專利名稱：用于一無線電源的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及輻射電能的回收。更具體而言，本發(fā)明涉及使用復數(shù)個分接頭進行的對于RF頻譜的任一給定部分均最佳化的輻射電能回收。
背景技術：
在本發(fā)明的運作中，環(huán)境RF及所產(chǎn)生的RF信號提供一電位能量源，所述電位能量可采集、存儲并提供給許多需要電能的器件或可恢復被放電電源所損失的能量。
傳統(tǒng)的RF接收器件利用一天線來捕捉一處于RF頻譜內的窄頻帶，由此然后將所述RF頻率集合過濾或調諧成一個或多個特定頻率以便使在所選的一個或多個頻率內傳輸?shù)男盘栕畲蠡Ｈ缓?，將包含于所述信號中的電位能量用于其預定目的，例如音頻、視頻或數(shù)據(jù)處理。這些RF接收器件已注重于使頻率選擇性最大化，以便在無來自其他源的干擾的情況下隔離且相干。

發(fā)明內容
本發(fā)明涉及一種用于一無線電源的裝置。所述裝置包括用于在一頻率集合上接收一RF輻射范圍的構件。所述裝置包括用于將所述頻率集合上的所述RF輻射較佳同時轉換成DC的構件。
本發(fā)明涉及一種用于一無線電源的方法。所述方法包括在一頻率集合上接收一RF輻射范圍的步驟。存在將所述頻率集合上的所述RF輻射較佳同時轉換成DC的步驟。


在附圖中，圖解說明本發(fā)明的各較佳實施例及實踐本發(fā)明的較佳方法，附圖中圖1為一本發(fā)明裝置的較佳實施例的示意圖。
圖2為一經(jīng)最佳化以用于回收、收集及存儲中波帶寬RF能量的的本發(fā)明裝置的較佳實施例的示意圖。
圖3為本發(fā)明裝置的一方塊圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在參見附圖—其中在這幾個視圖中相同的參考編號均指代相似或完全相同的部件，且更具體而言參見其中的圖1，該圖顯示一用于一無線電源的裝置10。裝置10包括用于在一頻率集合上接收一RF輻射范圍的構件12。裝置10包括用于將所述頻率集合上的RF輻射較佳同時轉換成DC的構件14。
較佳地，轉換構件14包括一對一所期望RF頻譜帶發(fā)生諧振的吸收機構16。吸收機構16較佳包括一對所期望RF頻譜帶發(fā)生諧振的電感器18。較佳地，轉換構件14包括沿電感器18布置于多個點處以接取RF能量的復數(shù)個分接頭。
較佳通過使電感器18的阻抗與所期望RF頻譜帶相匹配來計算分接頭。較佳地，接收構件12包括一天線22。轉換構件14較佳包括一整流所述RF能量并將其轉換成DC電壓的整流機構24。較佳地，整流機構24在每一對RF能量進行整流并將其轉換成DC電壓的分接點處包含復數(shù)個二極管26。
裝置10較佳包括一用于存儲所述DC電壓的存儲器件28。較佳地，天線22的阻抗與電感器18的阻抗按1∶1匹配。所述RF頻譜較佳介于60Hz至28千兆赫之間。
本發(fā)明涉及一種用于一無線電源的方法。所述方法包括在一頻率集合上接收一RF輻射范圍的步驟。存在將所述頻率集合上的所述RF輻射較佳同時轉換成DC的步驟。
較佳地，所述轉換步驟包括吸收所述能量的步驟。所述吸收步驟較佳包括使用一電感器18來吸收所述能量的步驟。較佳地，所述轉換步驟包括使用電感器18上的復數(shù)個分接頭來接取所吸收能量的步驟。較佳存在使所述電感器的阻抗與一所期望RF范圍相匹配的步驟。
較佳地，所述轉換步驟包括對可在每一分接頭處獲得的能量進行整流并將其轉換成DC電壓的步驟。所述整流步驟較佳包括使用二極管26對可在每一分接頭處獲得的所述能量進行整流并將其轉換成DC電壓的步驟。較佳地，所述轉換步驟包括對所述各DC電壓進行求和的步驟。所述求和步驟較佳包括在一串聯(lián)電容器積分器中將所述各DC電壓相加的步驟。較佳地，存在存儲總和DC電壓的步驟。較佳存在使用所存儲DC電壓的步驟。
本文中闡述一種用于回收輻射電能的方法及裝置10。所要捕捉的輻射能是在有時稱作RF或射頻的電磁頻譜部分中傳輸。本文中所述方法及裝置10的主要用途是接收RF能量并將所述能量轉換成一可用的功率形式。所述方法及裝置10并不鑒別或解譯各個信號或頻率。其設計成用于吸收一所選頻帶或頻率范圍的信號、載波及任何相關干擾并將其轉換成可再用的功率。
與傳統(tǒng)的RF接收器件相比，此方法及裝置10不具有選擇性。其具有將寬廣的RF頻譜范圍作為一頻率集合來接受的獨特特性。然后，將每一所收集頻率范圍整流或整體轉換成單個電壓。較佳地，在吸收RF的同時，產(chǎn)生合成電壓。裝置10并不嘗試對任何特定頻率或信號進行調諧。然后將從一給定頻率范圍搜集到的每一電壓加在一起并使其可供用于直接為一器件供電、存儲起來或向一再充電裝置提供能量。
將由電路利用的輻射電能可呈一寬RF頻譜范圍的形式。環(huán)境RF源的一些實例可包括(但不限于)甚低頻-VLF(海事/航空移動通信)，中頻-MF(AM無線電廣播)，高頻-HF(短波無線電廣播)，甚高頻-VHF(TV及FM無線電廣播)，超高頻-UHF(TV、HDTV、PCS、WiFi)及某些微波傳輸。另外，裝置10能夠接收為了向裝置10傳輸功率以供吸收、收集及利用的特定目的而產(chǎn)生及廣播的專用RF傳輸。在此種情況下，不必使所述專用RF傳輸包含需要出于輔助目的(例如音頻/視頻或數(shù)據(jù)接收與解譯)而加以解譯的特定信號或數(shù)據(jù)。
使用本文中所述的技術，可設計及制作成一對于RF頻譜的任一給定部分而言均最佳化的裝置10。裝置10組件的所需電及磁特性將因所選頻譜部分而異。因此，制作成一個單一裝置10來覆蓋整個RF頻譜是不切實際的。不過，可制作成各個分別針對一給定RF頻帶設計的單獨裝置10，并將裝置10及其輸出二者相組合來獲得最大功率效率。
由一置于所發(fā)射能量場內的天線22截取一所選RF頻帶的一部分。天線22根據(jù)其設計效率接收能量并將能量引到一系統(tǒng)中，在所述系統(tǒng)中對所述能量進行吸收、整流、求和及傳送以供使用或存儲。
RF能量→天線→[吸收→整流→積分→傳送]→使用將射到一天線22上的RF信號饋送至一對所期望RF頻譜帶發(fā)生諧振的電感器(L)中。注意在具有高濃度RF能量的區(qū)域內，不需要附裝一天線22。通過電感器18上沿電感器18布置于若干點上的分接頭20(T1-Tx)接取所吸收的RF能量—其由基波、諧波、互諧波及駐波組成。此器件的主要特性是一無電容器的前端能得到電感器的寬帶寬及對入射RF能量的最大導納。通過使電感器18段的阻抗與所期望RF范圍相匹配來計算分接點。
可在每一分接點上獲得的合成RF能量經(jīng)過例如二極管26(D1-Dx)等器件整流并轉換成DC電壓。各個經(jīng)整流的電壓散布于一由若干電容器(C1-Cx)組成的串聯(lián)電容器積分器之中。此寬頻帶方法允許最大能量散布于所述串聯(lián)電容器堆疊之中。
可從C1-Cx獲得的電壓之和被存儲于任一存儲器件28(例如一電容器或一組電容器Cs(s1-sx))中并可供直接使用、或給一個或多個需要間隙性功率的電子器件供電。所述存儲器件或電容器的電特性、存儲器件的構造及實際數(shù)量取決于裝置10正向其供電的器件的電壓及功率需求。(參見圖1)雖然未被視為裝置10的一部分，但天線22為任一利用所述方法及裝置10的實際器件的整體組件。天線22的主要特性將是其能夠接收寬的頻帶、針對所選帶寬最佳化，及考慮到為支持目標器件的功率需求所需的有效面積。
理想情況為，天線22的阻抗與裝置10中電感器18的阻抗按1∶1匹配。
注意在具有高濃度RF能量的區(qū)域中，不需要對裝置10附裝天線22。
電感器18電感器18的特性取決于要收集及利用的所選頻率帶寬。理想電感器18應構造成使總電感的中點將在所選RF段或頻譜的中心頻率上發(fā)生諧振。
多個分接頭20自所選射頻能量頻帶段提供基波及互諧波輸出電壓。
例如，一將一375歐姆的天線22阻抗用于一具有375歐姆電抗的電感電路中且中心頻率為1.2MHz的中波電路(圖2)將需要一100uH的電感。有效帶寬將約為2MHz寬。(在所述頻帶的每一端均減-3db)。
可使用下列標準諧振公式(公式1)來計算電感器18L＝(d平方乘n平方)除以(18乘d加40乘j)其中L＝以亨利為單位的電感。
d＝以英寸為單位的導體直徑。
j＝以英寸為單位的導體長度。
n＝導體迭繞次數(shù)。
使用類似公式，可重新計算所需電感來得出亨利值、毫亨值、皮亨值及納亨值，亦即VLF、LF、MW、HF、VHF、UHF及微波頻帶段。
利用一無電容器前端會確保所述電感器具有寬的帶寬及對所輸入RF能量的最大導納。
分接頭20分接頭20將沿電感器18構造并布置于若干個點上。每一分接頭均向裝置10的整流部分中提供一單獨的輸出電壓。
可通過下列公式(公式2)來計算電感器18上分接頭20的數(shù)量Tn＝Bw乘pi其中Tn＝分接頭總數(shù)量。
Bw＝電感器的有效帶寬(以兆赫為單位)。
Pi＝3.1416電感器18上每一分接頭的缺省位置均沿電感器18等距離分布。也可計算其位置來得出最佳輸出電壓。在計算分接頭20時，必須考慮到所選頻帶段內包含更高RF能量的已知頻率。并且通過使用一標準諧振電感公式(1)，可針對所需頻率及最佳輸出電壓來計算每一單獨的分接頭。
整流器通過一整流器件將可在每一分接頭上獲得的RF能量轉換成DC電壓。所要使用的整流器類型取決于所選頻帶，且包括晶體、鍺、硅及任何其他類型。
積分器電壓積分器由電容器C1-Cx組成。這些電容器的值取決于所選頻帶、所述整流器的獨特特性及由存儲級所施加的負載。此電路的電抗變化很大，甚至在正常運行期間也是如此。然而，可使用電容電抗的標準公式作為初步計算的一起始點
Xc＝1/(2*pi*F*C)其中Xc＝以歐姆為單位的電容電抗。
C＝以微法為單位的電容。
F＝以赫茲為單位的頻率。
Pi＝3.1416存儲器存儲組件取決于一個或多個所附裝器件的功率需求及可獲得的由電感器(L)所吸收的RF能量。
使用一中波實例，使用一2,200微法的電解電容器作為存儲器。
樣品裝置10中波(AM)無線電源已使用上述方法制成一器件，其使用RF頻譜的環(huán)境(現(xiàn)有)AM廣播波段作為其能量源。所述器件的主要用途是使所吸收、收集及轉換成可再用功率的能量最佳化。
電路運行所需的天線22的尺寸及特性不作為對裝置10的設計要求。為在一具有數(shù)個AM無線電臺的典型市區(qū)中獲得足以對一存儲器件28進行充電的能量所需的天線22將類似于用于標準AM無線電的天線。在存在高濃度RF能量的區(qū)域中，無需一天線22，裝置10本身便足以形成所存儲的功率。
電感器18呈一由卷繞到一2″型材上的#28規(guī)格漆包線構成的空氣線圈形式。所述線圈為一連續(xù)的密繞線，其中每二十匝放置一分接頭20，總共可使用六個分接頭20(T1-T6)。所述線圈的頂部為連接天線22之處。所述線圈的底部接地。
鍺二極管(IN34A)(D1-D6)連接至所述線圈上的每一分接頭。如由C6所示，圖中顯示串聯(lián)電容器積分器(C1-C6)構造成使C6附連接地。C1-C6是額定值為0.068uF的聚乙烯電容器。在此樣品裝置10中所利用的功率存儲器件28-C7為一2200uF電解電容器。
可通過將多個寬帶無線電源實例耦合在一起來利用極寬頻帶運行。
例如可將一針對甚低頻波段(60Hz中心頻率)設計及構造(參見設計考慮因素)的BWPS電路耦合至另一針對超高頻波段(5GHz中心頻率)設計及構造(參見設計考慮因素)的BWPS電路中。每個單獨電路的輸出均連接(通過另一積分電路)到一共用存儲器件28(即電容)中，以將所收集及轉換的RF能量“蓄積”在一起?？蓪δ芰款l譜的任一或所有段重復使用此種技術。
雖然出于例示目的已在上述各實施例中詳細闡述了本發(fā)明，但應了解，此種細節(jié)僅僅是用于該目的且所屬領域的技術人員可對其作出改動，此并不背離本發(fā)明的精神及范圍，除非其可能由隨附權利要求書述及。
權利要求
1.一種用于一無線電源的裝置，其包括用于在一頻率集合上接收一RF輻射范圍的構件；及用于將所述頻率集合上的所述RF輻射轉換成直流的構件。
2.如權利要求1所述的裝置，其中所述轉換構件包括一對一所期望RF頻譜帶發(fā)生諧振的吸收機構。
3.如權利要求2所述的裝置，其中所述吸收機構包括一對所述所期望RF頻譜帶發(fā)生諧振的電感器。
4.如權利要求3所述的裝置，其中所述轉換構件包括沿所述電感器布置于若干點上以接取所述RF能量的復數(shù)個分接頭。
5.如權利要求4所述的裝置，其中通過使所述電感器的阻抗與所期望RF頻譜帶相匹配來計算所述分接頭點。
6.如權利要求5所述的裝置，其中所述接收構件包括一天線。
7.如權利要求6所述的裝置，其中所述轉換構件包括一對所述RF能量進行整流并將其轉換成直流電壓的整流機構。
8.如權利要求7所述的裝置，其中所述整流機構包括每一對所述RF能量進行整流并將其轉換成直流電壓的分接頭點處的復數(shù)個二極管。
9.如權利要求8所述的裝置，其包括一用于存儲所述直流電壓的存儲器件。
10.如權利要求9所述的裝置，其中所述天線阻抗與所述電感器阻抗按1∶1匹配。
11.如權利要求10所述的裝置，其中所述RF頻譜介于60Hz至28千兆赫之間。
12.一種用于一無線電源的方法，其包括下列步驟在一頻率集合上接收一RF輻射范圍；及將所述頻率集合上的所述RF輻射轉換成直流。
13.如權利要求12所述的方法，其中所述轉換步驟包括吸收所述能量的步驟。
14.如權利要求13所述的方法，其中所述吸收步驟包括使用一電感器來吸收所述能量的步驟。
15.如權利要求14所述的方法，其中所述轉換步驟包括使用所述電感器上的復數(shù)個分接頭來接取所吸收能量的步驟。
16.如權利要求15所述的方法，其包括使所述電感器的阻抗與一所期望RF范圍相匹配的步驟。
17.如權利要求16所述的方法，其中所述轉換步驟包括對可在每一分接頭處獲得的能量進行整流并將其轉換成直流電壓的步驟。
18.如權利要求17所述的方法，其中所述整流步驟包括使用二極管對可在每一分接頭處獲得的所述能量進行整流并將其轉換成直流電壓的步驟。
19.如權利要求18所述的方法，其中所述轉換步驟包括將所述直流電壓相加的步驟。
20.如權利要求19所述的方法，其中所述求和步驟包括在一串聯(lián)電容器積分器中對所述直流電壓進行積分的步驟。
21.如權利要求20所述的方法，其包括存儲所述相加的直流電壓的步驟。
22.如權利要求21所述的方法，其包括使用所述所存儲直流電壓的步驟。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種用于一無線電源的裝置，其包括一用于在一頻率集合上接收一RF輻射范圍的機構。所述裝置包括一用于將所述頻率集合上的RF輻射較佳同時轉換成DC的機構。本發(fā)明亦揭示一種用于一無線電源的方法，其包括在一頻率集合上接收一RF輻射范圍的步驟。存在將所述頻率集合上的RF輻射較佳同時轉換成DC的步驟。
文檔編號H02M1/00GK1868106SQ200480030212
公開日2006年11月22日 申請日期2004年10月15日 優(yōu)先權日2003年10月17日
發(fā)明者蒂姆·A·范德雷利, 約翰·G·希勒, 約翰·R·希勒 申請人:法爾弗萊電力科技公司