[发明专利]一种射频能量采集电路中的π型阻抗自动匹配系统及方法

说明书

本发明涉及一种射频能量采集电路中的π型阻抗自动匹配系统及方法，其系统包括采样比较模块、逻辑算法控制模块和可调阻抗匹配网络，采样比较模块用于在所述逻辑控制模块的微分算子法控制下对倍压整流电路输出的电压进行连续两次采样并对连续两次采样的电压进行比较；逻辑算法控制模块用于根据连续两次采样的电压的比较结果判断出π型可调电容阵列的电容调整方向并根据电容调整方向利用电容值二分法按照电容权重逐次调整并入所述可调阻抗匹配网络中可调电容的数量；可调阻抗匹配网络用于根据并入π型可调电容阵列的电容数量来匹配所述天线与倍压整流电路之间的阻抗。本发明电路简单，功耗极低，仅在开关过程消耗能量，适用于微弱能量采集环境。

技术领域

本发明涉及能量采集电路中阻抗匹配的系统及方法，具体的涉及一种射频能量采集电路中的π型阻抗自动匹配系统及方法。

背景技术

由于无线传感网(WSN)、人体体域网(BAN)和物联网(IoT)的大力发展，无线传感节点得到了广泛利用。为了实现不间断测量，传感节点需要拥有更长的待机时间，但其使用寿命被电池技术的瓶颈所限制。为了解决传感节点供电问题，无线能量收集技术得到了广泛发展，其收集无线电能量为传感节点提供电源，以达到延长电路工作时间或无源工作的目的。

能量收集电路一般由四部分组成，如图1所示，能量收集电路包括天线、阻抗匹配电路、倍压整流电路和储能电容组成。天线在本系统中作为射频能量源，负责感应电磁波，其在设计完成后阻抗不再变化。倍压整流电路的作用是将天线感应到的微弱电磁波整流并升压，其阻抗与信号频率以及输入功率相关。由于倍压整流电路的输入端通常并联或串联电容，因此其阻抗与频率相关；当倍压整流电路的输出功率改变时，倍压整流电路输出的电压发生变化，倍压整流电路内部MOSFET的工作状态也因此发生变化，从而造成阻抗变化。

在射频能量传输领域，根据能量传输公式得：当源阻抗与负载阻抗实部相等，虚部相反时能量传输效率最大。然而在实际使用中倍压整流电路的阻抗与天线的阻抗并不匹配，造成了能量反射，降低了转换效率，因此需要阻抗匹配电路来匹配天线与倍压整流电路，提高能量收集效率。

传统阻抗匹配电路结构众多，常见的如图2-1中所示的π型结构和图2-2中所示的L型结构，这些结构均针对特定频率信号进行阻抗匹配，只能实现单点匹配，一般匹配在能量最低点。而能量收集电路并不针对某一特定频率信号，其需要在较宽的频带内都有较高的能量收集效率，因此传统阻抗匹配电路并不满足能量收集电路的使用需求。

另外，当前存在一些自动阻抗匹配系统，但是由于存在以下问题这些方法也无法应用于能量获取电路。

光伏发电领域利用动态阻抗等效匹配实现最大功率点跟踪控制(MPPT)(具体参见：基于动态等效阻抗匹配的光伏发电最大功率点跟踪控制,郑颖楠，王俊平，张霞，中国电机工程学报，第31卷第2期，2011年1月15日)。该系统如图3所示：通过电流检测电路、电压检测电路和信号处理电路实现光伏电池板的动态等效阻抗测量，并控制功率变换器实现最大功率跟踪。如果将其应用于无线能量收集电路存在的问题是：

1.无线能量收集电路源端阻抗即天线阻抗并不变化，无法通过测量天线内阻的方式确定当前系统状态；

2.MPPT系统通过调控功率变换器达到阻抗匹配目的，而能量收集电路中倍压整流电路一般不可动态调节。

因此该MPPT系统并不适用于能量获取电路。