及所述第四开关闭合时，所述切换电路反向导通所述天线与所述开关电路的连接。
优选地，所述输出电路包括二极管电路、输出电容、负载及地线；所述二极管电路的输入端与所述天线的一端连接，所述二极管电路的输出端与所述输出电容的一端及所述负载的一端连接，所述输出电容的另一端及所述负载的另一端与所述地线连接，所述天线的另一端也与所述地线连接。
优选地，所述二极管电路，用于滤除冲击天线的反向电荷；所述输出电容，用于存储所述天线储存的电能直至输出电压满足所述负载的使用需求。
优选地，所述二极管电路包括衬底电压选择电路、P沟道场效应管、P管栅极电压产生电路；所述P沟道场效应管的源极与所述天线的一端连接，所述P沟道场效应管的漏极与所述输出电容的一端及负载的一端连接，所述P沟道场效应管的衬底与所述衬底电压选择电路连接，所述P沟道场效应管的栅极与所述P管栅极电压产生电路连接。
优选地，所述二极管电路包括衬底电压选择电路、N沟道场效应管、N管栅极电压产生电路；所述N沟道场效应管的漏极与所述天线的一端连接，所述N沟道场效应管的源极与所述输出电容的一端及负载的一端连接，所述N沟道场效应管的衬底与所述衬底电压选择电路连接，所述N沟道场效应管的栅极与所述N管栅极电压产生电路连接。
本申请还提出一种射频能量获取装置，所述射频能量获取装置包括如上所述的射频能量获取电路。
附图说明
图1是本申请射频能量获取电路中一实施例的功能模块图；
图2是本申请射频能量获取电路中另一实施例的功能模块图；
图3是本申请射频能量获取电路中一实施例的电路示意图；
图4是本申请射频能量获取电路中另一实施例的电路示意图。
附图标记说明：
100-天线，200-开关电路，300-输出电路，310-二极管电路，400-切换电路，Rs-等效电阻，Ls-等效电感，K1至K4-第一开关至第四开关，M1-第一场效应管，Cout-输出电容，Rout-负载，Q1-P沟道场效应管，Q2-N沟道场效应管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。
参照图1，本申请提出一种射频能量获取电路，包括天线100、开关电路200、控制端及输出电路300；所述天线100的两端与所述开关电路200连接，所述天线100的两端还与所述输出电路300连接，所述开关电路200还与所述控制端连接；其中，
所述天线100，用于从环境射频场中获取射频信号，且当天线100两端导通时，天线100在射频信号处于正半周期时存储电能，当天线100两端关断时，在射频信号处于负半周期时释放电能；
所述开关电路200，用于根据所述控制端的信号，导通或关断所述天线100的两端；
所述控制端，用于当所述射频信号处于正半周期时，导通所述开关电路200，当所述射频信号处于负半周期时，断开所述开关电路200；
所述输出电路300，用于输出所述天线100储存的电能，并滤除冲击天线100的反向电荷。
需要说明的是，电感本身作为一个储能元件，能够以磁场的方式储能，其储存的电能与自身的电感和流过它本身的电流的平方成正比，在本实施例中，天线100在环境射频场中能够获取射频信号，即从环境射频场中获取电能，当天线100两端导通时，电能推动电荷在天线100中流动，电感生成磁场开始存储电能，当电能停止流动时，电感再将磁场转化为电能，即释放存储的电能。
本实施例通过天线100从环境射频场中获取射频信号，而开关电路200及控制端通过在射频信号正半周期时导通天线100两端，负半周期时关断天线100两端的方式，使得天线100在射频信号正半周期时存储电能，并输出给输出电路300，解决了现有技术中从天线100中获取高电压增益需要并联谐振电容的技术问题，达到了无需并联谐振电容即可获取高电压增益的技术效果，减小了对谐振电容物理空间上的需求。
参照图2，所述天线100包括等效电感Ls及等效电阻Rs，所述天线100可视为所述等效电感Ls及所述等效电阻Rs的串联，当所述射频信号处于正半周期时，所述天线100两端导通，所述等效电感Ls储存电能。
易于理解的是，天线100由于其功能特性，需要从环境射频场中获取射频信号，因此大多具有一定的电感值，且现有技术中存在加感天线100，其电感值较高，为本申请技术方案的优选电感。
具体地，所述开关电路200包括第一场效应管M1，所述第一场效应管M1的源极与所述天线100的一端连接，所述第一场效应管M1的栅极与所述控制端连接，所述第一场效应管M1的漏极与所述天线100的另一端连接。
需要强调的是，本实施例使用场效应管构成开关电路200，这是由于开关电路200需要在极小的能耗下随着射频信号快速通断，在现有的研发阶段中，只有三极管及场效应管在较低的成本下能够实现较好的通断需求，而场效应管具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，能够更好的满足使用需求。
具体地，还包括切换电路400；所述切换电路400与所述天线100的两端及所述开关电路200的两端连接；其中，
所述切换电路400，用于当所述射频信号处于正半周期时，正向导通所述天线100与所述开关电路200的连接，当所述射频信号处于负半周期时，反向导通所述天线100与所述开关的连接。
易于理解的是，当反向导通所述天线100与所述开关的连接时，原先的负半周期则变成正半周期，此时控制端控制开关电路200导通，天线100可以在全周期内进行电能的存储。
需要说明的是，本申请技术方案只需要提高储能的时间，即可提高电压增益，而增加切换电路400后，单周期内的储能时间由原先的只有正半周期变成了全周期都在储能，这大大提高了储能效率，减少了电能的浪费使得负载能够更快工作。
本实施例通过公开开关电路200，使得天线100的等效电感Ls可以在射频信号的全周期储能，大大提升了储能效率，减少了电能的浪费，并使得负载能够更快工作，完善了技术方案，提升了用户体验。
参照图3，所述切换电路400包括第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3及第四开关K4；所述第一开关K1与所述天线100的一端及所述第一场效应管M1的源极连接，所述第二开关K2与所述天线100的另一端及所述第一场效应管M1的漏极连接，所述第三开关K3与所述天线100的另一端及所述第一场效应管M1的源极连接，所述第四开关K4与所述天线100的一端及所述第一场效应管M1的漏极连接；当所述第一开关K1及所述第二开关K2闭合，所述第三开关K3及所述第四开关K4断开时，所述切换电路400正向导通所述天线100与所述开关电路200的连接，当所述第一开关K1及所述第二开关K2断开，所述第三开关K3及所述第四开关K4闭合时，所述切换电路400反向导通所述天线100与所述开关电路200的连接。
需要说明的是，本实施例中的第一开关K1与第二开关K2可使用同一个信号进行控制，而第三开关K3及第四开关K4可使用与之相反的信号进行控制，而一个信号可生成与之相反的信号，在最简易的状态下，使用一个信号即可使四个开关的通断符合本申请的使用需求，且该信号与射频信号具备相关性，这有效降低控制四个开关通断的难度。
具体地，所述输出电路300包括二极管电路310、输出电容Cout、负载Rout及地线；所述二极管电路310的输入端与所述天线100的一端连接，所述二极管电路310的输出端与所述输出电容Cout的一端及所述负载Rout的一端连接，所述输出电容Cout的另一端及所述负载Rout的另一端与所述地线连接，所述天线100的另一端也与所述地线连接。
值得强调的是，二极管电路310使得天线100释放至输出电路300的电能无法返回天线100，电荷在输出电容Cout中聚集，输出电容Cout两端的电压上升，由于输出电容Cout与负载Rout并联，输出电容Cout两端的电压上升时，负载Rout两端的电压也在上升，直至两端电压满足负载Rout的工作电压，负载Rout开始工作。
具体地，所述二极管电路310，用于滤除冲击天线100的反向电荷；所述输出电容Cout，用于存储所述天线100储存的电能直至输出电压满足所述负载Rout的使用需求。
需要说明的是，由于输出电容Cout两端的电压上升后，天线100两端的电压是波动的，可能会存在输出电容Cout两端电压大于天线100两端的电压的情况，这会使得输出电容Cout中的电荷流回天线100，这即影响天线100正常工作，又使得负载Rout两端的电压上升效率降低，因此需要增加二极管拦截反向电流。
具体地，所述二极管电路310包括衬底电压选择电路、P沟道场效应管Q1、P管栅极电压产生电路；所述P沟道场效应管Q1的源极与所述天线100的一端连接，所述P沟道场效应管Q1的漏极与所述输出电容Cout的一端及负载Rout的一端连接，所述P沟道场效应管Q1的衬底与所述衬底电压选择电路连接，所述P沟道场效应管Q1的栅极与所述P管栅极电压产生电路连接。
值得说明的是，本申请提出的二极管电路310使用单向导通的二极管即可，而本实施例提出的二极管电路310作为单向导通的二极管的一种替代形式，是由栅极和衬底受控的P沟道场效应管Q1或N沟道场效应管Q2来实现，对于P沟道场效应管Q1来说，衬底电压选择电路动态的从源极和漏极两端中选出较高电压作为P沟道场效应管Q1的衬底电压，栅极产生电路则从源极和漏极两端中选择源极端的电压或产生一个比源极端更低的电压作为P沟道场效应管Q1的控制电压，目的是尽可能的降低单向导通时的电压降。
具体的，所述二极管电路310包括衬底电压选择电路、N沟道场效应管Q2、N管栅极电压产生电路；所述N沟道场效应管Q2的漏极与所述天线100的一端连接，所述N沟道场效应管Q2的源极与所述输出电容Cout的一端及负载Rout的一端连接，所述N沟道场效应管Q2的衬底与所述衬底电压选择电路连接，所述N沟道场效应管Q2的栅极与所述N管栅极电压产生电路连接。
易于理解的是对于N沟道场效应管Q2来说，衬底电压选择电路动态的从源极和漏极两端中选出较低电压作为N沟道场效应管Q2的衬底电压，栅极产生电路则从源极和漏极两端中选择漏极端的电压或产生一个比漏极端更高的电压作为N沟道场效应管Q2的控制电压，目的是尽可能的降低单向导通时的电压降。
本实施例通过公开二极管电路310的两种形式，完善了本申请的技术方案，并通过两种二极管电路310，尽可能的降低了单向导通时的电压降，提升了输出电容Cout的电荷聚集效率，减少了电荷损失，减少了负载Rout的响应时间，提升了用户体验。
本申请还提出一种射频能量获取装置，所述射频能量获取装置包括如上所述的射频能量获取电路及通讯电路。
当然，本申请实施例所提出的射频能量获取装置，具备上述射频能量获取电路相应的功能模块和有益效果，在此不再一一赘述。
通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本申请可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例的方法。
值得注意的是，上述搜索装置的实施例中，所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。
注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本申请的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种射频能量获取电路，其特征在于，包括天线、开关电路、控制端及输出电路；所述天线的两端与所述开关电路连接，所述天线的两端还与所述输出电路连接，所述开关电路还与所述控制端连接；其中，
所述天线，用于从环境射频场中获取射频信号，且当所述天线两端导通时，所述天线在所述射频信号处于正半周期时存储电能，当所述天线两端关断时，在所述射频信号处于负半周期时释放电能；
所述开关电路，用于根据所述控制端的信号，导通或关断所述天线的两端；
所述控制端，用于当所述射频信号处于正半周期时，导通所述开关电路，当所述射频信号处于负半周期时，断开所述开关电路；
所述输出电路，用于输出所述天线储存的电能，并滤除冲击天线的反向电荷。
2.根据权利要求1所述的射频能量获取电路，其特征在于，所述天线包括等效电感及等效电阻，所述天线可视为所述等效电感及所述等效电阻的串联，当所述射频信号处于正半周期时，所述天线两端导通，所述等效电感储存电能。
3.根据权利要求1所述的射频能量获取电路，其特征在于，所述开关电路包括第一场效应管，所述第一场效应管的源极与所述天线的一端连接，所述第一场效应管的栅极与所述控制端连接，所述第一场效应管的漏极与所述天线的另一端连接。
4.根据权利要求3所述的射频能量获取电路，其特征在于，还包括切换电路；所述切换电路与所述天线的两端及所述开关电路的两端连接；其中，
所述切换电路，用于当所述射频信号处于正半周期时，正向导通所述天线与所述开关电路的连接，当所述射频信号处于负半周期时，反向导通所述天线与所述开关的连接。
5.根据权利要求4所述的射频能量获取电路，其特征在于，所述切换电路包括第一开关、第二开关、第三开关及第四开关；所述第一开关与所述天线的一端及所述第一场效应管的源极连接，所述第二开关与所述天线的另一端及所述第一场效应管的漏极连接，所述第三开关与所述天线的另一端及所述第一场效应管的源极连接，所述第四开关与所述天线的一端及所述第一场效应管的漏极连接；当所述第一开关及所述第二开关闭合，所述第三开关及所述第四开关断开时，所述切换电路正向导通所述天线与所述开关电路的连接，当所述第一开关及所述第二开关断开，所述第三开关及所述第四开关闭合时，所述切换电路反向导通所述天线与所述开关电路的连接。
6.根据权利要求1所述的射频能量获取电路，其特征在于，所述输出电路包括二极管电路、输出电容、负载及地线；所述二极管电路的输入端与所述天线的一端连接，所述二极管电路的输出端与所述输出电容的一端及所述负载的一端连接，所述输出电容的另一端及所述负载的另一端与所述地线连接，所述天线的另一端也与所述地线连接。
7.根据权利要求6所述的射频能量获取电路，其特征在于，所述二极管电路，用于滤除冲击天线的反向电荷；所述输出电容，用于存储所述天线储存的电能直至输出电压满足所述负载的使用需求。
8.根据权利要求6所述的射频能量获取电路，其特征在于，所述二极管电路包括衬底电压选择电路、P沟道场效应管、P管栅极电压产生电路；所述P沟道场效应管的源极与所述天线的一端连接，所述P沟道场效应管的漏极与所述输出电容的一端及负载的一端连接，所述P沟道场效应管的衬底与所述衬底电压选择电路连接，所述P沟道场效应管的栅极与所述P管栅极电压产生电路连接。
9.根据权利要求6所述的射频能量获取电路，其特征在于，所述二极管电路包括衬底电压选择电路、N沟道场效应管、N管栅极电压产生电路；所述N沟道场效应管的漏极与所述天线的一端连接，所述N沟道场效应管的源极与所述输出电容的一端及负载的一端连接，所述N沟道场效应管的衬底与所述衬底电压选择电路连接，所述N沟道场效应管的栅极与所述N管栅极电压产生电路连接。
10.一种射频能量获取装置，其特征在于，所述射频能量获取装置包括根据权利要求1至9中任一项所述的射频能量获取电路。
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