СХЕМА И СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ Российский патент 2019 года по МПК H02J7/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к схемам извлечения энергии.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Извлечение энергии представляет собой захват электромагнитной энергии из окружающей среды. Примеры электронных схем, которые могут быть запитаны от окружающей среды включают в себя сенсорные системы, в которых иногда требуется считывать данные датчика, а также схемы идентификаторов, которые отвечают на вызов, посылая идентификатор (ID) или сигнал аутентификации.

Обычно трудно добыть достаточное количество энергии из окружающей среды "за бесплатно", кроме как для чрезвычайно маломощных цепей. Как правило, вместо этого на схему посылается сигнал мощности, чтобы активно загрузить его энергией. Примером такого подхода являются метки радиочастотной идентификации (RFID-метки).

Тем не менее, существуют схемы, которые потенциально могли бы функционировать на основе извлечения энергии, используя для этого улавливающую энергию антенну, в которой требуемое количество энергии очень мало. Патентная заявка US 20120299396 A1 раскрывает такое решение, связанное с извлечением энергии. В системе извлечения энергии, энергия, собранная одной антенной обычно может быть недостаточной. Поэтому для того, чтобы увеличить общую извлеченную энергию, могут быть использованы множественные антенны.

Схема извлечения энергии обычно содержит антенну, цепь выпрямителя и конденсатор для накопления энергии.

Известно, что при низких уровнях мощности выходная мощность постоянного тока известных конструкций выпрямительных схем изменяется в квадратичной зависимости от входной мощности, что обусловлено главным членом 2-го порядка в разложении Тейлора передаточной функции выпрямителя для малых сигналов. Это объясняется в статье "Modeling of RF energy scavenging for batteryless wireless sensors with low input power" ("Моделирование извлечения радиочастотной энергии для безбатарейных беспроводных датчиков с низкой входной мощностью"), Ян Ву (Yan Wu); кафедра электротехники Технологического университета Эйндховена, Нидерланды; Линнарц Дж-П (Linnartz, J.-P.); Хао Гао (Hao Gao); Маттерс Каммерер (Matters-Kammerer) M.K.: опубликовано в материалах 24-го Международного симпозиума IEEE по персональной внутренней и мобильной радиосвязи (Personal Indoor and Mobile Radio Communications - PIMRC); 8-11 сентября 2013.

По этой причине для множественных антенных систем не является привлекательным извлечение энергии каждой антенной по отдельности, а затем суммирование энергий от всех каналов. Вместо этого гораздо более эффективным является сначала собрать вместе сигналы антенн, а затем - выпрямлять их.

Однако только лишь объединение сигналов может привести к нежелательной ситуации, когда для некоторых фазовых углов, по которым приходит энергия, сигналы на антеннах будут компенсировать друг друга. То, что такая компенсация может происходить, - это неизбежно.

Фигура 1 показывает известный приемник извлечения энергии. Он состоит из приемной антенны 10, согласующей схемы 12, которая максимизирует передачу радиочастотной мощности от антенны на выпрямитель 14 постоянного тока, а также устройство 16 сохранения энергии, такое как конденсатор или перезаряжаемая батарея, которая сохраняет энергию. Радиочастотный выпрямитель 14 постоянного тока является важной частью приемника. Пример, показанный на фигуре 1, представляет собой схему зарядового насоса Диксона, который преобразует принимаемую РЧ энергию в пригодную для хранения энергию постоянного тока. Основным составляющим элементом зарядового насоса Диксона является удвоитель 18 напряжения Грейнахера.

На вход удвоителя 18 напряжения подается синусоидальная волна r(t)=Asin(2πf_ct), где А есть амплитуда, а f_c - центральная частота. В идеальном случае, когда А является достаточно большой, на выходе конденсатора С удвоителя напряжения будет равновесное напряжение 2A. Поскольку энергия, накопленная в конденсаторе, есть Е=½CV², то энергия, извлеченная удвоителем напряжения, пропорциональна А². Для приложений в беспроводных датчиках A обычно мало из-за ограниченной передаваемой мощности и больших потерь на распространение. Таким образом, накопленная энергия пропорциональна А⁴.

Это четвертая степень представляет собой очень серьезное ограничение для того чтобы сделать выпрямитель эффективным при работе при низких входных мощностях. Если входной сигнал А очень слабый, выпрямитель становится очень неэффективным. Действительно, вольтамперная характеристика любого диода вблизи нулевой точки ведет себя как почти прямая линия (V= 0 вольт, I =0 ампер). Следовательно, для очень слабых сигналов диод действует почти как резистор с линейной V-I-характеристикой, и не может обеспечивать выпрямительную функцию. Выпрямление может "работать" только тогда, когда V-I-характеристика достаточно велика, чтобы в ней проявлялись присутствующие в этой V-I-характеристике нелинейные члены более высокого порядка.

Для малых напряжений, значительно ниже порогового значения, ток диода может быть смоделирован в соответствии с членами разложения второго порядка:

I=aV+bV²

Было проведено множество исследований по созданию схем извлечения энергии, работающих таким образом, чтобы они могли оперировать очень высокими частотами (даже такими, как несколько ГГц или нескольких десятков ГГц) и очень низкими входными напряжениями.

Настоящее изобретение имеет целью проблему извлечения энергии посредством нескольких антенн.

Существуют известные схемы, которые объединяют сигналы антенн, например, используемые в области связи и радиолокационных систем системы управления лучом, а также системы комбинирования максимального отношения. Эти технологии направлены на повышение мощности сигнала посредством фазового сдвига сигналов от всех антенн таким образом, чтобы они находились в одной фазе и когерентно складывались, то есть конструктивно, так чтобы их напряжения суммировались. В системе комбинирования максимального отношения подстраиваются не только фазы, но и амплитуды, чтобы оптимизировать отношение сигнал-шум. Для системы с множественными антеннами в присутствии (только) некоррелированного аддитивного белого гауссовского шума комбинация максимального отношения обеспечивает наилучшее соотношение сигнал-шум.

В этих системах базовая станция связи может использовать усиление антенны и формирование луча, так как он имеет достаточную мощность для использования алгоритмов управления. Однако для приложений связанных с извлечением энергии нет мощности для адаптивной схемы, которая гарантирует когерентное объединение мощности от множественных антенн с неизвестными разностями фаз. Это затрудняет эксплуатацию формирователей луча и выпрямителей, которые могут адаптивно и оптимально складывать мощности от множественных различно фазированных входов, без требования энергии, помимо получаемой.

Для систем извлечения энергии возникает проблема, заключающаяся в том, что отсутствует энергия для управления схемой, чтобы адаптивно настраивать фазы или амплитуды входных РЧ сигналов. Выходная мощность этих схем может быть меньшей, чем мощность, которую схема потребляет от своего источника питания, что делает их бесполезными для извлечения энергии.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение определено формулой изобретения.

В соответствии с одним аспектом изобретения предусмотрена схема для использования в системе извлечения энергии, содержащая:

- первую антенну, имеющую первый вывод, подсоединенный к суммирующему узлу через входной конденсатор, и второй вывод, при этом второй вывод подсоединен к суммирующему узлу через первый диод,

- вторую антенну, имеющую первый вывод, подсоединенный ко второму выводу первой антенны, и второй вывод, подсоединенный к суммирующему узлу через второй диод,

причем суммирующий узел подсоединен к выходному узлу через выходной диод, при этом в выходном узле установлен выходной конденсатор.

Эти элементы схемы образуют часть цепи выпрямителя радиочастотного сигнала в постоянный ток системы извлечения энергии. Таким образом, изобретение обеспечивает многоантенный выпрямитель, который как этап выпрямления осуществляет объединение сигналов антенн. Это делает возможным сложение сигналов антенн без погашения сигнала, и исключает необходимость в управлении лучом, что может быть невозможным в приложении, связанном с извлечением энергии.

Заметим, что термин "подсоединенный" может обозначать непосредственное соединение (через соединение с низким сопротивлением) или же соединение через другие элементы. Например, цепь согласования антенн может быть обеспечена между первой и второй антеннами и входным конденсатором и диодами схемы.

Первый, второй и выходной диоды, а также входной и выходной конденсаторы могут, например, образовать цепь удвоения напряжения.

Таким образом, эта цепь может быть выполнена в виде модификации известной цепи удвоения напряжения, для того чтобы принимать выпрямленные сигналы множества антенн.

Эта цепь может дополнительно содержать дополнительную цепь удвоения напряжения, подсоединенную к выходному узлу. Таким образом, могут быть использованы две ступени удвоения напряжения, для того чтобы запитывать нагрузку более высоким напряжением.

В другом варианте осуществления:

- первый вывод первой антенны подсоединен ко второму суммирующему узлу через третий диод;

- первый вывод второй антенны подсоединен ко второму суммирующему узлу через четвертый диод;

- второй суммирующий узел подсоединен к выходному узлу или ко второму выходному узлу через второй выходной диод; и

схема содержит второй входной конденсатор, который включен между вторым суммирующим узлом и вторым выводом второй антенны.

Это обеспечивает две цепи (вторая цепь представляет собой третий, четвертый и второй выходной диоды и второй входной конденсатор), которые по существу эквивалентны; эти две цепи могут извлекать энергию из разных фаз радиочастотного сигнала в первой антенне и во второй антенне, и тем самым может быть извлечено большее количество общей энергии, делая возможным обеспечение более высокой доли извлеченной энергии. При этом вторая цепь может считаться вспомогательной схемой.

В одном варианте осуществления эти две цепи работают на зарядку одного и того же выходного конденсатора. В этом случае можно считать, что третий, четвертый и второй выходной диоды, а также второй входной конденсатор образуют вспомогательную цепь удвоения напряжения. В этом варианте осуществления выходной конденсатор может обеспечить более высокое напряжение, чтобы запитывать нагрузку.

В другом варианте осуществления эта вторая цепь обеспечивает свой выход на второй выходной конденсатор. При этом в одном примере первый выходной узел и второй выходной узел предназначены для выходных напряжений с одной и той же полярностью, первый вывод первой антенны подсоединен ко второму суммирующему узлу через прямо включенный третий диод, а первый вывод второй антенны подсоединен ко второму суммирующему узлу через прямо включенный четвертый диод.

Эта конфигурация обеспечивает две цепи, по одной для каждой из двух антенн, и каждую - со своим собственным выходным конденсатором. Эти две цепи могут быть идентичными, но с одним антенным выводом одной цепи, кросс-соединенным с антенным выводом другой цепи.

Альтернативно вывод одной цепи может представлять положительное напряжение, а вывод другой цепи может представлять отрицательное напряжение. В таком случае выходной узел и второй выходной узел имеют выходные напряжения с противоположной полярностью по отношению к друг к другу, при этом первый вывод первой антенны подсоединен ко второму суммирующему узлу через инверсно включенный третий диод, а первый вывод второй антенны подсоединен ко второму суммирующему узлу через инверсно включенный четвертый диод.

Эти два выходных конденсатора могут быть вместе подсоединены к заземленному узлу, а соединение между двумя антеннами также может быть заземлено.

На выходном узле первой цепи и второй (вспомогательной) цепи, когда она используется, может быть обеспечена цепь удвоения напряжения, выполненная с возможностью удвоения напряжения. Это обеспечивает два соединенных между собой удвоителя напряжения для каждой цепи, например, по одному для каждой полярности.

Эта схема может дополнительно содержать по меньшей мере одну дополнительную антенну, причем, эта антенна или каждая из дополнительных антенн имеет первый вывод, подсоединенный ко второму выводу предшествующей антенны, и второй вывод, подсоединенный к суммирующему узлу через соответствующий диод. Таким образом, эта схема может легко масштабироваться на три или большее количество антенн, чтобы соответствовать повышенным требованиям по извлечению энергии. Так что посредством этого варианта осуществления обеспечена схема с более широкими возможностями приложения.

Во втором аспекте изобретения схему настоящего изобретения может использовать электронное устройство, которое запитывается посредством индуктивного, емкостного или электромагнитного переноса энергии, такое как узел датчика. Эта схема представляет особый интерес для пассивных узлов датчика, таких как пассивные метки радиочастотной идентификации (RFID-метки). Такой узел датчика может содержать канал переноса энергии, который используется для обмена данными.

Другой аспект обеспечивает способ извлечения энергии, объединяющий сигналы множества антенн, включающий в себя

- подсоединение первого вывода первой антенны к суммирующему узлу через входной конденсатор;

- для каждой из множественных антенн:

- соединение первого вывода каждой последующей антенны со вторым выводом соответствующей предыдущей антенны, и

- подачу сигнала со второго вывода каждой антенны на суммирующий узел цепи удвоения напряжения через соответствующий диод.

Этот способ обеспечивает комбинирование энергии от двух (или более) антенн как часть процесса выпрямления.

Способ извлечения энергии может включать в себя

- исполнение способа для источника питания первой полярности, и

- исполнение способа для источника питания второй, противоположной полярности.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Варианты осуществления настоящего изобретения теперь будут описаны более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фигура 1 показывает известную схему извлечения энергии;

фигура 2 показывает два возможных способа объединения сигналов множества антенн;

фигура 3 показывает первый пример схемы в соответствии с изобретением;

фигура 4 показывает второй пример схемы в соответствии с изобретением;

фигура 5 показывает третий пример схемы в соответствии с изобретением;

фигура 6 показывает четвертый пример схемы в соответствии с изобретением;

фигура 7 показывает пятый пример схемы в соответствии с изобретением;

фигура 8 показывает шестой пример схемы в соответствии с изобретением; и

фигура 9 показывает седьмой пример схемы в соответствии с изобретением.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение обеспечивает схему для использования в системе извлечения энергии, в которой сигналы от по меньшей мере, первой и второй антенн через соответствующий диод подаются в суммирующий узел. Суммирующий узел соединен с выходным узлом через выходной диод, а на выходном узле обеспечен выходной конденсатор. Эти компоненты схемы образуют часть цепи выпрямителя радиочастотного сигнала в постоянный ток системы извлечения энергии и, в частности, модифицированной схемы удвоения напряжения на основе диода. Таким образом реализовано комбинирование сигналов антенн как часть выпрямления. Это позволяет получать сигналы антенн, сложенные без их погашения.

Существуют основные решения проблемы объединения сигналов множества антенн.

Фигура 2(а) показывает два антенных соединения 15, каждое из которых сначала подается на соответствующий выпрямитель 14а, 14b, прежде чем последовательно объединиться с другим. Выпрямители 14a, 14b, соответственно, подсоединены к разным антеннам. Такой подход - выпрямление, а затем комбинирование - приводит к неэффективности, поскольку сила входного сигнала на каждом выпрямителе мала.

Фигура 2(b) показывает два антенных соединения 15, подсоединенных последовательно, прежде чем они будут поданы на один выпрямитель 14. Эти два антенных соединения 15, соответственно, подсоединены к разным антеннам. Задача состоит в том, чтобы получить напряжение, которое в два (или более для большего количества антенн) раза больше, но это имеет место только в том случае, если сигналы имеют одну и ту же фазу. Если сигналы поступают на антенны с фазовыми задержками, то необходимы дополнительные меры. В экстремальной ситуации сигналы, поступающие на разные антенны, находятся в противофазе, и эти сигналы будут компенсировать один другого. Таким образом, такой подход - комбинирование затем выпрямление - не может избежать "временных пустот", во время которых выпрямитель является нечувствительным к входящим сигналам.

Изобретение направлено на решение проблемы обеспечения того, чтобы входные напряжения были как можно выше, прежде чем они будут поданы на выпрямительный диод, в частности, при обработке сигналов множества антенн. Подход изобретения состоит в том, чтобы объединять сигналы множествах антенн как часть процесса выпрямления, но таким образом, который исключает проблемы, связанные с погашением сигнала.

Таким образом, данная система может быть использована для множества антенн с произвольными (т.е. неизвестными) фазами между принимаемых ими сигналами.

Фигура 3 показывает базовое осуществления схемы в соответствии с настоящим изобретением. Схема по существу представляет собой комбинацию множества антенн и части преобразователя 14 РЧ сигнала в постоянный ток.

Схема включает в себя первую антенну 20, имеющую первый вывод 22, подсоединенный к суммирующему узлу 24 через входной конденсатор С1, и второй вывод 26, подсоединенный к суммирующему узлу 24 через первый диод Dl.

Вторая антенна 28 имеет первый вывод 30, подсоединенный ко второму выводу 26 первой антенны (т.е. в показанном примере - с "землей"), и второй вывод 32, подсоединенный к суммирующему узлу 24 через второй диод D2.

Суммирующий узел 24 подсоединен к выходному узлу 36 через выходной диод 38, а на выходном узле обеспечен выходной конденсатор С2.

Схема по фигуре 3 по существу содержит цепь удвоения напряжения, но со множественным антенным входом внутри этой цепи на суммирующей узел. Сигналы антенн могут складываться между собой без погашения.

Есть по крайней мере два антенных сигнала. Назначение диодов Dl и D2 состоит в том, чтобы обеспечивать, чтобы первый конденсатор С1 заряжался до максимально возможного напряжения, так чтобы сигналы антенн не погашались. При этом эффективно используется, как пояснялось выше, пропорциональность четвертой степени амплитуды сигнала.

Схема рассчитана на работу без знания разности фаз между сигналами антенн. Одна антенна подключается к одной стороне основного конденсатора С1, а другая антенна подключается через диод к суммирующему узлу с другой стороны конденсатора С1. Как объяснено далее, к этому суммирующему узлу через соответствующие свои собственные диоды могут быть подсоединены также и дополнительные антенны. Диоды, ведущие к этой суммирующей точке, означают, что конденсатор C1 заряжается до уровня, который определен диодом, который подсоединен к наибольшему напряжению.

В некоторых ситуациях, связанных с фазами, между сигналом, поданным на суммирующий узел от дополнительной антенны и сигналом на первой стороне конденсатора С1 разность фаз может быть нулевой. В этом случае дополнительная антенна не обеспечивает дополнительного вклада, но погашение сигнала исключено, и при этом еще имеет место извлечение энергии из одной антенны.

В случае, показанном на фигуре 3, если два сигнала антенн находятся в фазе, то схема эффективно извлекает энергию только из одной антенны. Однако если сигналы находятся в противофазе, то имеет место "конструктивное" складывание сигналов, дающее повышенную эффективность извлечение энергии.

Таким образом, данная конфигурация предотвращает погашение сигнала, но, кроме того, при благоприятном соотношении между фазами входных сигналов может также использовать и значительную добавку когерентных сигналов. Эта схема может быть оптимизирована, если известно, что множественные антенны будут приводить к появлению сигналов с, в основном, подобными фазами, или, если известно, что множественные антенны будут вызывать появление сигналов с, в основном, противоположными фазами. Например, схема по фигуре 3 будет более эффективной для сигналов антенн, находящихся в противофазе. Простая инверсия антенных подсоединений 32, 30 сделает схему более эффективной для сигналов антенн с одинаковой фазой.

Схему по фигуре 3 можно рассматривать в качестве основного "строительного блока", который может быть использован в более глубоко продуманных схемах.

Как уже упоминалось выше, такой подход, использованный для комбинирования сигналов двух антенн, как показанный на фиг 3, может быть также распространен на три или более антенн. Фигура 4 показывает аналогичный подход для трех антенн 20, 28, 40.

Третья антенна 40 (и каждая дополнительная антенна) имеет первый вывод 41, подсоединенный ко второму выводу предыдущей антенны, и второй вывод 42, подсоединенный к суммирующему узлу 24 через соответствующий диод D3.

В более общем смысле, может быть объединено большее количество антенн, при этом дополнительная антенна или каждая дополнительная антенна имеет первый вывод, подсоединенный ко второму выводу предыдущей антенны, и второй вывод, подсоединенный через соответствующий диод к суммирующему узлу. Таким образом, схема может образовывать каскадный набор диодов, которые подсоединяют сигналы антенн к суммирующему узлу.

Фигура 5 показывает исполнение с двумя контурами, показанными на фигуре 3, при этом каждый контур имеет свой собственный входной и выходной конденсатор. Второй контур показан с теми же ссылочными позициями, что первый контур, но с апострофом (например С1ʹ). Каждый контур объединяет антенные сигналы от двух антенн, так что в двух контурах соединяются два антенных сигнала. Таким образом, есть два удвоителя напряжения, и каждый из них извлекает выгоду из наличия объединенных между собой сигналов обеих антенн. Использование двух контуров делает возможным получение повышенного напряжения. В этом примере каждый из двух выходов (на конденсаторах С2 и С2ʹ) имеет одну и ту же полярность.

В этом случае первый вывод первой антенны подсоединен ко второму суммирующему узлу 24ʹ через третий диод D2ʹ, первый вывод 30 второй антенны подсоединен ко второму суммирующем узлу 24ʹ через четвертый диод D1ʹ, а второй суммирующий узел 24ʹ подсоединен ко второму выходному узлу 36ʹ через второй выходной диод 38ʹ. Второй контур содержит второй входной конденсатор С1ʹ, который включен между вторым суммирующим узлом 24 и вторым выводом 32 второй антенны.

Второй контур образует вспомогательную цепь удвоения напряжения.

В схеме по фигуре 5 предусмотрены отдельные выходные конденсаторы.

Фигура 6 показывает ту же самую схему, что и на фигуре 5, но с общим выходным конденсатором C2. Показанные в схеме резисторы предназначены для представления полных электрических сопротивлений антенны, но лишь с целью моделирования схемы. Как вариант, согласование полных сопротивлений между антеннами и выпрямителем может быть обеспечено, например, с использованием трансформатора.

Фигура 7 показывает видоизменение в схеме по фигуре 6, в котором цепь удвоения напряжения подсоединена с выходным узлом 36, выполненном с возможностью удвоения напряжения на выходном узле.

Эта цепь удвоения напряжения является цепью того же самого общего типа, что и цепь по фигуре 3 (но только с одним входом в суммирующий узел) и содержит входной конденсатор С1ʺ, диоды Dlʺ и 38ʺ удвоения напряжения и выходной конденсатор C2ʺ подсоединенный к выходному узлу 36ʺ. Это позволяет вырабатывать более высокое выходное напряжение.

Схема по фигуре 5 имеет два выходных конденсатора, но они сохраняют напряжение одной и той же полярности. В качестве альтернативы можно обеспечить один контур для положительного напряжения и один контур для отрицательного напряжения. Этот пример показан на фигуре 8.

Используются те же позиционные обозначения, что и на фигуре 5. Второй контур предназначен для генерации сигнала с полярностью, противоположной первой. По этой причине диоды Dlʹ, D2ʹ, 38ʹ ориентированы в противоположном направлении по отношению к ориентации на фигуре 5.

Фигура 8 показывает также, что каждая схема имеет цепь удвоения напряжения, причем, цепь 80 удвоения напряжения - для первой схемы, а цепь 82 удвоения напряжения - для второй схемы.

В этом случае вторая схема также содержит:

- вторую входную цепь конденсатора С1ʹ, к которому подсоединен второй вывод 32 второй антенны;

- вторую схему суммирующего узла 24ʹ;

- первый диод Dlʹ второго контура, в котором суммирующий узел 24ʹ второй цепи подсоединен к первому выводу второй антенны через первый диод второго контура;

- второй диод D2ʹ второго контура, в котором суммирующий узел 24ʹ второй цепи подсоединен к первому выводу первой антенны через второй диод D2ʹ второго контура;

- выходной диод 38ʹ второго контура, в котором выходной узел 36ʹ второй цепи подсоединен к суммирующему узлу 24ʹ второй цепи через выходной диод второй цепи; и

- выходной конденсатор C2ʹ, установленный в выходном узле второго контура.

Цепи 80, 82 удвоения напряжения на выходных узлах 36ʺ и 36ʹʹʹ обеспечены двумя выходными конденсаторами С2ʺ и С2ʹʹʹ с противоположной полярностью по отношению друг к другу, в которых сохраняются напряжения.

Приведенные выше примеры обеспечивают напряжение от объединенных антенн на выходном конденсаторе или на множественных выходных конденсаторах.

Альтернативный вариант заключается в том, чтобы обеспечить выходные напряжения на соответствующих конденсаторах, но с правильной полярностью, так чтобы эти конденсаторы могли бы быть соединены последовательно.

Фигура 9 показывает этот подход.

Основным "строительным блоком" снова является удвоитель напряжения с множественным входом, определенный элементами D1, D2, C1 и 38. В этом случае есть три антенны, так что первый контур имеет также диод D3. Первая схема сохраняет напряжение на выходном конденсаторе С20 (для первой антенны 20).

Вторая антенна 28 имеет свой собственный удвоитель множественного входного напряжения, определенный элементами C10, D10, D20, D30 и 380. Вторая схема сохраняет напряжение на выходном конденсаторе C28 (для второй антенны 28).

Третья антенна 40 имеет свой собственный удвоитель множественного входного напряжения, определенный элементами C100, D100, D200, D300 и 3800. Вторая схема сохраняет напряжение на выходном конденсаторе С40 (для третьей антенны 40).

Таким образом, есть три эквивалентные схемы поясненного выше типа, каждая из которых на своем суммирующем узле получает сигналы всех трех антенн. Различные диоды и их ориентация обеспечивают, чтобы скомбинированные сигналы антенн сохранялись в своих соответствующих конденсаторах с правильной полярностью, так что эти три выходных конденсатора могут быть соединены последовательно. Принципиальная схема по фигуре 4, по существу, скопирована три раза таким образом, что при этом каждый выходной конденсатор заряжается от максимально высокой разности входного напряжения.

Изобретение также можно рассматривать в качестве способа извлечения энергии, который объединяет сигналы множественных антенн. Первый вывод первой антенны подсоединен к суммирующему узлу через входной конденсатор. Для каждой из множественных антенн первый вывод антенны каждой последующей антенны подсоединен ко второму выводу соответствующей предыдущей антенны, а сигнал от второго вывода антенны каждой антенны через соответствующий диод подается на суммирующий узел цепи удвоения напряжения.

Система сконфигурирована таким образом, что комбинированная система всегда может извлекать энергию независимо от угла прихода.

Изобретение может быть применимо к любому устройству низкой мощности, которое предназначено для работы посредством извлечения энергии. Узлы датчиков представляют собой один пример, например, предназначенный для использования в области здравоохранения или для управления освещением и строительством. Этот подход могут использовать метки радиочастотной идентификации (RFID), при этом они могут быть сделаны меньшими, и могут исключать необходимость во внешних антеннах.

Малые RFID-устройства могут быть, например, введены в трехмерный напечатанный объект и могут действовать в качестве доказательства подлинности или для того, чтобы связывать объект с конкретным программным приложением.

Узел датчика, использующий схему извлечения энергии, может содержать канал передачи энергии, который используется для обмена данными. Это известно, например, из статьи "A 71GHz RF Energy Harversting Tag with 8% Efficiency for Wireless Temperature Sensors in 65nm CMOS" ("71 ГГц-й контур извлечения РЧ энергии с 8% эффективностью для беспроводных температурных датчиков в 68-нанометровых CMOS-структурах"), Хао Гао (Hao Gao) и др., опубликованной в материалах Симпозиума по интегральным радиочастотным схемам (Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC); IEEE, 2-4 июня 2013, стр. 403-406.

Вышеприведенные схемы являются диодными схемами. Диоды могут быть реализованы в виде транзисторов с диодными связями. Транзисторы могут быть биполярными или полевыми транзисторами, а, кроме того, могут быть использованы и другие полупроводниковые нелинейные элементы.

Специалистами в данной области техники при практическом осуществлении заявленного изобретения в результате изучения чертежей, описания и приложенных пунктов формулы изобретения могут быть придуманы и внесены другие изменения в раскрытые варианты осуществления. В этих пунктах слово "содержащий" не исключает других элементов или этапов, а признак единственного числа не исключает множества. Тот простой факт, что некоторые размеры повторяются во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает, что для получения положительного эффекте не может быть использована комбинация этих измерений. Любые ссылочные позиции в пунктах формулы изобретения не должны быть истолкованы как ограничивающие объем изобретения.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – повышение выходной мощности. Схема для использования в системе извлечения энергии подает сигналы от по меньшей мере первой и второй антенн на суммирующий узел через соответствующие диоды. Этот суммирующий узел через выходной диод подсоединен к выходному узлу, а на выходном узле обеспечен выходной конденсатор. Это осуществляет объединение сигналов антенн внутри выпрямительной цепи. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Схема для использования в системе извлечения энергии, содержащая:

- первую антенну (20), имеющую первый вывод (22), подсоединенный к суммирующему узлу (24) через входной конденсатор (С1), и второй вывод (26), при этом второй вывод подсоединен к суммирующему узлу (24) через первый диод (D1),

- вторую антенну (28), имеющую первый вывод (30), подсоединенный ко второму выводу (26) первой антенны, и второй вывод (32), подсоединенный к соединению между входным конденсатором (С1) и суммирующим узлом (24) через второй диод (D2),

причем суммирующий узел (24) подсоединен к выходному узлу (36) через выходной диод (38), при этом в выходном узле обеспечен выходной конденсатор (С2);

причем упомянутый второй вывод (32) второй антенны (28) выполнен с возможностью обеспечения сигнала в противоположной фазе по отношению к сигналу, обеспеченному на первом выводе (22) первой антенны (20).

2. Схема по п. 1, в которой первый вывод (30) и второй вывод (32) второй антенны (28) выполнены с возможностью инвертирования для сигналов антенн с одинаковыми фазами в первой антенне (20) и во второй антенне (28).

3. Схема по п. 2, в которой первый, второй и выходной диоды (D1, D2, 38) и входной и выходной конденсаторы (C1, C2) образуют цепь удвоения напряжения и упомянутая схема дополнительно содержит дополнительную цепь удвоения напряжения (С1ʺ, D1ʺ, 38ʺ, 80), подсоединенную к выходному узлу (36) и к первому выводу (22) первой антенны (20) или ко второму выводу (32) второй антенны (28), выполненную с возможностью удвоения напряжения на выходном узле (36).

4. Схема по любому из пп. 1 или 2, в которой

- первый вывод (22) первой антенны подсоединен ко второму суммирующему узлу (24ʹ) через третий диод (D2ʹ);

- первый вывод (30) второй антенны подсоединен ко второму суммирующему узлу (24ʹ) через четвертый диод (D1ʹ);

- второй суммирующий узел (24ʹ) подсоединен к выходному узлу или ко второму выходному узлу через второй выходной диод (38ʹ); и

схема содержит второй входной конденсатор (С1ʹ), который включен между вторым суммирующим узлом (24ʹ) и вторым выводом (32) второй антенны.

5. Схема по п. 4, в которой второй суммирующий узел (24ʹ) подсоединен ко второму выходному узлу (36ʹ) через второй выходной диод (38ʹ), а во втором выходном узле (36ʹ) обеспечен второй выходной конденсатор (С2ʹ) схемы.

6. Схема по п. 5, в которой третий, четвертый и второй выходные диоды (D2ʹ, D1ʹ, 38ʹ) и второй входной конденсатор (С1ʹ) образуют вспомогательную цепь удвоения напряжения.

7. Схема по п. 6, дополнительно содержащая цепь (82) удвоения напряжения, выполненную с возможностью удвоения напряжения на втором выходном узле (36ʹ).

8. Схема по п. 5, в которой

- выходной узел и второй выходной узел предназначены для вывода напряжений с противоположной полярностью по отношению друг к другу, и при этом первый вывод (22) первой антенны подсоединен ко второму суммирующему узлу (24ʹ) через инверсно включенный третий диод (D2ʹ), а первый вывод (30) второй антенны подсоединен ко второму суммирующему узлу (24ʹ) через инверсно включенный четвертый диод (D1ʹ), или

- первый выходной узел и второй выходной узел предназначены для вывода напряжений с одинаковой полярностью, при этом первый вывод (22) первой антенны подсоединен ко второму суммирующему узлу (24ʹ) через прямо включенный третий диод (D2ʹ), а первый вывод (30) второй антенны подсоединен ко второму суммирующему узлу (24ʹ) через прямо включенный четвертый диод (D1ʹ).

9. Схема по одному из пп. 1 или 2, дополнительно содержащая по меньшей мере одну дополнительную антенну (40),

причем эта антенна или каждая дополнительная антенна имеет первый вывод, подсоединенный ко второму выводу предшествующей антенны, и второй вывод, подсоединенный к суммирующему узлу через соответствующий диод.

10. Электронное устройство, которое запитывается посредством индуктивной, емкостной или электромагнитной передачи энергии, такое как узел датчика, содержащее схему по любому из предшествующих пунктов.

11. Способ извлечения энергии, объединяющий сигналы множества антенн, включающий в себя

- подсоединение первого вывода (22) первой антенны (20) к суммирующему узлу (24) через входной конденсатор (С1);

- для каждой из множества антенн:

- соединение первого вывода (30) антенны из каждой последующей антенны (28, 40) со вторым выводом (26) соответствующей предыдущей антенны, и

- подачу сигнала со второго вывода антенны из каждой антенны на соединение между входным конденсатором (С1) и суммирующим узлом (24) цепи удвоения напряжения через соответствующий диод, при этом упомянутый второй вывод (32) второй антенны (28) выполнен с возможностью обеспечения сигнала в противоположной фазе по отношению к сигналу, обеспеченному на первом выводе (22) первой антенны (20).

12. Способ по п. 11, дополнительно включающий в себя выполнение дополнительного удвоения напряжения на выходе цепи удвоения напряжения, и/или

инвертирование первого вывода (30) и второго вывода (32) второй антенны (28) для сигналов антенн с одинаковыми фазами на первом выводе (22) первой антенны (20) и на втором выводе (32) второй антенны (28).

13. Способ по п. 11 или 12, дополнительно включающий в себя подачу сигнала с первого вывода антенны из каждой антенны на суммирующий узел второй цепи удвоения напряжения через соответствующий диод.

14. Способ по п. 13, дополнительный включающий в себя выполнение дополнительного удвоения напряжения на выходе второй цепи удвоения напряжения.

15. Способ извлечения энергии, включающий в себя

- исполнение способа по любому из пп. 11-14 для источника питания первой полярности, и

- исполнение способа по любому из пп. 11-14 для источника питания второй, противоположной, полярности.