用于提高效率的无线功率传输或周围rf能量收集的整流天线电路元件、电路和技术的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开的方面涉及用于通过（a)多频带多信道（MBMC)RF匹配网络和/或（b)扩 展输入功率范围整流器（可以包括可自适应重配置整流器或击穿保护整流器）来提高无线 功率传输（WPT)或周围RF能量收集电路中的功率转换效率（PCE)的整流天线电路元件、电 路和技术。
【背景技术】
[0002] 无线功率传输（WPT)涉及从预定源或特定类型源到与整流器耦合的接收天线的 RF电能传输。接收天线和整流器的组合被称为整流天线。整流天线将接收的RF能量转换 为可用于为系统或设备（例如传感器或医疗仪器）供电的DC功率。由于一种或多种无线 系统和设备之间的无线通信（例如，公用无线电信基站和移动电话/智能电话），因此周围 RF能量收集涉及采集在现代环境中固有的RF能量，从而可以将否则会被浪费的RF能量投 入使用，以例如进行电池再充电。与WPT-样，周围RF能量收集依赖于将所收集的RF能量 转换为DC功率的整流天线。
[0003] 图1是常规整流天线的示意图，该整流天线被配置为接收单个RF频带内的RF能 量，并将该单个频带内的RF能量转换为DC功率。因为整流天线被限制在单个RF频带，因 此在整流天线被设计用于的单个频带之外的RF能量无法被转换为DC功率，从而限制了该 常规整流天线在WPT和/或RF能量收集应用中的使用。例如，各种可植入医疗仪器（例如 可植入脉冲发生器）具有需要再充电的电源，例如电池。针对已植入的医疗仪器，出于安全 目的，施加在人体上的瞬时RF功率必须维持在预定水平以下。因此，期望使用多个RF频带 来同时施加脉冲RF功率，以对植入电源进行再充电。此外，针对RF能量收集应用，期望同 时收集同时存在于多个频带内的RF能量，以提高或者最大化可用的周围RF能量到DC功率 的转换。
[0004] 已经开发出多频整流天线，然而这些整流天线通常使用多个天线和多个整流器， 每个天线及其关联的整流器对应于特定的RF频带。因此，这些常规多频整流天线设计导致 低效的RF能量转换以及增加的空间和成本。
[0005] 整流天线RF到DC功率转换效率主要取决于其中的整流器的特性。图2A是基于常 规整流器的常规整流天线的示意图，该常规整流器适用于低RF输入功率条件。具体地，针 对该整流天线，在输入RF功率超过二极管D1的击穿电压之前，RF到DC功率转换效率（PCE) 随输入RF功率线性增加，在输入RF功率超过二极管D1的击穿电压之后，RF到DCPCE迅 速降低。
[0006] 图2B是使用常规高RF输入功率整流器的常规整流天线的示意图。针对图2B的 整流天线，二极管组D2 (例如，成对并联布置的总共4个二极管）与二极管D1串联耦合，从 而扩大二极管D1和二极管组D2的组合的总击穿电压。遗憾的是，该整流天线在较低输入 RF功率电平不期望地呈现出较低的RF到DCPCE。
[0007] 图2C是使用另一种常规低RF输入功率整流器的常规整流天线的示意图。同样地， 一旦输入RF功率超过二极管D1的击穿电压，该整流天线的RF到DCPCE就迅速下降。
[0008] 需要这样一种整流天线，其使用单个天线和单个整流器，并且相比于现有整流天 线，在显著更宽的输入RF操作功率条件的范围呈现出提高的RF到DCPCE。
【附图说明】
[0009] 图1是常规整流天线的示意图。
[0010] 图2A是使用常规低RF输入功率整流器的常规整流天线的示意图。
[0011] 图2B是使用常规高RF输入功率整流器的常规整流天线的示意图。
[0012] 图2C是使用另一种常规低RF输入功率整流器的常规整流天线的示意图。
[0013] 图3是根据本公开实施例的包括多频带多信道（MBMC)匹配网络的代表性MBMC整 流天线的示意图。
[0014] 图4A是根据本公开实施例的准八木天线1x2子阵列的顶部示意图。
[0015] 图4B是根据本公开实施例具有覆盖GSM-1800和UTMS-2100频带中的每一个的带 宽的1x4准八木天线阵列的正面或顶面图像，该1x4准八木天线阵列是通过将两个图4A的 准八木天线1x2子阵列和T型结功分器连在一起形成的。
[0016] 图4C是图4B的1x4准八木天线阵列的背面或底面图像。
[0017] 图5A是根据本公开实施例的MBMC整流天线内的MBMC匹配网络的代表性实施例 的示意图。
[0018] 图5B是所制造的根据本公开实施例的该MBMC匹配网络的代表性实现的图像。
[0019] 图6绘出了针对图3的MBMC整流天线的代表性实现在不同功率电平（_30dBm 到-18dBM)所测量的RF到DCPCE相对于频率的图。
[0020] 图7绘出了针对图3的MBMC整流天线的代表性实现针对输入信号频率1. 83GHz 和2. 14GHz所测量的PCE相对于单音调和双音调输入功率的图，其中1. 83GHz和2. 14GHz 是1. 80~1. 88GHz和2. 11~2. 17GHz频带的近似中心频率。
[0021] 图8A是根据本公开实施例的基于第一可自适应重配置整流器或第一自适应整流 器的可自适应重配置整流天线或自适应整流天线的示意图。
[0022] 图8B是根据本公开实施例的基于第二可自适应重配置整流器或第二自适应整流 器的可自适应重配置整流天线或自适应整流天线的示意图。
[0023] 图8C示出了图8B所示的可自适应重配置整流器的代表性实现的电路配置。
[0024] 图8D是所制造的图8C的代表性第二可自适应重配置整流器的图像。
[0025] 图9A是示出了针对（a)图2A所示的常规低RF输入功率整流器、（b)图2B所示 的常规高RF输入功率整流器、（c)图8A所示的第一可自适应重配置整流器、以及（d)图8B 所示的第二可自适应重配置整流器的RF到DCPCE仿真结果的图。
[0026] 图9B是示出了针对图8B至8D的第二可自适应重配置整流器的代表性实现随着 输入RF功率的变化的测量的RF到DCPCE对仿真的RF到DCPCE以及测量的输出电压对 仿真的输出电压的图。
[0027]图10A是根据本公开实施例的基于击穿保护整流器的击穿保护整流天线的示意 图。
[0028] 图10B是图10A的击穿保护整流器的代表性实现的示意图。
[0029] 图10C是所制造的图10B的击穿保护整流器的代表性实施例的图像。
[0030] 图11A至图11H分别是根据本公开实施例的第一晶体管保护二极管结构至第七晶 体管保护二极管结构的示意图。
[0031] 图12是示出了单独二极管D1和图11A的第一晶体管保护二极管结构410a的I-V 特性的图。
[0032] 图13是示出了针对图2C所示的整流器以及图10A的击穿保护整流器的仿真RF 到DCPCE对输入RF功率电平的图。
[0033] 图14是示出了针对图10B和图10C的击穿保护整流器的代表性实现随着输入RF 功率的变化的测量的RF到DCPCE对仿真的RF到DCPCE以及测量的输出电压对仿真的输 出电压的图。
[0034] 图15A示出了根据本公开实施例的具有MBMC匹配网络和第二可自适应重配置整 流器中的每一个的整流天线。
[0035] 图15B示出了根据本公开实施例的具有MBMC匹配网络和击穿保护整流器中的每 一个的整流天线。
[0036] 图16是示出了针对以下各项中的每一项的代表性实现的仿真的RF到DCPCE对 输入RF功率的图：（a)图2A的常规低输入RF功率整流器、（b)图3的MBMC整流器、（c)图 8B所示的第二可自适应重配置整流器、（d)以图15A所示的方式与第二可自适应重配置整 流器352耦合的MBMC匹配网络、（e)图10A的击穿保护整流器、以及（f)以图15B所示的 方式与击穿保护整流器402耦合的MBMC匹配网络。
[0037] 图17A至图17H是示出了典型的无线网络的框图，在所述无线网络中可以部署根 据本公开实施例的一组整流天线，这组整流天线包括一个或多个MBMC整流天线、可自适应 重配置整流天线和/或击穿保护整流天线。
【发明内容】
[0038] 根据本公开的一个方面，一种被配置为接收分布在多个RF频带中的RF能量的电 路包括多频带多信道（MBMC)匹配网络。MBMC匹配网络包括：多个T形传输线匹配结构，每 个T形传输线匹配结构与另一个T形传输线匹配结构串联耦合，其中每个T形传输线匹配 结构包括第一部分、第二部分以及耦合在第一部分和第二部分之间的第三部分，并且所述 多个T形传输线匹配结构中的第一T形传输线匹配结构的第一部分形成MBMC匹配网络的 输入端，所述多个T形传输线匹配结构中的第二T形传输线匹配结构的第二部分形成MBMC 匹配网络的输出端，并且所述多个T形传输线匹配结构中的至少一个T形传输线匹配结构 的第三部分可耦合到电接地。
[0039]MBMC匹配网络内的每个单独的T形传输线匹配结构被配置为提供与特定RF频带 内的RF频率相对应的阻抗匹配。所述电路可以形成为无线功率传输（WPT)系统的一部分 或周围RF能量收集系统的一部分。
[0040] 所述电路可以包括或者是整流天线，所述整流天线包括：耦合到MBMC匹配网络的 输入端的天线；以及耦合到MBMC匹配网络的输出端的整流器。所述整流器包括以下之一： (a)可自适应重配置整流器，具有低输入RF功率整流部、高输入RF功率整流部以及耦合到 高输入RF功率整流部和低输入RF功率整流部之一的晶体管组，所述晶体管组被配置为基 于输入RF功率电平，使所述可自适应重配置整流器在低输入RF功率操作配置和高输入RF 功率操作配置之间自动转变；以及（b)击穿保护整流器，具有至少一个晶体管保护二极管 结构，所述至少一个晶体管保护二极管结构包括通过以下方式耦合到晶体管的至少一个二 极管：保护二极管以免所述二极管直接暴露到负电压，其中在没有所述晶体管的情况下，该 负电压通常会使所述二极管击穿。
[0041] 根据本公开的另一个方面，一种被配置用于整流信号（例如无线接收的RF信号） 的电路包括以下之一 ：(a)可自适应重配置整流器，具有低输入功率整流部、高输入功率整 流部以及耦合到高输入功率整流部和低输入功率整流部之一的晶体管组，所述晶体管组被 配置为以与输入到所述电路的信号的功率电平有关的方式，使所述可自适应重配置整流器 在低输入功率操作配置和高输入RF功率操作配置之间选择性的自动转变；以及（b)击穿保 护整流器，具有至少一个晶体管保护二极管结构，所述至少一个晶体管保护二极管结构包 括通过以下方式耦合到晶体管的第一二极管：保护第一二极管以免所述第一二极管直接暴 露到负电压，其中在没有所述晶体管的情况下，该负电压通常会使所述二极管击穿。
[0042] 在各实施例中，所述可自适应重配置整流器的低输入功率部和高输入功率部串联 耦合，并且所述可自适应重配置整流器的晶体管组与高输入功率部并联耦合。晶体管组内 每个晶体管的控制端子耦合到电接地。所述可自适应重配置整流器的晶体管组可以包括彼 此串联的多个晶体管。晶体管组内的每个晶体管可以是场效应晶体管（FET)(例如M0SFET、 MESFET或另一种类型的FET)。
[0043] 在各实施例中，所述可自适应重配置整流器的低输入功率整流部包括第一二极管 组，并且高输入功率整流部包括第二二极管组。所述第一二极管组和所述第二二极管组中 至少一组可以包括多个二极管。
[0044]所述击穿保护整流器包括第一晶体管保护二极管结构，第一晶