[0002] 本申请要求2005年10月21日提交的序列号为60/729,378的美国临时
专利申请、2006年1月17日提交的序列号为60/760,040的美国临时专利申请、以及2006年10月23日提交的PCT申请No.PCT/US2006/041355，它们全部通过引用结合于此。
技术领域
[0003] 本申请一般涉及用于在无线设备中接收和管理功率的系统和方法，尤其涉及用于
收获和/或采集RF功率和/或用于转换直流功率的系统和方法。
背景技术
[0004] 很小且在工作时需要较低功率电平的
传感器和发射机通常被用于在不介入其工作环境的情况下采集信息。例如，由
电池供电的感测和传送设备可通过外科手术植入到活组织内以感测和传送所植入身体的特性。
[0005] 在此类传感器内使用的电池的寿命常常需要附加外科过程来周期地更换电池。类似地，在传感器和传送设备被置于受控或危险环境内时，周期性地更换电池常常是耗时且昂贵的任务。
[0006] 可从射频(“RF”)波采集/收获
能量以用在远程传感器和传送设备中。这种功能的一个示例是从RF波得到功率(例如，从操作成读取RFID标签的传送设备)并使用该功率来传送标识
信号的的RF标识(“RFID”)标签。这种技术的一个缺点是RFID标签通常仅在较短的距离上工作。
[0007] 整流天线(rectenna)是包括
整流器的天线；该整流天线接收RF波，对这些波进行整流并产生直流(“DC”)功率。由整流天线产生的DC功率取决于天线设计、RF波
频率、RF波偏振和整流天线处入射的RF波功率电平。通常，从整流天线输出的DC功率在被馈送到被供电设备(例如，传感器、
微处理器、发射机等)之前通过调节
电子装置来调节。在RF波的特性变化的情况中，从整流天线输出的DC功率也变化；由于调节电子装置试图为被供电设备保持恒定功率输出而对整流天线造成负担，这会影响
功率转换效率。
发明内容
[0008] 在一个
实施例中，射频(RF)接收设备具有带一个或多个天线振子的第一周期性或非周期性天线阵列。导电体提供这些天线振子的连通性以使得第一周期性或非周期性天线阵列对射频能量的选择性接收是根据天线振子的每一个的大小和布局、连通性以及与一个或多个整流器的耦合来确定的。
[0009] 在另一实施例中，可重新配置的射频(RF)接收设备具有多个天线振子，这些天线振子的每一个具有至少一个整流器，其中选自多个天线振子的第一组天线振子具有第一大小，并且其中选自多个天线振子的第二组天线振子具有第二大小。导电体提供与多个天线振子和整流器的每一个的连通性，以使得多个天线振子对RF能量的选择性接收是根据多个天线振子的大小、形状、布局和衬底特性、一个或多个整流器与多个天线振子的连通性和耦合来确定的。
[0010] 在又一实施例中，用于选择性射频(RF)接收的系统具有带多个第一天线振子的周期性或非周期性天线阵列。导电体提供与第一和第二组天线振子的每一个的连通性以使得非周期性天线阵列对RF能量的选择性偏振接收是根据天线振子的定向和馈送点、以及一个或多个整流器与每个天线振子的连通性和耦合来确定的。
[0011] 在再一实施例中，系统采集和调节来自至少一个源的可变DC电功率。该系统包括：调节电子器件，它用于将可变DC电功率转换成可存储的DC功率，该调节电子器件呈现对至少一个源的正向阻抗；以及存储设备，它用于存储可存储的DC功率。
[0012] 在另一个实施例中，系统从射频(RF)/
微波/毫米波功率采集/收获能量。该系统包括具有至少一个天线和至少一个整流器的接收设备，该接收设备将RF/微波/毫米波功率转换成直流(DC)电。该系统还具有功率管理单元，该单元(a)基于DC功率配置接收设备，(b)向接收设备呈现期望负载；以及(c)存储该DC功率。
[0013] 在又一个实施例中，一种将射频(RF)能量转换成可用直流(DC)功率的方法，包括以下步骤：使用至少一个整流天线接收RF能量；用期望阻抗加载至少一个整流天线；将接收到的功率转移到存储设备；以及调节所存储的功率以提供DC功率。
[0014] 在再一个实施例中，一种将可变低功率DC功率转换成可用直流(DC)功率的方法，包括以下步骤：感测可变低功率DC功率的特性；基于所感测的特性选择DC到DC转换器模
块和工作特性以将可变低功率DC功率转换成适于存储的功率；将经转换的功率存储到合适的存储设备中；以及调节所存储的功率以产生可用DC功率。
[0015] 在另一个实施例中，一种具有存储在计算机可读介质上的指令的
软件产品，其中这些指令在由计算机执行时执行用于设计从RF波采集/收获能量的系统的步骤，包括以下步骤：与整流天线设计软件交互以针对整体组合整流天线和功率管理效率选择期望的整流天线配置；求解适当的转换器拓扑；基于所选择的整流天线配置和
指定入射功率特性上的输出特性来针对最大效率选择转换器组件和工作条件；以及在给定系统特性上针对最大整体系统效率选择适当的控制方法和配置。
[0016] 在又一个实施例中，一种设计整流天线的方法，包括以下步骤：基于可变面积、入射
辐射电平和工作
频率范围选择整流天线的振子大小；基于RF工作环境选择振子偏振；基于传播介质和频率范围选择整流天线材料；基于所需功率电平、可用功率存储、工作负载周期和可用空间选择整流天线阵列的形状和大小；基于入射功率电平和所选择的振子大小选择连接至每个整流器的多个振子；以及选择适于预期使用的天线罩。
[0017] 在再一个实施例中，一种具有存储在计算机可读介质上的指令的软件产品，其中这些指令在由计算机执行时执行用于设计整流天线的步骤，包括用于以下操作的指令：交互地使用功率管理设计软件来针对整体组合整流天线和功率管理效率选择最佳整流天线配置；基于应用使整流器
电路最优化；基于经最优化的整流器电路、偏振、入射辐射功率电平和频率使用全波电磁模拟来求解天线拓扑；使用全波电磁和高频电路模拟的组合来在RF频率下求解DC网络；选择适当的组合天线和整流器拓扑；选择适当的DC网络拓扑和工作特性；选择适当的阵列配置；以及基于对RF兼容性包的模拟来选择用于与功率管理器集成的适当程序包。
[0018] 在另一个实施例中，一种具有存储在计算机可读介质上的指令的软件产品，其中这些指令在由计算机执行时执行用于设计从功率源采集/收获能量的系统的步骤，包括用于以下操作的指令：与功率源设计软件交互以针对整体组合功率源和功率管理效率选择一个或多个期望的功率源；求解适当的转换器拓扑；基于所选择的功率源配置和指定入射功率特性上的输出特性来针对最大效率选择转换器组件和工作条件；以及在给定系统特性上针对最大整体系统效率选择适当的控制方法和设置。
[0019] 在又一个实施例中，一种具有存储在计算机可读介质上的指令的软件产品，其中这些指令在由计算机执行时执行用于设计功率源的步骤，包括用于以下操作的指令：与功率管理设计软件交互以针对整体组合功率源和功率管理效率选择最佳功率源配置；基于应用使功率源电路最优化；选择适当的DC网络拓扑和工作特性；以及基于对功率源兼容性包的模拟来选择用于与功率管理器集成的适当程序包。
[0020] 在再一个实施例中，一种采集和调节来自至少一个源的可变DC电功率的系统。调节电子器件将该可变DC功率转换成可存储DC功率并向该至少一个源呈现正向等效
电阻性负载。存储设备存储可存储DC功率。正向等效电阻性负载在一定范围的输入功率电平上对应于源的最佳负载电阻。
[0021] 在另一个实施例中，一种采集和调节来自至少一个源的可变DC电功率的集成转换器。调节电子器件将该可变DC电功率转换成可存储DC功率并向该至少一个源呈现正向等效电阻性负载。
控制器控制调节控制电子器件的拓扑和
开关频率。存储设备存储可存储DC功率。控制器自适应地调整开关频率和拓扑的一个或多个来从整流天线提取功率，同时存储所采集/获取的能量。
[0022] 根据一示例性实施例，一种用于采集射频(“RF”)功率的系统，包括功率源、DC组合电路、受控阻抗功率控制器和能量存储设备。该功率源至少包括第一天线振子和第二天线振子，其中第一和第二天线振子的每一个被耦合至至少一个整流器以形成至少两个整流天线振子，其中功率源将RF功率转换成直流(“DC”)功率源输出功率。DC组合电路与功率源相关联，且DC组合电路被配置成以多种
串联/并联配置中的一种动态地组合至少两个整流天线振子。受控阻抗功率控制器可包括：功率转换器，它具有功率转换器输入并被配置成在该功率转换器输入处接收DC功率源输出功率，其中DC功率源输出功率包括可随时间漂移的
电流和
电压特性，其中该功率转换器被配置成在一定范围的输入功率电平上向功率源呈现正向等效电阻性负载；以及其中该受控阻抗功率控制器还被配置成控制DC组合电路以使得DC功率源输出功率逼近来自至少两个整流天线振子的期望整体功率输出。能量存储设备被配置成存储DC功率源输出功率。
[0023] 根据另一个示例性实施例，一种用于转换从一个(多个)功率源接收到的直流(DC)功率的系统包括受控阻抗功率控制器，受控阻抗功率控制器进一步包括功率转换器和存储设备。该功率转换器包括功率转换器输入，并且被配置成在功率转换器输入处接收DC功率，其中DC功率包括可随时间漂移的电流和电压特性，其中该功率转换器被配置成在一定范围的输入功率电平上向至少一个功率源呈现正向等效电阻性负载。存储设备被配置成存储来自至少一个功率源的经转换的功率。
[0024] 根据又一个示例性实施例，一种存储从一个(多个)功率源接收到的低功率直流(DC)功率的方法，包括以下步骤：感测低功率DC功率的电流和电压特性；基于所感测的特性选择DC到DC转换器模块和工作模式；基于所感测的特性选择参数，以使得在一定范围的输入功率电平上在DC到DC转换器模块的输入处向该一个(多个)功率源呈现正向等效电阻性负载；以及将来自DC到DC转换器模块的经转换的功率存储在能量存储设备中。
[0025] 根据再一个示例性实施例，一种用于采集射频(RF)功率的设备，包括至少两个整流天线振子、功率控制器和DC组合电路。该至少两个整流天线振子包括以下中的一个：(a)与第一整流器集成的第一天线以及与第二整流器集成的第二天线，以及(b)与各自被配置用于不同偏振的第一整流器和第二整流器集成的第一天线。直流(“DC”)组合电路与该至少两个整流天线振子相关联，并且该DC组合电路被配置成以多种串联/并联配置中的一种动态地组合至少两个整流天线振子。功率控制器被配置成控制DC组合电路以实现来自至少两个整流天线振子的期望整体功率输出。
[0026] 根据另一个示例性实施例，一种使用包括至少两个整流天线振子、功率控制器和DC组合电路的设备采集射频(RF)功率的方法，包括以下步骤：在至少两个整流天线振子的每一个处接收RF波；确定至少两个整流天线振子的多个串联/并联电气配置中的哪一个将导致来自至少两个整流天线振子的期望整体功率输出；控制DC组合电路中的至少一个开关以使其以多种串联/并联配置中的一种动态地重新配置至少两个整流天线振子的连通性；以及将来自至少两个整流天线振子的整体功率输出存储在存储设备中。
附图说明
[0027] 图1示出了包括功率源以及受控阻抗、电压或电流功率控制器的功率采集/收获系统的示例性实施例。
[0028] 图2示出了一个示例性的周期性和均匀的整流天线阵列。
[0029] 图3示出了一个示例性的非周期性和不均匀的整流天线阵列。
[0030] 图4示出了包括多个DC到DC转换器的示例性能量耦合。
[0031] 图5是示出了用于将可变功率的DC功率转换成可用DC功率的一个示例性过程的
流程图。
[0032] 图6是示出了用于设计从功率源采集/收获能量的系统的一个过程的流程图。
[0033] 图7是示出了用于设计整流天线的一个过程的流程图。
[0034] 图8是示出了用于设计整流天线的另一个示例性过程的流程。
[0035] 图9是示出了用于设计从功率源采集/收获能量的系统的一个示例性过程的流程图。
[0036] 图10示出了一个示例性整流天线和
传感器系统实施例的一个示例性
框图。
[0037] 图11示出了整流天线的示例性模型和布局。
[0038] 图12示出了例示图11的整流天线的作为输出电阻的函数的模拟和测量输出功率的示例性曲线图，以及例示图11的整流天线的作为输出电阻的函数的模拟和测量
输出电压的示例性曲线图。
[0039] 图13示出了例示用于获得正负15V功率的一个示例性DC功率处理电路的框图。
[0040] 图14示出了例示图13的电路的测量DC输出功率对整流天线阵列处入射的辐射的偏振
角的一个示例性曲线图，以及例示图13的电路的DC输出功率和效率对由整流天线阵列接收到的功率的一个示例性曲线图。
[0041] 图15示出了可变频率临界导电模式(CRM)的
升压转换器的一个示例性电路。
[0042] 图16示出了固定频率非连续导电模式(DCM)的降压-升压转换器的一个示例性电路。
[0043] 图17示出了例示图15的转换器电路的操作的三个示例性
波形。
[0044] 图18示出了用于为图15的电路生成
门驱动信号的一个示例性电路。
[0045] 图19示出了包括试验测量仪的升压转换器的示例性示意图。
[0046] 图20示出了一个实施例的一个示例性的两级自适应开关电容拓扑。
[0047] 详细描述
[0048] 图1示出了包括功率源102和受控阻抗、电压或电流功率控制器104的功率采集系统100的一个实施例。功率收获系统100被例示性地示为向被供电设备106供电。被供电设备106是例如传感器和/收发机设备。功率源102可表示以下的一个或多个：整流天线、光伏电池、压电设备或其它功率采集设备。尽管在各个实施例中描述为功率采集系统或功率收获系统，但是应当理解，本文所述的这些系统、设备和方法可用于任一用途。
[0049] 功率控制器104被例示性地示为具有能量存储设备108、能量耦合设备110和能量管理设备112。能量存储设备108是例如电池或电容；它可如图所示地内置于功率控制器104，或者外置于功率控制器104而不背离其范围。
[0050] 能量管理设备112指示能量耦合设备110将接收自功率源102的能量转换成适于由能量存储设备108存储的形式。相应地，能量耦合设备110可包括DC到DC电压转换器116，该转换器改变接收自功率源102的DC电压以使得其适于存储在能量存储设备108中。
DC到DC电压转换器116可表示
增压转换器或减压转换器。或者，DC到DC电压转换器116可包括多个不同类型的DC到DC电压转换器，该转换器可选择性地选择成将接收自功率源
102的DC功率转换成适于由能量存储108存储的形式。
[0051] 能量耦合设备110还被示为具有任选DC组合电路114，该电路用来组合来自功率源102的DC输入，其中多个功率源102向受控阻抗功率控制器104提供功率。DC组合电路114可包括由能量管理设备112选择用以配置多个功率源102的连通性的一个或多个开关。例如，在功率源102是具有多个天线振子(例如，天线振子202)的整流天线阵列(例如，图2的整流天线阵列200)的情况中，取决于从非周期性整流天线接收到的功率的感测特性，能量管理设备112可控制DC组合电路114串联和/或并联地配置天线阵列以进行最佳操作。具体地，随着入射RF波的功率电平、频率和偏振的改变，能量管理设备112可重新配置整流阵列的连通性以改进能量采集/收获效率。
[0052] 能量管理设备112还可经由指示被供电设备106的功率需求的信号118从被供电设备106处接收信息。此信息可由能量管理设备112用来最优地配置能量耦合设备110。因而，在示例性实施例中，能量管理设备112可被配置成基于来自被供电设备106的反馈控制能量耦合设备110。
[0053] 在以下示例中，功率源102由一个或多个整流天线来表示。然而，其它功率源也可用来替代所示整流天线。
[0054] 图2示出了一个示例性的周期性和均匀的整流天线阵列200，例示了接地衬底204上的九个方形贴片天线振子202。每个天线振子202均具有整流器206，由此形成整流天线208。出于例示清晰的目的，周期性整流天线阵列200的互连性未被示出。每个天线振子的大小和布局、每个整流器与其的连通性、以及衬底特性决定了由整流天线阵列200接收的无线电频率的频率范围和偏振。
[0055] 阵列200可用替换天线设计来形成而不背离其范围。此外，附加整流器也可并联或串联地连接到整流器206而不背离其范围。
[0056] 图3示出了一个示例性的非周期性和不均匀的整流天线阵列300，其具有形成于衬底304上的五个第一大小的贴片天线振子302，每个天线振子302具有用于形成整流天线312的整流器306。非周期整流天线阵列300还具有形成于衬底304上的第二大小的贴片天线振子308；天线振子308具有整流器310，由此形成整流天线314。整流天线312被设计成接收第一频率范围的无线电频率波，而天线314被设计成接收第二频率范围的无线电频率波。因此，非周期性和不均匀整流天线阵列300可接收第一频率范围和第二频率范围内的无线电频率波。
[0057] 附加或不同的整流天线可被包括在阵列300内。由非周期性不均匀的整流天线阵列300接收的无线电频率波的频率范围和偏振可根据每个天线振子的大小、布局和类型、和/或每个整流器与其的连通性来确定。
[0058] 尽管未在图2和3中示出，但是周期性整流天线阵列200内的整流天线208的连通性和非周期性整流天线阵列300内的整流天线312和314的连通性可基于例如在每个整流天线阵列处入射的无线电频率波和整流天线阵列的期望功率输出。例如，整流天线208可串联或并联地连接，或者以任何合适的串联/并联组合来连接。
[0059] 基于频率范围和接收到的功率电平选择合适整流器拓扑和整流器件对于这些整流天线阵列的高效工作也是很重要的。
[0060] 多个周期性或非周期性、均匀或不均匀的天线阵列可用于采集/收获RF能量。例如，来自各自具有不同大小的天线振子(即，各自接收不同频率范围和/或偏振的RF波)的两个周期性整流天线阵列的输出可通过图1中的受控阻抗(或DC输入参数)功率控制器104来组合以进行调节。
[0061] 整流天线阵列(例如，图2的周期性整流天线阵列200)也可在工作期间被重新配置。例如，如果能量管理设备112确定整流天线阵列200的输出电压过高或过低，则能量管理设备112可指示能量耦合设备110更改整流天线阵列200(例如，使用DC组合电路114)的连通性以减小或增大输出电压。DC组合电路114例如包含允许动态配置到功率源102的连通性的开关组件(例如，MOSFET、BJT、IGBT、继电器等)。
[0062] 此外，如果能量管理设备112确定整流天线阵列的输出功率过高或过低，则能量管理设备112可指示能量耦合设备110将整流天线阵列200的天线振子重新配置成并联和/或串联连通性组合，由此减小或增大输出电压和/或电流。
[0063] 一个或多个整流天线阵列的连通性可例如基于一个或多个天线振子的输出电压、开路电压、
短路电流、输出电流和输出功率中的一个或多个。在其它示例性实施例中，连通性可基于诸如电池
水平或RF输入功率的其它因素。产生类似电流的多组天线振子可串联连接，而产生类似电压的多组天线振子可并联连接。功率控制器104的工作参数也可基于一个或多个天线振子和/或其它功率源的输出功率源、开路电压、短路电流、输出电流和输出功率中的一个或多个。
[0064] 受控阻抗功率控制器104可包括配置成监视输入功率和/或其它参数的特性的一个或多个传感器和/或感测电路。因此，在示例性实施例中，系统被配置成感测以下参数：功率源的开路电压、短路电流、工作电压和电流、以及功率转换器的输出电流和电压；并且受控阻抗功率控制器还被配置成监视感测到的参数，以及基于这些被监视的感测到的参数向功率源呈现正向等效电阻性负载。
[0065] 整流天线阵列可被设计成使来自两个或多个天线振子的RF功率在整流之前被组合。此外，应当理解，两个整流天线振子可包括与第一整流器集成的第一天线以及与第二整流器集成的第二天线。在另一实施例中，两个整流天线振子可包括与第一和第二整流器集成的单个天线，其中每个整流器被配置用于不同偏振。
[0066] 因而，根据示例性实施例，向功率源呈现正向等效电阻性负载。这与
现有技术中采用的解决方案显著不同。这一直以来都是对在宽泛范围的工作条件上维持最大输出功率的功率管理的挑战。借助
最大功率点跟踪(MPPT)来进行的许多技术在高功率光伏和
风力系统中是众所周知的。某些现有技术的MPPT系统包括：扰动观测法、增量电导法、功率反馈控制、和
模糊逻辑。这些方法具有其缺点，尤其在结合相对‘低功率’功率源使用时。具体地，这些方法常常因复杂控制电路而需要大功率开销。
[0067] 相反，在本发明的示例性实施例中，通过对功率源加载恒定电阻来采集/收获接近来自低功率功率源(作为非限制示例，在1mW到100μW的范围)的最大输出的能量。可使用配置成对功率源加载恒定电阻的任何简单电路。在示例性实施例中，功率转换器被配置成在其输入端口充当恒定正向电阻，同时在适于传感器负载应用的电压下将能量传递给输出电容或电池。该转换器在宽泛范围的输入功率上匹配源特性，从而无需不断地搜索最大功率点。许多不同的已知功率转换器拓扑和控制方法可用于在输入端口实现接近电阻的仿真。
[0068] 作为示例，输入端口(无电流反馈)处
电阻器仿真的方法包括：临界电导模式(CRM)的升压型转换器和非连续导电模式(DCM)的降压-升压型转换器。因此，转换器可连续操作或以脉冲模式操作。一种示例性拓扑是使用浮置输入电压源来允许非反相输出和双开关实现的以固定频率DCM工作的降压-升压转换器。另一种示例性拓扑是可变频率临界电导模式(CRM)的降压-升压转换器。又一种示例性拓扑是以DCM或CRM操作的升压转换器。另一种示例性拓扑是以DCM或CRM操作的
降压转换器。对转换器和工作模式的选择取决于功率源和能量存储中的特性和偏差，并基于转换器控制电路可接受的功率消耗量。在通过引用结合于此的、T.Paing、J.Shin、R.Zane、Z.Popovic于2007年11月8日在IEEE Transactionson Power Electronic(IEEE电子电力学会刊)发表且在2008年5月期刊上公开的“Resistor Emulation Approach to Low Power RF Energy Harvesting(小功率RF能量收获的电阻器仿真方法)”中详细解释了这种设计考虑。
[0069] 因此，系统可包括受控阻抗功率控制器，该控制器包括例如从以下组中选择的第一类型的DC到DC变换器：四开关降压-升压转换器、双开关降压-升压转化器、升压转换器、降压转换器和开关电容器转换器。
[0070] 此外，在示例性实施例中，系统可包括受控阻抗功率控制器，该控制器包括以下之一：(a)隔离增压、减压、或增压/减压转换器；以及(b)非隔离增压、减压、或增压/减压转换器，其中增压、减压或增压/减压转换器包括以下功率转换器中的至少一个：降压、升压、降压-升压、反驰式(Flyback)、SEPIC和Cuk。
[0071] 此外，在示例性实施例中，系统可包括在以下之一中工作的受控阻抗功率控制器：(1)(x)非连续电导模式和(y)临界电导模式之一的开环；(2)连续电导模式的闭环；并且其中受控阻抗功率控制器选择DC到DC转换器模块和工作模式来实现期望输入阻抗以对功率源进行适当的加载。
[0072] 然后，应当理解，可使用以适于低功率源的方式向功率源呈现正向等效电阻性负载的任何合适的转换器和工作模式。
[0073] 以下所示的图15、16和18示出了用于向一个或多个功率源(例如，图1中的功率源102、图2中的周期性整流天线阵列200、和图3中的非周期性整流天线阵列300)呈现期望阻抗的示例性电路。现有技术的DC到DC转换器典型地实现反向电阻性加载：随着输入功率降低，呈现给输入功率源的电阻被减小，由此进一步加载输入源。另一方面，即使输入功率电平改变，受控阻抗功率控制器104也将呈现给输入源的电阻维持在基本上恒定的水平。受控阻抗也可基于功率源的感测到的条件而变化以仿真期望阻抗、输入电压和输入电流从而例如通过仿真呈现给源的电阻随输入功率降低而增大的正向等效电阻性负载来改进能量采集/收获效率。根据示例性实施例：(1)所述正向等效电阻性负载被调至大致与功率源的低频输出阻抗相匹配；和/或(2)所述正向等效电阻性负载被调至大致使功率源的输出功率最大化。根据另一个示例性实施例，正向等效电阻性负载在一定范围的输入功率电平上对应于功率源的最佳负载电阻。
[0074] 对功率控制器104的电路的选择取决于期望的应用。在需要高效率的能量采集/收获的情况中，可包括附加电路来感测输入功率的特征，但是如果功率源提供强大功率，则高效率可能并非必须，从而允许使用简化电路。
[0075] 可选功率源可与RF功率源102组合使用。例如，RF波整流天线阵列、机械发
电机和光伏电池可用作对组合114电路和功率控制器104的输入。然后，功率控制器104可取决于所感测到的输入特性和/或期望输出需要动态地配置这些输入以改进能量采集/收获效率。具体地，能量源可如此组合(例如，并联和串联组合)以提供彼此的偏置，由此增大整体能量采集/收获消息。可任选地，被供电的设备106可向能量管理设备112提供反馈以指示其功率需要。能量管理设备112可在随后按需配置功率输入连通性以提供必需的功率。
[0076] 功率控制器104也可将能量从能量存储设备108转移到一个或多个功率源102输出以便于提升整体能量采集/收获效率。例如，能量可被转移到经改进偏置的整流天线的DC输出，从而获得经改进的能量采集/收获效率。
[0077] 在输入功率条件变化的情况中，DC到DC转换器116可选自多个转换器以匹配输入功率特性。图4示出了包括多个DC到DC转换器404和任选的DC组合电路406的一个示例性能量耦合402。DC组合电路406可表示图1中的DC组合电路114。能量耦合402可表示图1的能量耦合设备110。例如，DC到DC转换器404的每一个可表示以下之一：四开关降压-升压转换器、两开关降压-升压转换器、以临界电导模式工作的升压转换器、控制成根据相应的输入电压或电流调节输入电流或电压的降压转换器、以及开关电容器转换器。DC到DC转换器404可基于输入功率特性和用于能量存储设备108的存储设备的类型来选择。随着输入功率特性改变，能量管理设备112可按需选择替换的DC到DC转换器。
[0078] 在输入功率条件变化的情况中，能量管理设备112可改变DC到DC转换器116的工作特性以使该转换器的仿真输入阻抗与功率源102的期望负载相匹配。例如，基于感测到的功率源102的开路电压、功率源102的短路电流、功率源102的工作电压和电流、和功率源102的输出功率中的一个或多个，DC到DC转换器116的特性可被调节成仿真适当的电阻。
[0079] 图5是示出了根据一示例性实施例的用于将可变功率DC功率转换成可用DC功率的一个过程500的流程图。在一示例性实施例中，过程500由图1的控制器104来执行。在其它示例性实施例中，过程500感测可变的小功率DC功率(步骤502)的特性，并在随后基于感测到的特性选择(步骤504)DC到DC转换器模块和工作特性以将可变功率DC电转换成适于存储的功率。适于存储的功率可在随后被存储(步骤506)。例如，功率可被存储在图1的能量存储设备108中。所存储的能量可被调节成可用功率(步骤508)。例如，来自能量存储设备108的能量可被调节并作为DC功率提供给被供电设备106。
[0080] 图6是示出了用于设计从功率源采集/收获能量的系统的一个过程600的流程图。根据示例性实施例，过程600与功率源设计软件交互以选择功率源配置(步骤602)。另外，过程600可求解适当的转换器拓扑(步骤604)。过程600还可选择转换器组件和工作条件(步骤606)。而且，过程600可选择适当的控制方法和设置(步骤608)。
[0081] 图7是示出了用于设计整流天线的一个过程700的流程图。在示例性实施例中，过程700基于可变面积、入射辐射功率电平和/或工作频率范围来选择整流天线的振子大小(步骤702)。另外，过程700可基于工作的RF环境选择振子偏振(步骤704)。此外，过程700可基于传播介质和频率范围(步骤706)选择整流天线材料。而且，过程700可基于所需的输出功率电平、可用功率存储、工作负载循环和可用空间来选择整流天线阵列的形状和大小(步骤708)。过程700也可选择连接到每个整流器的许多振子(步骤710)，并选择适于预期使用的天线罩(步骤712)。
[0082] 图8是示出了用于设计整流天线的另一个示例性过程800。根据示例性实施例，过程800可使用功率管理设计软件来针对整体组合整流天线和功率管理效率交互地选择最佳整流天线配置(步骤802)。过程800可使基于应用选择的整流天线电路最优化(步骤804)。在其它示例性实施例中，过程800基于最优化整流器电路求解整流器电路拓扑(步骤806)。而且，过程800可基于最优化整流器电路、偏振、入射辐射功率电平和频率使用全波电磁模拟来求解天线拓扑(步骤808)。过程800还可使用全波电磁和高频电路模拟的组合来求解RF频率下的DC网络(步骤810)。此外，过程800可选择组合的天线和整流器拓扑(步骤812)。过程800可选择适当的整流天线阵列配置(步骤814)。而且，过程800可基于对RF兼容性程序包的模拟来选择与功率管理器集成的适当程序包(步骤816)。
[0083] 图9是示出了用于设计从功率源采集/收获能量的系统的一个过程900的流程图。根据一示例性实施例，过程900与功率源设计软件交互以针对整体组合功率源和功率管理效率选择一个或多个期望功率源(步骤902)。过程900然后可求解适当的转换器拓扑(步骤904)。此外，过程900可基于所选择的功率源配置和指定入射功率特性上的输出特性来针对最大效率选择转换器组件和工作条件(步骤906)。而且，过程900可被配置成在给定系统特性上针对最大整体系统效率选择适当的控制方法和设置(步骤908)。
[0084] 图10示出了一个示例性整流天线和传感器系统1000的框图。具体地，系统1000具有整流天线阵列1002、DC功率处理1004、传感器查询电子器件1006、信息处理1008和
压电传感器阵列1010。在一个示例中，系统1000用于根据航空器内的疲劳(fatigue)感测结构故障。整流天线阵列1002被形成于可遵从适度的航空器曲线的柔性衬底上。
[0085] 图11示出了ADS整流天线的示例性模型1100和布局1150。模型1100被示为具有天线1102、
二极管1104、电感器1106、电容器1108和电阻器1110。如布局1150中所示，表示电容器1108的商用集总元件电容器1158和表示电感器1106的0.24mm的小直径电线1156为整流天线的输出
滤波器提供了合适的阻抗。在一个示例性实施例中，跨可变电阻测
2
量整流天线的输出电压，并且DC功率被计算为V/R。
[0086] 图12示出了例示与图11相关联的整流天线的作为输出电阻的函数的模拟和测量输出功率的示例性曲线图1200，以及例示此整流天线的作为输出电阻的函数的模拟和测量输出电压的示例性曲线图1250。
[0087] 图13示出了例示用于获得正负15V功率的一个示例性DC功率处理电路1300的框图。电路1300例如由图11中未示出的整流天线1101的阵列来供电。
[0088] 图14示出了例示电路1300的测量DC输出功率对入射辐射相对整流天线阵列的偏振角的一个示例性曲线图1400，以及例示电路1300的DC输出功率和效率对由整流天线阵列接收到的功率的一个示例性曲线图1450。
[0089] 图15示出了可变频率临界电导模式(CRM)的升压转换器的一个示例性电路1500。图16示出了固定频率、非连续电导模式(DCM)的降压-升压转换器的一个示例性电路
1600。注意：在电路1500和1600两者中，由于浮置输入功率源，因此双开关实现是可能的。
转换器电路1500、1600可以较高的输入功率电平连续工作，或者以较低功率电平在脉冲模式中工作，如图17的波形1700和1750中所示。另一个示例性实施例中，可用方波波形实现相同概念。
[0090] 具体地，图17的波形1700示出了图15的电路1500稳态工作下的电感器电流。在电路1500的第一转变中，在ton(t导通)期间晶体管Q1导通而Q2截止，并且由此电感器电流在此时间段内从零斜上升至ipk。在此转变之后，Q1截止而Q2导通以向负载转移能量。此第二转变持续直至电感器电流跌至零。当这种情况发生时，重复第一转变。电路1500的转换器以低频周期Tlf的特定工作负载循环k在此模式中运行。在kTlf处，转换器关闭，并在Tlf处重新启动。通过调节k或ton，由源看到的仿真输入电阻改变。改变仿真输入电阻以匹配最佳整流天线负载使能量采集/收获最大化。
[0091] 在电路1500中，输入电压源被示为Vg，而输出能量被存储在诸如电容器或微型电池的能量存储元件中。电压Vzcrs是被比较器用于寻找电感器电流的零交叉的感测点。可任选地，开路电压Voc或短路电流Isc可被附加控制电路用来寻找工作输入功率电平和设置k。当转换器工作在临界电导模式中时，门驱动信号gaten和gatep本质上是相同的信号。然而，两者都在kTlf之后驱动其各自的MOSFET变成截止；因此，gaten是
低电压信号，而gatep是高电压信号。C1和C2是输入和输出滤波器电容。二极管Q2可用于预充
电能量存储元件，由此允许从零能量启动。给定电感器电流的零交叉点和参数ton、Tlf和k，这种升压转换器的控制电路生成门驱动信号。这例如是用图18中所示的示例性电流1800实现的。
[0092] 来自功率级的电压Vzcrs是到负输入端接地的比较器的正输入端。Vzcrs在大多数时候是负电压。比较器对过零点的检测使得从单
触发电路触发宽度为ton的脉冲。该脉冲通过两个或门，并在随后作为gaten和gatep进入电路1500。进入gatep或门的第二输入是来自低频
振荡器的在kTlf之后为逻辑高的信号。这确保Q1和Q2在该点之后截止。在Tlf期间工作的低频振荡器也提供相同信号以便在转换器并非在经减小的控制功率损耗的情况下工作时关断比较器和单触发电路，以及在其后重新对它们通电。
[0093] 在示例性实施例中，如果升压转换器连续工作，则由于k＝1，因此模拟电阻Remulated(R模拟)仅取决于ton。由于使用仅零交叉检测比较器和单触发，因此这简化了控制电路。然而，这些电路即使在低输入功率下也是连续的。根据一示例性实施例，低频负载循环控制方法的实现允许取决于输入功率电平而不时关断电路的一部分。注意：在示例性实施例中，功率控制器中的
峰值功率跟踪组件在转换器未工作时对输入源的开路电压Voc进行
采样。这些组件也可对短路电流Isc进行采样。这些值可用于调节k或ton并由此将Remulated改变成最佳阻抗负载。如果期望在较低功率电平下工作，则可实现这些附加控制块。
[0094] 用于极低功率电平的现有技术功率转换器由于对衬底的寄生
漏电流和寄生电容而具有较低的效率。这些限制可通过为使用RF过程的高效能量采集/收获而形成一组集成转换器来消除。在示例性实施例中，此工艺是基于具有用于电感器的厚金属上层和高电阻性衬底的全耗尽型绝缘体上
硅(FD-SOI)。这种功率处理工艺中的主要优点是最多达比传统CMOS硅工艺低1000倍的经减小寄生电容。这种低寄生效应便于高效工作，即使在极低的功率电平以及高达上百kHz的频率的情况中(允许较小的组件大小)也是如此。根据示例性实施例，集成功率转换器IC可用单级或两级开关电容(SC)电路来构造，该电路因寄生电容很小而在极低的功率电平上具有高效率。
[0095] 图20示出了一个示例性两级SC拓扑2000。可对开关(S1-S11)的每一个设置片上
缓冲器，并且外部控制逻辑(例如，控制器2002)可用于确定开关配置。拓扑2000从比值为三分之一到三的输入电压(Vin(V输入))与输出电压(Vout(V输出))生成八个不同的功率转换比。外部控
制芯片自适应地调节开关频率和拓扑以连续地从附连的整流天线提取最大功率，同时将采集/收获的能量存储到输出电容(Cstorage(C存储))。随着输出电容器电压的确立，转换器对拓扑进行排列以维持整流天线的最佳加载和高效率。
[0096] 可对以上方法和系统作出改变而不背离其范围。因此，应当注意，以上
说明书中包含或在附图中示出的主题应当被解释为示例性而非限制性。所附
权利要求旨在涵盖本文所述的所有一般及特别特征，以及对作为描述的主题可被认为落在其间的本方法和系统的范围的所有
声明。
