能量收集系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本文提出了一種用于收集環(huán)境中傳播的電磁能量的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括天線單元、收集單元和輸入信號適配電路。天線單元被配置成從環(huán)境中接收外部電磁輻射，產(chǎn)生相應(yīng)的電輸出。收集單元包括至少一個能量收集電路，每個能量收集電路被配置成并操作為接收指示天線單元的輸出的信號，生成并儲存相應(yīng)的電荷，收集電路包括：整流單元，整流單元包括多個整流器，每個整流器被配置成并操作為接收AC電信號，生成相應(yīng)的DC電功率；以及電荷采集單元，電荷采集單元被配置成并操作為從所述整流單元接收多個DC電功率，將DC電功率轉(zhuǎn)換并積累成表示所收集能量的電荷。輸入信號適配電路具有連接到天線單元的輸入和連接到整流單元的輸出，輸入信號適配電路被配置成并操作為調(diào)節(jié)天線單元和整流單元的預(yù)定電性質(zhì)，從而優(yōu)化收集電路接收天線單元的電輸出。
【專利說明】能量收集系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于能量收集【技術(shù)領(lǐng)域】，并且涉及可以用在包括醫(yī)療裝置（例如植入裝 置）以及電動汽車和各種家用裝置的各種應(yīng)用中的能量收集系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 最近二十年來，電磁通信（諸如RF通信）的使用在人類生活的方方面面（包括移 動/衛(wèi)星通信、醫(yī)療等領(lǐng)域）急劇增加，而無線電頻譜的不同部分可以用于不同的無線電傳 輸技術(shù)和應(yīng)用（例如TV(電視）或蜂窩應(yīng)用）。通常，根據(jù)國際電信聯(lián)盟（ITU)的無線電規(guī) 程，無線電頻譜由所有國家的國民、政府和軍方用戶共享。因此，全世界的人們被在空中傳 播的具有不同頻率和強度的各種電磁信號（輻射）包圍。
[0003] 在本領(lǐng)域中已經(jīng)進(jìn)行了一些嘗試來采集在空中傳播的電磁信號、并產(chǎn)生電力。 所說的這種技術(shù)中的一些技術(shù)例如在以下專利：EP 1，722, 284、US 2009/105, 782和JP 10146077中有描述。
[0004] 近年來，在醫(yī)學(xué)植入和附連裝置方面取得了快速的技術(shù)進(jìn)步。然而，這些裝置中的 大多數(shù)裝置（即使不是所有裝置）都要求電力作為其能源。每一個這樣的醫(yī)療裝置使用電 池作為一次性電源。就諸如心臟起搏器或除顫器的植入裝置來說，每次更換電池都要求重 復(fù)手術(shù)，這會危及病人使他們暴露于各種風(fēng)險以及手術(shù)前擔(dān)憂、術(shù)中的不方便和隨后的恢 復(fù)期。就諸如助聽器的附連裝置來說，根據(jù)裝置的類型，一天或一星期更換電池一次也是令 人的討厭。
[0005] 因此，顯然希望有能夠?qū)@些裝置中的電池充電并可能不需要電池的機制。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本領(lǐng)域需要能夠以最有效的方式有效采集、使用電磁輻射（例如RF信號）并儲存 所收集的能量以便供應(yīng)到電力負(fù)載（諸如可充電電池或電力裝置以便能夠?qū)λ鲭姵爻?電或操作所述電力裝置）的新的能量收集方法。用于收集電磁能量的技術(shù)在同一發(fā)明人的 美國專利申請?zhí)?3/116554中有描述，其通過引用被全文并入本文中。這種系統(tǒng)從功能上 允許從環(huán)境中收集已經(jīng)存在的RF輻射，并將RF輻射轉(zhuǎn)換成可用的能源。
[0007] 本發(fā)明提供一種新的能量收集系統(tǒng)和方法以及一種用于能量收集系統(tǒng)中的新的 天線單元。本發(fā)明的天線單元被配置成從環(huán)境中接收外部電磁輻射，并產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電 信號。天線單元包括與具有不同的電和/或磁性質(zhì)的傳輸介質(zhì)關(guān)聯(lián)（例如位于傳輸介質(zhì) 中）的至少兩個導(dǎo)電元件。
[0008] 當(dāng)從空氣中可用的來源收集RF能量時，由于所接收信號的頻率和強度的變化，系 統(tǒng)的效率是至關(guān)重要的。決定收集系統(tǒng)的效率的一個重要因素是天線單元的預(yù)定電性質(zhì)和 整流單元的預(yù)定電性質(zhì)的匹配/調(diào)節(jié)的程度。更具體地，這可能是整流電路的阻抗和輸入 信號的強度之間的匹配。整流器的阻抗以輸入信號的強度的函數(shù)動態(tài)地變化。更具體地， 當(dāng)輸入信號相對于整流器的導(dǎo)電閾值是低功率信號時，整流器的阻抗非常高。當(dāng)輸入信號 的強度增大到接近整流器的導(dǎo)電閾值時，整流器的阻抗降低，直到信號的強度超過整流器 的導(dǎo)電閾值，整流器的阻抗下降。在靜態(tài)系統(tǒng)中，整流器被配置成使得它的阻抗匹配輸入信 號的某個強度水平，但在其它強度，是不匹配的，效率大大降低。因此，可能需要輸入信號適 配單元/電路，例如適配阻抗匹配單元，其被配置成并操作為動態(tài)地/選擇性根據(jù)變化的輸 入信號的強度將整流器的阻抗與天線單元的阻抗進(jìn)行匹配。
[0009] 滿足整流器阻抗的動態(tài)變化需要的一種方式是通過提供輸入阻抗的動態(tài)有源改 變。然而，這種技術(shù)造成能量消耗，導(dǎo)致能量浪費。
[0010] 因此，在一些應(yīng)用中期望通過無源單元來實現(xiàn)這種動態(tài)阻抗匹配。關(guān)于這一點，應(yīng) 當(dāng)理解本文中使用的詞語"無源單元（passive unit)"和"有源單元（active unit)"指各 自基于其預(yù)定的工作參數(shù)/條件自動操作以及由專用控制器操作以改變工作參數(shù)/條件中 的一個或多個的單元/電路。本發(fā)明提供這種無源濾波單元，其操作以匹配（從天線單元 接收的）不同的輸入強度的信號的整流器的阻抗，并在所有的輸入強度水平最大化收集系 統(tǒng)的效率。
[0011] 在收集電磁能量時，每個整流器的電容器通常很小。然而，需要儲存源于幾個整流 器以及源于同一整流器隨時間變化的大的電荷量。本發(fā)明提供一種新的電荷采集單元，其 可以基于以下兩種將在收集過程中獲得的小電荷收集到大儲存器（即具有相對較大電容 的電容器）的新方法中的任何一種方法。在本發(fā)明中，這是通過使用開關(guān)拓?fù)潆娐坊蛘呤?用允許將獲得的小電荷傳輸?shù)酱箅娙萜饕詫崿F(xiàn)大電荷儲存的適當(dāng)?shù)碾妷褐岭娏鬓D(zhuǎn)換來實 現(xiàn)的。為此目的，本發(fā)明提供電荷采集單元，所述電荷采集單元包括信號求和單元，所述信 號求和單元被配置成并操作為從整流單元的多個整流器接收多個DC電功率，轉(zhuǎn)換DC電功 率并將DC電功率積累成電荷（通過電壓至電流轉(zhuǎn)換或者開關(guān)拓?fù)潆娐罚?，這里，這種電荷代 表所收集的能量。
[0012] 因此，根據(jù)本發(fā)明的一個寬泛方面，提供了一種用于收集在系統(tǒng)所暴露的環(huán)境中 傳播的電磁能量的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括：天線單元，所述天線單元被配置成從環(huán)境中接收外 部電磁輻射，產(chǎn)生相應(yīng)的電輸出；收集單元，所述收集單元包括一個或多個收集電路，其中， 每個收集電路被配置成并操作為接收指示所述天線單元的輸出的信號，生成并儲存相應(yīng)的 代表所收集能量的電荷；以及輸入信號適配電路，所述輸入信號適配電路具有連接到所述 天線單元的輸入和連接到所述整流單元的所述至少一個收集電路的輸出，所述輸入信號適 配電路操作為調(diào)節(jié)所述天線單元和所述至少一個收集電路的預(yù)定義電性質(zhì)，從而優(yōu)化所述 至少一個收集電路接收所述天線單元的電輸出。
[0013] 應(yīng)當(dāng)注意的是，在本申請中，詞語"單元"和"電路"是互換使用的，原因是他們實 際上指限定用于影響/處理電輸入的某些功能的一個或多個電路。
[0014] 收集電路包括：整流單元，所述整流單元包括多個整流器，每個整流器被配置成并 操作為接收AC電信號，生成相應(yīng)的DC電功率；以及電荷采集單元，所述電荷采集單元被配 置成并操作為從所述整流單元接收多個DC電功率，轉(zhuǎn)換DC電功率，并將DC電功率積累成 代表所收集能量的電荷。
[0015] 通常，天線單元可以是任何已知的適當(dāng)配置。不過，優(yōu)選可以使用本發(fā)明的新的天 線結(jié)構(gòu)。這種新的天線結(jié)構(gòu)包括至少兩個導(dǎo)電元件，所述至少兩個導(dǎo)電元件與電和磁性質(zhì) 中至少一個不同的不同的傳輸介質(zhì)關(guān)聯(lián)。應(yīng)當(dāng)理解，在本文中這種結(jié)構(gòu)只在它響應(yīng)于結(jié)構(gòu) 所暴露的電磁輻射（典型情況是RF輻射）并提供相應(yīng)的電輸出（響應(yīng)信號）的意義上稱 作"天線單元"。
[0016] 在一些實施例中，這樣的至少兩個不同的傳輸介質(zhì)例如可以包括至少兩個不同的 有生命的組織（在這種情況下，天線單元可以植入主體中）；或者可以包括有生命的組織和 空氣（在這種情況下，天線單元附連到主體）。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的天線單元不局限于 這些示例，也不局限于任何具體的介質(zhì)。
[0017] 輸入信號適配單元被配置成并操作為通過將天線單元和整流單元的電參數(shù)（例 如阻抗）進(jìn)行匹配來優(yōu)化收集電路的整流單元接收天線輸出。
[0018] 在一些實施例中，輸入信號適配單元包括阻抗匹配單元和連接到阻抗匹配單元的 濾波單元。阻抗匹配單元被配置成匹配天線單元的阻抗和濾波單元的阻抗。濾波單元被配 置成并操作為將所接收的在環(huán)境中傳播的RF頻帶排序成預(yù)定數(shù)目的子帶，每個子帶具有 預(yù)定值的中心頻率、帶寬和強度。子帶的預(yù)定數(shù)目對應(yīng)于整流單元中整流器的數(shù)目。
[0019] 在一些實施例中，輸入信號調(diào)節(jié)單元包括適配阻抗匹配單元和連接到適配阻抗匹 配單元并對其進(jìn)行配置和操作的控制單元。適配阻抗匹配單元被配置成并操作為可控地將 整流單元的整流器的阻抗調(diào)節(jié)成由天線單元接收的多個頻帶的信號強度。
[0020] 在一些實施例中，電荷采集單元包括信號求和單元，信號求和單元包括開關(guān)拓?fù)?電路和控制器。開關(guān)拓?fù)潆娐钒ㄅc整流單元中整流器的數(shù)目對應(yīng)的預(yù)定數(shù)目的電容器， 所有的電容器都電連接到儲存電容器。連接到各個整流器的輸出的電容器具有相對較小的 電容值，而儲存電容器具有相對較大的電容值。開關(guān)拓?fù)潆娐愤m于借助對應(yīng)的多個"小"電 容器在分別從多個整流器接收的多個DC信號之間可控地切換，以用于功率求和和在"大" 電容器上儲存相應(yīng)電荷。
[0021] 在一些實施例中，電荷采集單元包括信號求和單元,信號求和單元包括電壓至電 流單元。電壓至電流單元包括預(yù)定數(shù)目的電壓至電流轉(zhuǎn)換電路，電壓至電流轉(zhuǎn)換電路具有 分別連接到相應(yīng)數(shù)目的整流器的輸出的輸入并具有連到儲存電容器的輸出。電壓至電流單 元因此適于通過多個電壓至電流轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換并將從多個整流器接收的多個DC信號/功 率求和。
[0022] 所述系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括控制單元，所述控制單元連接到輸入信號適配單元（例 如阻抗匹配單元）和電荷采集單元中的至少一個?？紤]控制單元連接到包括上文描述的開 關(guān)拓?fù)潆娐返闹辽匐姾刹杉瘑卧?，控制單元操作開關(guān)拓?fù)湟越柚鄬^小電容值的對應(yīng)的 多個"小"電容器在分別從多個整流器接收的多個DC信號之間可控地切換，以用于功率求 和和在"大"電容器上儲存相應(yīng)電荷。
[0023] 應(yīng)當(dāng)注意，相同的輸入信號適配單元可以與多個收集電路關(guān)聯(lián)。同樣，相同的電荷 采集單元可以通過將電荷采集單元的輸入的數(shù)目調(diào)節(jié)為由多個收集電路限定的整流器的 總數(shù)，與多個收集電路關(guān)聯(lián)。
[0024] 收集單元可以包括用于將電荷采集單元的輸出（由形式為大電容器的電荷儲存 工具限定）連接到至少一個電負(fù)載的連接端口。至少一個電負(fù)載可以包括以下當(dāng)中的至少 一個：可充電電池、醫(yī)療裝置、電動汽車組件、用于家庭使用的電力裝置。醫(yī)療裝置可以包括 以下當(dāng)中的至少一個：起搏器、除顫器和助聽器。電動汽車組件包括以下當(dāng)中的至少一個： 電氣附件、音頻系統(tǒng)和放大器、TV和DVD系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、燈光和布線系 統(tǒng)。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的另一寬泛方面，提供了一種天線單元，所述天線單元被配置成并操 作為從環(huán)境中接收外部電磁輻射，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電信號。天線單元包括至少兩個導(dǎo)電元 件，所述導(dǎo)電元件位于電和/或磁性質(zhì)不同的至少兩個不同的傳輸介質(zhì)中。所接收的外部 電磁輻射在所述至少兩個導(dǎo)電元件之間產(chǎn)生電勢差，產(chǎn)生輸出電信號，從而允許從環(huán)境中 攝取外部電磁輻射。
[0026] 如上文提到的，在一些具體但非限制性示例中，不同的傳輸介質(zhì)可以包括不同的 有生命的組織；或者有生命的組織和空氣。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的又一寬泛方面，提供了一種與暴露到在環(huán)境中傳播的RF頻帶的電 磁輻射中的天線一起使用的輸入信號適配單元。所述輸入信號適配單元包括阻抗匹配單元 和連接到所述阻抗匹配單元的濾波單元。所述阻抗匹配單元被配置成并操作為將所述天線 單元的阻抗和所述濾波單元的阻抗進(jìn)行匹配，所述濾波單元適于將RF頻帶排序成預(yù)定數(shù) 目的子帶，每個子帶有預(yù)定頻率、帶寬和強度。
[0028] 本發(fā)明在其進(jìn)一步的寬泛方面涉及一種電荷采集單元，所述電荷采集單元包括信 號求和單元，所述信號求和單元適于接收多個DC電信號，將形式為儲存電容器上的電荷的 DC電信號求和，所述信號求和單元包括開關(guān)拓?fù)鋯卧碗妷褐岭娏鲉卧械闹辽僖粋€。
[0029] 所述開關(guān)拓?fù)鋯卧梢园A(yù)定數(shù)目的電容器，所述電容器具有相對較小的電容 值并分別連接到相應(yīng)數(shù)目的整流器的輸出以及連接到相對較大電容值的所述儲存電容器。 所述開關(guān)拓?fù)鋯卧m于借助預(yù)定數(shù)目的電容器在從所述整流器接收的DC電源之間可控地 切換，以用于功率求和。
[0030] 所述電壓至電流單元可以包括預(yù)定數(shù)目的電壓至電流轉(zhuǎn)換電路，所述電壓至電流 轉(zhuǎn)換電路具有分別連接到相應(yīng)數(shù)目的整流器的輸出的輸入和連接到所述儲存電容器的輸 出。所述電壓至電流單元因而被配置成并操作為通過所述電壓至電流轉(zhuǎn)換電路將從所述多 個整流器接收的多個DC電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換和求和。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031] 下文參照所附的附圖描述圖示本申請的變形的示例。在附圖中，出現(xiàn)在超過一個 圖中的相同的結(jié)構(gòu)、元件或零件通常在出現(xiàn)的所有圖中標(biāo)示相同的數(shù)字。附圖中示出的組 件和特征的尺寸通常是為呈現(xiàn)的方便和簡潔選擇的，不一定是按比例繪制的。所呈現(xiàn)的附 圖形式為示意圖示，因此，某些元件可以被大大簡化或者不是成比例繪制的，目的是為了圖 示簡潔。附圖不旨在是生產(chǎn)附圖。附圖在下文列出。
[0032] 圖1A-1D是示意性圖示本發(fā)明的能量收集系統(tǒng)的配置的幾個示例的框圖；其中， 在圖1A的示例中，系統(tǒng)主要組件的操作模式是無源模式，這種模式不需要另外的適配就能 獲得收集系統(tǒng)的適當(dāng)操作，在圖1B所示的示例中，系統(tǒng)主要組件的操作模式是有源模式， 這種模式需要將系統(tǒng)的特定單元的操作調(diào)節(jié)為收集過程的當(dāng)前狀態(tài)；圖1C和1D圖解說明 系統(tǒng)的主要組件的操作模式采用半有源模式的兩個示例。
[0033] 圖2是本發(fā)明的天線單元與植入到人體中的心臟起博器一起使用的一個示例的 示意圖示。
[0034] 圖3是本發(fā)明的天線單元與插入到個人的耳朵中的助聽器一起使用的另一示例 的示意圖示。
[0035] 圖4A-4B是示意性圖示本發(fā)明的兩元件天線系統(tǒng)的示例的框圖，兩元件天線系統(tǒng) 被配置成并操作為從環(huán)境中接收能量（圖4A)或者連接到發(fā)射單元（圖4B)。
[0036] 圖5是被配置成最大化RF收集系統(tǒng)的效率的濾波單元的示意框圖圖示。
[0037] 圖6是用于對整流元件的電容器充電的標(biāo)準(zhǔn)電路的示意框圖圖示。
[0038] 圖7是用于將小電容器的電荷積累到大電容器的系統(tǒng)的示意框圖圖示。
[0039] 圖8是在充電開關(guān)位置用于將小電容器的電荷積累到大電容器的系統(tǒng)的示意框 圖圖示。
[0040] 圖9是在放電開關(guān)位置用于將小電容器的電荷積累到大電容器的系統(tǒng)的示意框 圖圖示。
[0041] 圖10是在單一放電開關(guān)位置用于將小電容器的電荷積累到大電容器的系統(tǒng)的示 意框圖圖示。
[0042] 圖11是用于通過將所儲存的電荷轉(zhuǎn)換成電流源將小電容器的電荷積累到大電容 器的系統(tǒng)的示意框圖圖示。
【具體實施方式】
[0043] 盡管本申請的各個特征可以在單個實施例的背景下描述，但這些特征還可以單獨 地或以任何適當(dāng)組合提供。相反，盡管為了簡潔本申請在本文中是在分開的實施例的背景 下描述的，但本申請還可以在單個實施例中實現(xiàn)。而且，應(yīng)當(dāng)理解，本申請可以以各種方式 實現(xiàn)或?qū)嵺`，本申請可以在除了本文中下面所描述的示例性實施例之外的實施例中實現(xiàn)。 在說明書以及權(quán)利要求書中出現(xiàn)的描述、示例和材料不應(yīng)當(dāng)解讀為是限制性的，而是說明 性的。
[0044] 參照圖1A-1D，通過框圖，顯示了本發(fā)明的能量收集系統(tǒng)的配置的幾個實施例。所 述系統(tǒng)包括：諸如天線單元110、能量收集單元90和輸入信號適配單元125這樣的主要結(jié) 構(gòu)部分，能量收集單元90包括一個或多個收集電路，每個收集電路接收并處理天線單元 110的輸出。收集電路包括整流單元140和電荷采集布置150,兩者中任一個包括儲存電容 器，或者連接到具有這種儲存電容器的單獨的儲存單元170,用于積累表示所收集能量的電 荷。
[0045] 圖1A圖解說明能量收集系統(tǒng)配置100,其中，主要組件的操作模式是無源模式，即 不需要另外的適配就能獲得收集系統(tǒng)的適當(dāng)操作的模式。系統(tǒng)100包括天線單元110、能 量收集單元90和輸入信號適配單元125。收集單元90包括整流單元140和電荷采集布置 150。在此示例中，輸入信號適配單元125包括阻抗匹配單元120和濾波單元130,其操作將 在下面進(jìn)行描述。同樣，在此示例中，電荷采集布置150包括電壓至電流轉(zhuǎn)換器152,這將在 下面進(jìn)一步具體描述。
[0046] 通常，天線單元可以是任何已知的適當(dāng)種類。優(yōu)選地，系統(tǒng)100中使用的天線單 元110采用本發(fā)明的新的天線配置。此新配置的天線單元110包括至少兩個導(dǎo)體（導(dǎo)電元 件）112和113,他們位于構(gòu)成傳輸介質(zhì)115和116的至少兩個不同的物質(zhì)中，具有不同的電 和/或磁性質(zhì)。由于物質(zhì)115和116的不同的電和/或磁性質(zhì)，天線單元的環(huán)境中的RF輻 射在導(dǎo)電元件112和113上產(chǎn)生不同的電勢。兩個導(dǎo)電元件之間的電勢差通過收集電路由 收集單元90接收，然后被輸入適配單元125處理。為此目的，信號通過單元120經(jīng)歷阻抗 匹配，通過單元130經(jīng)歷濾波，單元120、130 -起操作以將天線單元110的阻抗調(diào)節(jié)成整流 單元140的阻抗，從而允許所接收信號的最佳傳送。
[0047] 通常，阻抗匹配單元120用來實現(xiàn)最大的電磁能量/功率從天線單元到收集單元 的傳輸。在此圖所示的配置中，天線單元110的阻抗包括傳輸介質(zhì)的阻抗和導(dǎo)電元件的阻 抗，他們將所接收的能量傳輸?shù)绞占瘑卧?。為了將最大的電磁功率從天線傳輸?shù)绞占瘑?元中，天線的阻抗需要等于（通常盡可能接近）收集單元阻抗的共軛復(fù)數(shù)，即 要滿足下面的條件：
[0048] Z天線=Z*收集單元
[0049] 阻抗匹配單元120可以包括適當(dāng)?shù)目梢园娙菰碗姼性M合的電路。通 常，阻抗匹配單元120可以是現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何適當(dāng)配置。
[0050] 所接收的信號然后傳送到濾波單元130。濾波單元130被配置成并操作作為光譜 過濾器，并包括一個或多個濾波器的陣列/集合，他們將從天線單元110接收的信號排序/ 分配到預(yù)定的頻帶。根據(jù)本發(fā)明的光譜過濾過程是非有源的過程，含義是主要涉及將具有 不同強度表征的不同信號頻率進(jìn)行排序。濾波單元的一個具體但非限制性示例將參照圖5 在下文中進(jìn)一步描述。濾波器的集合/陣列中的最后的每個濾波器的輸出可連接到整流單 元140中包括的多個整流器中的專用整流器。整流器被配置成將相應(yīng)的濾波RF信號根據(jù) 初級預(yù)期的信號強度轉(zhuǎn)換成DC信號，不需要通常消耗能量的有源匹配過程。
[0051] 整流單元140包括與電荷采集單元的信號求和元件關(guān)聯(lián)的整流器陣列。每個整流 器的輸出連接到適于接收多個DC電信號的信號求和元件，執(zhí)行求和，以便允許其儲存在儲 存電容器/單元170中。
[0052] 在圖1A的這個具體但非限制性示例中，整流單元140中每個整流器的輸出連接到 電壓至電流單元152中的相應(yīng)的電壓至電流轉(zhuǎn)換電路。電壓至電流單元152被配置成并操 作為將幾個DC電源相加成一個儲存單元170。應(yīng)當(dāng)注意，電壓至電流單元152優(yōu)選被配置 成允許無源地將幾個DC電源積累成公共儲存，不需要有源操作，不會引起短路和/或?qū)?個DC電壓源直接連接時通常會出現(xiàn)的求和DC電源之間的干擾影響，這將在后文參照圖11 詳細(xì)描述。儲存單元170被配置成采集全部所收集的能量，儲存單元170可以進(jìn)一步連接 到一個或多個電負(fù)載（未顯示），諸如可充電電池或電力裝置。
[0053] 圖1B圖解說明能量收集系統(tǒng)配置102的另一示例，其中，主要組件的操作模式是 需要控制單元將系統(tǒng)的特定單元的操作調(diào)節(jié)成收集過程的當(dāng)前狀態(tài)的有源模式。系統(tǒng)102 大致與上文描述的系統(tǒng)100類似地配置，因為它包括天線單元110,天線單元110優(yōu)選根據(jù) 本發(fā)明配置，即包括位于不同的傳輸介質(zhì)115和116中的兩個導(dǎo)體112和113,并包括收集 單元92和輸入信號適配單元125。類似于上文描述的示例，收集單元92包括整流單元140 和電荷采集布置150。在此示例中，輸入信號適配單元125包括適配阻抗匹配單元122和控 制工具180。適配阻抗匹配單元122被配置成將天線單元110的阻抗調(diào)節(jié)為整流單元140 的阻抗，從而允許最佳傳送所接收的信號。
[0054] 通常，為了從電磁波中收集能量，需要將從天線單元接收的收集能量整流，從而接 收可以重新用作能源的DC電能。整流單元的輸入特征阻抗是不穩(wěn)定的，可以根據(jù)整流器輸 入上的輸入RF水平的函數(shù)，從幾歐變成幾兆歐。此外，天線單元的特征阻抗可以是穩(wěn)定的 或者不穩(wěn)定的。允許將穩(wěn)定的或不穩(wěn)定的天線適配成不穩(wěn)定的輸入阻抗前端電路的一種技 術(shù)是適配阻抗匹配技術(shù)。
[0055] 適配阻抗匹配單元122被配置并由控制單元180操作以不斷地將天線阻抗適配成 收集電路的不穩(wěn)定特征阻抗。為此目的，控制單元180操作以控制阻抗匹配單元的參數(shù)，使 整流器的阻抗匹配天線單元的阻抗。控制單元180操作為根據(jù)收集電路上的輸入電壓改變 阻抗匹配單元122的阻抗?？刂茊卧?80被配置成并操作為通過根據(jù)在電路的預(yù)定位置測 量的電特征改變阻抗匹配單元122的阻抗，從而最大化電系統(tǒng)的效率?？刂齐娐?80操作 以改變阻抗匹配單元的輸入和輸出阻抗值中的至少一個，從而最大化預(yù)定位置的電壓?？?制單元可以是優(yōu)選由線性電子元件配置的電子單元或者在電子裝置上操作的軟件工具?？?制單元具有：至少兩個輸入端口，以檢測所述預(yù)定位置的電參數(shù)；比較器模塊，以比較所檢 測參數(shù)；以及至少一個輸出端口，以向阻抗匹配單元提供控制信號從而改變其阻抗。在圖 1B圖示的具體示例中，控制單元180適于根據(jù)所接收信號的強度控制阻抗的適配。
[0056] 所接收的信號然后傳送到整流單元140中的整流器，整流器被調(diào)節(jié)為將RF信號轉(zhuǎn) 換成DC信號。整流單元140的每個整流器的輸出連接到電荷采集布置150。在圖1B的示 例中，電荷采集布置150包括開關(guān)拓?fù)鋯卧?90和控制工具，電荷采集布置150被配置成并 操作為允許將幾個DC電源相加成一個儲存電容器單元170。電荷采集布置150的控制工具 和輸入信號適配單元125的控制工具可以合并在單獨的控制器中，或者可以是相同的控制 單元180的一部分。開關(guān)拓?fù)鋯卧?90包括幾個開關(guān)電路，其操作由相應(yīng)的（例如在控制 單元180中的）控制工具控制。開關(guān)拓?fù)鋯卧囊粋€示例的詳細(xì)描述將參照圖6-10在下 文中描述。儲存單元170采集全部的所收集能量，并且如上文所述，儲存單元170可以進(jìn)一 步連接到可充電電池或電力裝置。
[0057] 圖1C例示了收集系統(tǒng)103,其中，主要組件的操作模式是半有源模式，該模式要求 控制單元將系統(tǒng)的操作調(diào)節(jié)成收集過程的當(dāng)前階段。系統(tǒng)103大致類似于上文描述的系統(tǒng) 100和102配置，包括：天線單元110、收集單元93和輸入信號適配單元125,天線單元優(yōu)選 包括位于不同的傳輸介質(zhì)115和116中的兩個導(dǎo)體112和113。收集單元93具有至少一個 收集電路，以接收天線單元的RF輸出。收集單元93,其每個收集電路，類似于上文描述的示 例，包括整流單元140和電荷采集布置150,電荷采集布置150包括或連接到能量儲存電容 器單元170。系統(tǒng)103類似于上文描述的單元102 (圖1B)，原因是輸入信號適配單元125 包括適配阻抗匹配單元122和由控制單元180構(gòu)成的控制工具。適配阻抗匹配單元122被 控制單元180配置、控制以將天線單元110的阻抗調(diào)節(jié)為收集單元93 (整流單元）的阻抗， 從而允許最佳傳送所接收的信號，例如通過根據(jù)所接收信號的強度控制阻抗的適配。收集 單元93類似于上文描述的單元90 (圖1A)，原因是其電荷采集布置150被配置為電壓至電 流轉(zhuǎn)換器。因此，所接收的天線信號傳送到整流單元140中的整流器，該整流器被調(diào)節(jié)為將 RF信號轉(zhuǎn)換成DC信號。每個整流器的輸出連接到電壓至電流單元152,這允許將幾個DC 電源相加成一個儲存單元170,儲存單元170被配置成采集全部的所收集能量。如上文指出 的，儲存單元可以進(jìn)一步連接到可充電電池或電力裝置（未顯示）。
[0058] 圖1D圖解說明能量收集系統(tǒng)104的又一示例，系統(tǒng)的主要組件采用半有源操作模 式。系統(tǒng)103大致類似于上文描述的系統(tǒng)100U02和103配置，包括：天線單元110、收集 單元94和輸入信號適配單元125,天線單元110優(yōu)選包括位于不同的傳輸介質(zhì)115和116 中的兩個導(dǎo)體112和113,收集單元94具有用于接收天線單元的RF輸出的至少一個收集 電路。收集單元94(其每個收集電路）與上文描述的示例類似,包括整流單元140和電荷 采集布置150,電荷采集布置150包括或連接到能量儲存電容器單元170。系統(tǒng)104類似于 上文描述的單元100 (圖1A)，原因是其輸入信號適配單元125包括阻抗匹配單元120和濾 波單元130,他們被配置成將天線單元的阻抗調(diào)節(jié)為整流單元140的阻抗，從而允許最佳傳 輸所接收的信號。收集單元94類似于上文描述的單元92 (圖1B)，原因是其電荷采集布置 150包括開關(guān)拓?fù)鋯卧?90和由控制單元180構(gòu)成的控制工具，電荷采集布置150被配置成 并操作為允許將幾個DC電源相加成一個儲存單元170。
[0059] 所接收的信號傳送到整流單元140中包括的整流器，該整流器被調(diào)節(jié)成將RF信號 轉(zhuǎn)換成DC信號。根據(jù)此圖中圖示的變形，整流單元140的每個整流器的輸出從功能上連接 到開關(guān)拓?fù)鋯卧?90中的開關(guān)拓?fù)潆娐?，其允許將幾個DC電源相加成一個儲存單元170。 用于充電/放電配置的開關(guān)位置由控制單元180確定。
[0060] 應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明的原理不局限于上文提到的單元中任何一個的任何具體配置， 任何已知的適當(dāng)配置可以用在本發(fā)明的系統(tǒng)中，正如本領(lǐng)域的任何技術(shù)人員都可以配置， 只要這些單元具有上文描述的用于實施本發(fā)明的技術(shù)的功能特征。此外，本文中提供的收 集系統(tǒng)可以包括不用定制的天線，同時優(yōu)選至少兩個天線元件位于不同物質(zhì)（傳輸介質(zhì)） 中。如上文描述的，本發(fā)明的這種天線單元由于在導(dǎo)電元件周圍有不同的傳輸介質(zhì)，因而提 供最大增益增強，導(dǎo)電元件功能上產(chǎn)生允許從環(huán)境中攝取電磁輻射的天線效應(yīng)。
[0061] 導(dǎo)電元件被插入或附連到具有不同電和/或磁性質(zhì)（例如，導(dǎo)磁性、介電常數(shù)和導(dǎo) 電率）的至少兩個不同的傳輸介質(zhì)，以便提高天線的最大增益，從而功能上允許獲得更好 的天線性能。在本發(fā)明的一些應(yīng)用中，這種新的天線單元的至少一個導(dǎo)電元件位于與用戶 的身體接觸。如果天線附連到身體，不同的傳輸介質(zhì)因此可以是但不限于皮膚和空氣，或者 當(dāng)天線植入身體中時，傳輸介質(zhì)可以是但不限于兩種不同的組織類型，諸如肌肉和脂肪、肌 肉和細(xì)胞內(nèi)液、肌肉和脂肪組織、真皮和脂肪組織以及其任何其它的組合。新的天線還可以 用于在生命體外部使用，只要導(dǎo)電元件位于電和/或磁性質(zhì)彼此不同的至少兩個不同的物 質(zhì)中。
[0062] 電磁現(xiàn)象的普遍理論基于麥克斯韋方程，它構(gòu)成由四個成對的一階偏微分方程組 成的集合，對標(biāo)量源密度（散度）和矢量源密度（旋度）產(chǎn)生電場和磁場的空間和時間變 化。對于靜止的介質(zhì)，不同形式的麥克斯韋方程有：
[0063] (1) V D〇U)=p(r,t)(高斯電場定律）
[0064] (2) ▽. B(r't)=()(高斯磁場定律）
[0065] (3) Vx E(r,t)=- cB(r,t) / ? (法拉第定律）
[0066] (4) Vx H(r,t)=〇D(r,t) / ? + J〇;t)(安培定律）
[0067] 其中，E是電場密度[伏特/米];Η是磁場密度[安培/米];D是電通量密度[庫 侖/平方米];B是磁通量密度[特斯拉或韋伯/平方米];P是自由電荷密度[庫侖/立 方米];J是自由電流密度[安培/平方米]。
[0068] 麥克斯韋方程只涉及宏觀電磁場，只顯式涉及產(chǎn)生自由電流密度J(r，t)的自由 電荷的宏觀密度P (r，t)。束縛于介質(zhì)分子的宏觀電荷和電流密度的效應(yīng)由輔助幅值D和 Η指示，他們通過描述介質(zhì)行為的所謂本構(gòu)方程與電場E和磁場Η有關(guān)。通常，這些方程中 的量是位置（r)和時間（t)的函數(shù)。
[0069] 在自由空間中電磁場攜帶的功率密度由坡印廷矢量定義：
[0070] (5) S = E X Η [瓦特 / 平方米]
[0071] 它代表通過與傳播矢量r垂直的單位面積的功率。在物質(zhì)內(nèi)部，功率密度Sv[瓦 特/立方米]與提供給電荷分布的做功（或熱量）有關(guān)：
[0072] (6) Sv = dS/dv = E · J
[0073] 這稱為焦耳定律的點形式。
[0074] 在物質(zhì)內(nèi)部，引入附加物理量描述波與分子的相互作用。介電常數(shù)ε與電場和電 通量關(guān)聯(lián)，還與被稱作電極化矢量的新宏觀矢量Ρ [庫倫/平方米]關(guān)聯(lián)，諸如：
[0075] (7) D = ε Ε+Ρ
[0076] 對于為線性各向同性介質(zhì)的大多數(shù)材料，特別是人體組織，宏觀矢量Ρ可以認(rèn)為 是共線的，垂直于所施加的電場。因此，得到 ：
[0077] (8) Ρ = ε X eE
[0078] 其中，x e是物質(zhì)的電極化率（即物質(zhì)被極化的能力），D可以寫成：
[0079] (9) D = ε 〇 ε rE
[0080] 物質(zhì)中的磁行為涉及用下面關(guān)系式的類似處理：
[0081] (10) Η = Β/μ_Μ
[0082] (11) M = xmH
[0083] (12) B = μ 0 μ rH
[0084] 其中，μ是導(dǎo)磁率，\"1是磁化率。由于人體有非常小的磁效應(yīng)，所以這里我們忽 視了組織的磁性質(zhì)，只考慮其電性質(zhì)。通常，在任何給定點，電場Ε和電流密度J之間的關(guān) 系由歐姆定律給出：
[0085] (13) J (r, t) = σ E (r, t)
[0086] 其中，〇 [歐姆/米]是物質(zhì)的導(dǎo)電率。
[0087] 現(xiàn)在，考慮在空氣（"傳輸介質(zhì)A"）和物質(zhì)（"傳輸介質(zhì)B"）之間的邊界中的電磁 波的配置。在自由空間中，存在的場是純的電場E和磁場H，功率密度遵守坡印廷定律，、 =1以及μ^= 1。在人體中，場由電通量密度D和磁場密度Η表示（因為在沒有磁場效應(yīng) 情況下，Β = Η)，局部參數(shù)是物質(zhì)的介電常數(shù)ε(實際上是復(fù)數(shù)，寫成+je")) 和導(dǎo)電率σ。
[0088] 當(dāng)在自由空間中傳播的平面波與人體相互作用時，波的能量的一部分反射回空 氣，一部分能量穿透人體。在穿透部分中，一部分繼續(xù)在身體內(nèi)傳播，一部分由組織和骨骼 吸收。所吸收的功率可以相加，作為許多局部相互作用的整體。
[0089] (14) S (吸收）=0· 5 / Pv dv = 0· 5 / (E · J) dv = 0· 5 / 〇 | E 12dv
[0090] 因數(shù)0. 5指示耗散與平均功率而不與峰值功率有關(guān)。人體中所吸收的功率通常由 項目SAR(比吸收率）表示，比吸收率是：
[0091] (15) SAR = (〇 /2p ) |E|2
[0092] 其中，σ是任何特定面積的導(dǎo)電率[歐姆/米]，P是任何特定面積的質(zhì)量密度
[千克/立方米]。SAR數(shù)量的單位因此是[瓦特/千克]。SAR是RF暴露的安全標(biāo)準(zhǔn)的最 普通使用的指標(biāo)和度量。
[0093] 下面的表例示了在900MHz對于幾個組織的組織介電常數(shù)和導(dǎo)電率：
[0094] 組織 ε r σ (S/m) S~35 06 Mi~58 H ?~6 008 WM 49 Τ7? 血液~62 ~L5 軟骨~35 06
[0095] 上文描述的新天線單元優(yōu)選使用小型天線元件。例如，天線的導(dǎo)電元件的最大尺 寸明顯比為天線設(shè)計的波長更小。因此，它大大地降低天線的波形因素，因此降低承載天線 的負(fù)擔(dān)。而且，導(dǎo)電元件的小尺寸使得它一般可以植入生命體中，特別是人體中。
[0096] 導(dǎo)電元件可以是任何適當(dāng)?shù)男螤睿T如但不限于環(huán)形形狀（例如導(dǎo)電襯墊）或線 性形狀（例如導(dǎo)線）
[0097] 在本發(fā)明的一些應(yīng)用中，天線單元與醫(yī)療裝置一起使用。天線從環(huán)境中接收外部 電磁輻射，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電信號以操作醫(yī)療裝置。
[0098] 應(yīng)當(dāng)注意，盡管在上述的示例中，本發(fā)明的新的天線單元顯示為用在電磁收集系 統(tǒng)中，以提供改進(jìn)的環(huán)境能量攝取，此天線單元可以用在通信系統(tǒng)中以用于發(fā)射和接收數(shù) 據(jù)，以及用于例如在植入醫(yī)療裝置和外部元件/系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)/信號交換的通信的醫(yī)療 應(yīng)用中。
[0099] 在本發(fā)明的具體的但非限制性示例中，新的天線單元可以植入和/或附連到使用 醫(yī)療裝置（諸如起博器、心臟除顫器、助聽器、整形外科電脈沖產(chǎn)生裝置和可以植入或附連 到生命體的其它任何電裝置）的人體中。
[0100] 關(guān)于這一點，參照圖2,圖2示意性圖解說明本發(fā)明的系統(tǒng)與植入醫(yī)療裝置一起使 用，其中，天線單元210連接到人體200的體內(nèi)器官。在此示例中，天線單元210植入人體 200的心臟201中，收集單元90與除顫器270 (是一體的或者與其連接）關(guān)聯(lián)。天線單元 210的導(dǎo)電兀件212和213分別嵌入到兩個不同的傳輸介質(zhì)215和216,傳輸介質(zhì)例如可以 是心臟和心臟肌肉周圍的脂肪層。由于這兩個介質(zhì)215和216的電學(xué)性質(zhì)的差異，他們以不 同方式與周圍的RF輻射交互，因此在物質(zhì)中從而相應(yīng)地在導(dǎo)體212和213上獲得不同的電 勢，從而產(chǎn)生天線效應(yīng)，將來自環(huán)境的電磁輻射傳輸?shù)绞占瘑卧?90。盡管在附圖的示意中， 輸入信號適配單元顯示為連接到收集單元290的單獨的單元，但應(yīng)理解這種輸入信號適配 電路可以與如圖1A-1D的非限制性示例中所示的收集單元是一體的。同樣，應(yīng)當(dāng)注意盡管 在此示例中，輸入信號適配單元被稱作阻抗匹配單元220,但輸入信號適配單元以及整個收 集單元（接收器）290可以根據(jù)圖1A-1D的上述示例中的任何一個配置和操作。替代性地， 如上文提到的，所述系統(tǒng)可以使用連接到具有任何已知的適當(dāng)阻抗匹配電路的任何已知的 適當(dāng)能量收集裝置的本發(fā)明的新的天線單元。因此，天線單元210通過收集單元290連接 到除顫器270。應(yīng)當(dāng)清楚，在此圖中描述的所有的電路和裝置是示意性繪制的，以強調(diào)整體 配置。
[0101] 參照圖3,圖3示意性圖解說明本發(fā)明可以用于另一醫(yī)療應(yīng)用的方式。這里，本發(fā) 明的系統(tǒng)與助聽器380關(guān)聯(lián)。如圖中所示，天線單元310附連到耳朵300,使得天線單元的 導(dǎo)電元件312保持在空氣中（構(gòu)成傳輸介質(zhì)315)，而導(dǎo)電元件313通過其一端附連到耳 朵300 (構(gòu)成不同的傳輸介質(zhì)316)。導(dǎo)電元件312、313通過他們的自由端連接到收集單元 390 ;在本非限制示例中，連接是通過具有阻抗匹配電路320的單獨的輸入信號適配單元進(jìn) 行的。收集單元390的輸出（例如其儲存單元）連接到助聽器380。所有的電路和裝置是 示意性繪制的，以強調(diào)整體配置。如上文提到的，應(yīng)當(dāng)理解，收集單元連同阻抗匹配電路可 以具有任何已知的適當(dāng)配置，但優(yōu)選根據(jù)上文參照圖1A-1D例示的配置。
[0102] 現(xiàn)在參照圖4A和4B，他們分別圖解說明表示為400和400'的本發(fā)明的天線系統(tǒng) 的兩個示例。所述系統(tǒng)被配置成兩元件接收天線，其中，天線單元410包括分別嵌入不同的 傳輸介質(zhì)415和416中的導(dǎo)電元件412和413。在這些特定的非限制性示例中，導(dǎo)電元件 412具有閉環(huán)配置，或者是環(huán)狀元件（例如稱為"導(dǎo)電襯墊"），而導(dǎo)電元件413基本上是筆 直的條狀元件（例如稱為"導(dǎo)線"）。應(yīng)當(dāng)理解，導(dǎo)電元件可以具有任何形狀/幾何形狀，例 如兩者都可以是導(dǎo)電襯墊或?qū)Ь€的形式。
[0103] 在圖4A的示例中，導(dǎo)電元件412和413通過阻抗匹配單元/電路420連接到收集 單元490 (例如根據(jù)如上文描述的本發(fā)明配置，或者任何其它能量采集單元），收集單元490 的輸出可以進(jìn)一步連接到電負(fù)載（未顯示）。在圖4B的示例中，導(dǎo)電元件412和413通過 阻抗匹配單元/電路420連接到為發(fā)射數(shù)據(jù)而配置的發(fā)射單元460。
[0104] 阻抗匹配單元420可以包括如參照圖1B和1C例示的適配阻抗匹配電路，或者替 代性可以包括如上文參照圖1A和1D大致例示的連接到濾波單元的阻抗匹配電路，這將參 照圖5更加具體地描述。
[0105] 本發(fā)明在其另一方面提供一種被配置成用于最大化能量收集系統(tǒng)的效率的新的 輸入信號適配單元。為此目的，輸入信號適配單元被配置為由阻抗匹配單元/模塊和濾波 單元/模塊形成的專用無源阻抗匹配濾波電路。濾波單元的配置和操作基于這樣的事實， 即在來自環(huán)境的RF收集系統(tǒng)中，可以預(yù)先定義大多數(shù)收集信號的頻率和強度（力量），即信 號的頻率和強度或者是已知的優(yōu)選，或者是可預(yù)測的，因此通過使用頻率過濾，可以實際上 針對不同強度（力量）將所接收信號進(jìn)行區(qū)別/排序。
[0106] 例如，預(yù)期在來自環(huán)境的RF收集系統(tǒng)的輸入信號中通常有兩種主要類型的信號， 這兩種類型都源于移動電話RF系統(tǒng)。第一種是從基站到蜂窩電話（下行）的信號，第二種 是從蜂窩電話到基站（上行）的信號。下行信號由相對較低水平的信號和與具有較高強度 的上行信號不同的頻率表征。RF射頻信號還預(yù)期具有與下行信號相同的頻率和強度特征。
[0107] 濾波單元可以包括：具有足夠?qū)挼念l帶以包括上行和下行頻帶的初級寬帶通濾波 器電路以及兩個或兩個以上窄帶濾波器電路（限定至少一對這樣的窄帶濾波器），其中的 一個或多個被配置成用于（若干）上行頻帶，其中的另外的一個或多個被配置成用于（若 干）下行頻帶。第一寬帶濾波器負(fù)責(zé)從收集天線接收RF信號，允許上行和下行頻率的信號 通過。每個窄帶濾波器負(fù)責(zé)允許AC信號在適當(dāng)?shù)念l帶通過，因此以適當(dāng)?shù)南鄳?yīng)強度到達(dá)專 用整流器，以便根據(jù)預(yù)期輸入強度匹配整流器的阻抗。窄帶濾波器可以并行操作，以便同時 允許不同的窄頻帶中的AC信號通過。
[0108] 要理解，在不同的地理位置，預(yù)期頻率范圍和預(yù)期強度可以不同，因此，寬帶濾波 器和窄帶濾波器的選擇可以因國家、地區(qū)而不同，和/或濾波器電路可以包括一對以上（例 如大的對數(shù)）的濾波器，以覆蓋寬帶濾波器和窄帶濾波器的多種組合。
[0109] 要理解，移動（蜂窩）技術(shù)和/或移動（蜂窩）傳輸協(xié)議的變化可以限定可用于 從環(huán)境中進(jìn)行收集的各種頻帶。然而，由于預(yù)計其頻率和強度的能力，可以設(shè)計專用的窄帶 濾波器和相應(yīng)的整流器。
[0110] 應(yīng)當(dāng)理解，上文論述的蜂窩上行和下行RF信號只是空氣中可用的RF信號的示例， 其它的信號也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。本發(fā)明的上述方面在圖5中例示，圖5是本發(fā)明的濾波 單元500的示意框圖圖示，用于最大化RF收集系統(tǒng)的效率。濾波單元500包括寬帶濾波器 510,寬帶濾波器510具有可以從收集系統(tǒng)天線（未顯示）接收交流射頻信號的輸入和連接 到窄帶濾波器的輸出，在圖5的示例中示出了兩個這種濾波器521和522。窄帶濾波器521 設(shè)計成允許蜂窩系統(tǒng)的上行頻率范圍內(nèi)的信號通過，并且并聯(lián)連接到窄帶濾波器522,窄帶 濾波器522設(shè)計成允許蜂窩系統(tǒng)的下行頻率范圍內(nèi)的信號通過。寬帶濾波器510被配置成 使上行和下行頻帶通過。
[0111] 窄帶濾波器521連接到為接收預(yù)計強度的信號而設(shè)計的專用整流器531，窄帶濾 波器522連接到為最佳地從濾波器522獲得預(yù)期頻率和強度的信號而類似設(shè)計的另一專用 整流器532。根據(jù)源于RF系統(tǒng)的在特定的頻帶中的預(yù)期強度參數(shù)（強度）匹配每個整流器 531和532的阻抗。
[0112] 為了實現(xiàn)上文描述的示例性濾波單元，本文中提供數(shù)字示例：中心頻率為1GHz、 帶寬（BW)為800MHz的輻射帶由天線接收。此頻帶包含需要被收集的期望頻率。根據(jù)此 特定示例的頻率是915MHz和950MHz。所接收的頻帶從天線傳輸?shù)降谝粚掝l帶濾波器，第 一寬頻帶濾波器允許傳輸中心為930MHz、60MHz的頻帶。從第一濾波器獲得的所接收信號 因此頻率介于900MHz到960MHz之間。并聯(lián)的第二和第三窄帶濾波器接收介于900MHz到 960MHz的信號，而第二濾波器設(shè)置為中心頻率為915MHz，BW為30MHz，第三濾波器設(shè)置為中 心頻率為945MHz，BW為30MHz。在915MHz頻段中所接收的信號強度預(yù)計范圍在（-30) dbm 到（-20) dbm內(nèi)，950MHz頻段中所接收的信號強度預(yù)計范圍在（-5) dbm到5dbm內(nèi)。
[0113] 連接到濾波單元的整流器單元包括相應(yīng)數(shù)目的整流器，連接到第二帶通濾波器的 整流器匹配為整流范圍在（-30) dbm到（-20) dbm的信號強度，連接到第三帶通濾波器的整 流器匹配為整流范圍在（-5) dbm到5dbm的信號強度。
[0114] 應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明既不限制上文描述的濾波單元中濾波器的數(shù)目，也不限制任何特 定的頻帶。在天線的環(huán)境中傳播的適合由這樣的濾波電路使用的另外的信號包括具有商用 無線電信道的先驗已知頻率和強度的那些信號。從商用無線電信道接收的預(yù)期信號強度 從（_50)dbm到（_40)dbm。在這種情況下，濾波器可以針對該信道頻率設(shè)置，相應(yīng)的整流器 可以匹配到（-50)到（_40)dbm的強度范圍。在并聯(lián)無線電信道的情況下，例如在88MHz和 108MHz之間，接收器（例如收集單元）可以匹配到從帶通濾波器接收的整個頻帶的強度。
[0115] 本發(fā)明在其又一方面提供適于用在能量收集系統(tǒng)中的新的電荷采集單元。本發(fā)明 的電荷采集單元配置為適于將來自相對較小電容器單元的電荷積累到大電容器單元的信 號求和工具。
[0116] 在本發(fā)明的一些實施例中，這種信號求和工具被配置成通過改變單元的各個組件 的拓?fù)鋪磉m當(dāng)?shù)胤e累電荷。在這種情況下，求和工具可以包括如相對較小的儲存充電電路 和連接到相對較大的儲存充電電路的開關(guān)電路的這樣的功能模塊/電路（可以是收集系統(tǒng) 中的儲存單元的電路）。
[0117] 小儲存充電電路包括多個電容器單元。小儲存充電電路例如可以適于積累從整流 單元（即多個整流器）的輸出獲得的電荷，并適于儲存在多個電容器單元上產(chǎn)生的電荷。小 儲存充電電路中的每個電容器單元可以包括串聯(lián)和/或并聯(lián)連接的多個電容器。
[0118] 開關(guān)電路可以適于確定電路的模式、限定其功能為充電功能或為放電功能。小儲 存充電電路的放電可以同時或者一次一個充電單元或者根據(jù)針對多個儲存充電單元的預(yù) 定時間模式執(zhí)行。開關(guān)電路中的多個開關(guān)可以獨立地操作，還可以根據(jù)預(yù)定開關(guān)模式連接、 開關(guān)（操作），例如某個開關(guān)根據(jù)本地鄰近的開關(guān)的操作狀態(tài)而被激活。開關(guān)電路中的多個 開關(guān)可以可控地根據(jù)參照圖1B和1D例示的來操作。
[0119] 本發(fā)明的電荷采集單元可以設(shè)計成與多個收集單元關(guān)聯(lián)。每個收集單元可以捕獲 RF能量、整流并將能量儲存為電容器單元上的電荷。在本發(fā)明的一些實施例中，多個收集單 元可以捕獲多個頻帶，其中，每個收集單元可以適于捕獲特定的頻帶。另外或替代性地，至 少兩個收集單元可以適于捕獲相似的頻帶。
[0120] 大儲存充電電路可以適于在大儲存充電單元中積累并儲存預(yù)先儲存在多個小電 容器單元中每一個的電荷，以便后續(xù)使用。大儲存充電電路可以包括串聯(lián)和/或并聯(lián)連接 的多個電容器。大儲存充電電路的輸出后面例如可以接以下當(dāng)中的一個或多個：升壓變換 器、穩(wěn)壓器、電池充電電路、電容器陣列、電負(fù)載。在一些實施例中，大儲存充電子單兀的輸 出可以被切換或持續(xù)短路連到電路。
[0121] 下文參照圖6-10提供各種開關(guān)選擇的一些示例。
[0122] 圖6是圖解說明可以用在本發(fā)明的能量收集系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)電荷采集電路600的示 意框圖。采集電路600包括多個充電電容器單元-在此非限制示例中示出了三個這種單元 621、622和623。在此示例中，電荷采集電路600操作以從包括多個整流器元件（在此非限 制示例中示出了三個這種元件611、612和613)的整流單元采集電荷。每個充電電容器單元 連接到整流器元件中的對應(yīng)一個整流器元件，并連接到地。每個整流器611、612和613從 收集天線單元或從位于天線單元和整流器之間的任何其它元件（例如輸入信號適配單元， 例如阻抗適配器）接收AC信號，對信號整流，相應(yīng)的能量作為電荷儲存在電容器單元621、 622和623的相應(yīng)一個電容器單元中。要理解，每個電容器單元可以配置為單電容器單元或 多電容器單元，在多電容器單元中，多個電容器可以以任何串聯(lián)和/或并聯(lián)連接來連接。還 要理解，每個整流器元件可以在類似的或不同頻帶接收AC信號。應(yīng)當(dāng)注意，電路600既不 限制整流器-電容器布置的具體數(shù)目，也不限制電容器的具體電連接，圖6只是電荷采集單 元的操作原理的一個示例。
[0123] 現(xiàn)在參照圖7,圖7是根據(jù)本發(fā)明配置和操作的電荷采集單元700的示意框圖圖 示。電荷采集單元700作為信號求和單元操作，包括多個小電容器單元-在此非限制示例中 示出了三個這種單元721、722和723。電容器單元721、722和723在一端通過開關(guān)電路分 別連接到整流器711、712和713,在另一端連接到地750。同時，在電荷采集單元700中提 供大電容器單元740,大電容器單元740通過開關(guān)電路連接到電容器單元721、722和723。 開關(guān)電路包括多個開關(guān)731、732、733、734和735,每個開關(guān)配置有兩種工作/操作位置1和 2。開關(guān)位置在位置1和2之間的分配決定開關(guān)電路的功能，這將參照圖8和9進(jìn)行描述。 如此圖中所示的，開關(guān)731、733和735選擇性將電荷采集單元700連接到整流單元。
[0124] 因此，每個整流器從收集天線或從將天線信號傳送到整流器的任何其它中間電路 接收AC信號。由整流單元的多個整流器中的每個整流器整流的能量作為電荷儲存在電荷 采集單元700的相應(yīng)電容器單元中。如圖中所示以自解釋方式，每個電容器單元在其另一 端選擇性通過相應(yīng)的兩狀態(tài)開關(guān)連接到地750或者大電容器單元740,在其另一端選擇性 通過其它的兩狀態(tài)開關(guān)連接到相應(yīng)的整流器或大電容器單元740。
[0125] 電荷采集單元按以下方式操作。開關(guān)731-735由控制器控制，控制器可以基于連 接到整流器的輸出的電容器721-723中每一個的實時監(jiān)控將開關(guān)變成任何給定模式（充電 /放電）?；趶拿總€電容器接收的這些信息（電壓水平），控制器可以確定是否將電路保 持在充電模式或者是否準(zhǔn)備好對儲存電容器放電。從電容器721-723接收的信息還可以指 示收集過程是否在繼續(xù)，此時達(dá)到的電壓水平是否是最大的?；诖诵畔ⅲ刂破鲗㈤_關(guān)轉(zhuǎn) 換到充電或放電模式。
[0126] 而且，控制器可以定義完全放電模式（當(dāng)所有電容器一起放電時）、半放電模式 (只有一些電容器放電，而其它電容器保持充電模式）和充電模式（所有電容器都在充 電）。
[0127] 控制器操作的另一種選擇是基于可編程模式（即預(yù)定值）。當(dāng)電容器721-723的 電壓達(dá)到特定電壓水平（如定義的）時，開關(guān)轉(zhuǎn)到放電模式。當(dāng)放電結(jié)束時（同樣可以定 義），開關(guān)轉(zhuǎn)回到充電模式。此方法允許有三種模式：完全放電、半放電和完全充電。
[0128] 應(yīng)當(dāng)理解，每個電容器單元721、722和723可以配置為單電容器單元或多電容器 單元，在多電容器單元中，電容器的陣列以串聯(lián)和并聯(lián)連接的某種組合連接。類似地，大電 容器單元740可以具有單電容器配置或者可以是在電容器之間采用適當(dāng)?shù)拇?lián)和/或并聯(lián) 連接的多電容器電路。
[0129] 應(yīng)當(dāng)理解，本文中例示的配置既不限制整流單元中整流器的數(shù)目，也不限制電荷 采集單元700中小電容器單元的數(shù)目。還應(yīng)當(dāng)清楚，此圖中描述的所有電路和裝置是示意 性繪制的，以強調(diào)整體配置。
[0130] 圖8和9示意性圖解說明本發(fā)明的電荷采集或信號求和單元800的另一示例。電 荷采集單元800大致類似于上文描述的單元700配置，即包括表示為821、822和823分別 連接到整流單元的多個整流器811、812、813，及在充電配置中通過包括多個開關(guān)831、832、 833、834和835的開關(guān)電路連接到大電容器單元840的多個小電容器單元。電容器單元 821、822和823 -端連接到整流器，另一端連接到地850。
[0131] 如上文提到的，小電容器單元821、822和823以及大電容器單元840可以包括以 串聯(lián)和/或并聯(lián)連接彼此連接的（若干）單電容器配置或（若干）多電容器配置。同樣，本 發(fā)明不限制整流單元中整流器的數(shù)目；小電容器單元的數(shù)目是根據(jù)整流器的數(shù)目選擇的。 而且，同樣如上文提到的，在此圖中描述的所有電路和裝置是示意性繪制的，以強調(diào)整體配 置。
[0132] 配置800在開關(guān)元件831、832、833、834和835有稍微不同的配置不同于上文描述 的圖7的示例。每個開關(guān)831、833、835選擇性將相應(yīng)的電容器單元連接到相應(yīng)的整流器 或大電容器單元840,其它開關(guān)選擇性將相應(yīng)的電容器單元連接到地850或大電容器單元 840。
[0133] 圖8顯示了與充電配置對應(yīng)的求和單元800的開關(guān)配置。每個電容器單元直接連 接到其相應(yīng)的整流器，被充電。要理解，電容器單元821、822和823可以充不同電荷。
[0134] 圖9顯示了處于放電配置的圖8的信號求和單元800。如圖所示，開關(guān)元件831、 832、833、834和835處于將每個小電容器單元821、822和823連接到大電容器單元840的 開關(guān)位置拓?fù)?。在此放電配置中，所有的小電容器單?21、822和823串聯(lián)連接，他們的合 成電容器并聯(lián)連接到大電容器單元840，即電荷從小電容器單元821、822和823轉(zhuǎn)移到大電 容器單元840。開關(guān)狀態(tài)從圖8描述的拓?fù)涞綀D9描述的拓?fù)涞淖兓瘜?dǎo)致電荷從小電容器 單元821、822和823轉(zhuǎn)移到大電容器單元840。由于小電容器單元兩端的電壓比大電容器 單元840兩端的電壓高，所以電荷的流動是從小電容器單元指向大電容器單元，直到達(dá)到 平衡。
[0135] 圖10例示了圖8-9的信號求和單元800修改為具有單個放電配置。在此圖中圖 示的情形中，開關(guān)元件831、832和835處于開關(guān)位置拓?fù)?，此拓?fù)鋵⑿‰娙萜鲉卧?21和 823分別在一側(cè)連接到整流器811和813在另一側(cè)連接到地850,同時從大電容器單元840 上斷開。此開關(guān)配置是分別與（一個或若干）收集單元關(guān)聯(lián)的整流器811和813對電容器 821和823的充電配置。不過，開關(guān)元件833和834位于允許在并聯(lián)配置（即在放電位置） 將小電容器單元822連接到大電容器單元840的拓?fù)?。換言之，在圖10圖示的情形中，一 個或多個電容器單元可以放電，同時一個或多個其它電容器單元保持充電：小電容器單元 822可以向大電容器單元840放電，而其它電容器單元821和823保持充電。
[0136] 根據(jù)圖10的示例，開關(guān)元件833和835配置有三種可選位置，每個位置改變電路 的拓?fù)浜推涔δ?。這些開關(guān)元件當(dāng)處于第一操作狀態(tài)/位置時，將小電容器單元822和823 連接到相應(yīng)的整流器812和813,因此允許對電容器單元822和823充電。當(dāng)在開關(guān)元件 833和835的第二操作位置時，他們產(chǎn)生小電容器單元821、822和823的串聯(lián)連接，從而允 許同時將小電容器單元放電到大電容器單元840。這些開關(guān)元件的第三操作位置允許將小 電容器單元822或823直接放電到大電容器單元840。應(yīng)當(dāng)理解，小電容器單元821可以實 現(xiàn)自主地直接放電到大電容器單元840。
[0137] 如上文指出的，此實施例的求和單元也不局限于任何特定數(shù)目的小電容器單元， 此數(shù)目對應(yīng)于整流單元中整流器的數(shù)目，在此圖中描述的所有電路和裝置是示意性繪制 的，以強調(diào)整體配置。
[0138] 如參照圖1A和1C在上文描述的，在本發(fā)明的一些實施例中，電荷采集單元或信號 求和單元允許通過將連接到整流器的輸出的電容器上形成的電壓轉(zhuǎn)換成電流源在收集系 統(tǒng)中積累電荷。在這種變形中，求和單元包括小儲存充電工具/電路、電壓至電流轉(zhuǎn)換器工 具/電路以及大儲存充電工具/電路。
[0139] 小儲存充電電路可以主要適于通過如上文所述使用多個電容器單元儲存通過多 個整流器獲得的電荷。電壓至電流轉(zhuǎn)換器電路可以被配置成在達(dá)到閾值時將小儲存充電工 具中形成的電壓轉(zhuǎn)換成電流以傳送到大儲存充電工具。大儲存充電工具可以被配置成積累 并將來自電壓至電流轉(zhuǎn)換的電流以電荷形式儲存在大儲存充電單元中，以用于后續(xù)使用。
[0140] 在本發(fā)明的一些實施例中，小儲存充電電路可以設(shè)計為多個收集單元。每個收集 單元可以捕獲RF能量、整流并將能量儲存為電容器單元上的電荷。
[0141] 多個收集單元可以捕獲多個頻帶，其中，每個收集單元可以適于捕獲特定的頻帶， 或者至少兩個收集單元可以適于捕獲與其它收集單元的那個/那些頻帶不同的類似頻帶。
[0142] 多個收集電路可以具有多個電容器值。在一些實施例中，小儲存充電電路中的多 個電容器單元中的每個電容器單元可以包括串聯(lián)和/或并聯(lián)連接的多個電容器（電容器陣 列）。
[0143] 小儲存充電單元的放電可以通過使用電壓至電流轉(zhuǎn)換器單元將多個電容器單元 中每個電容器單元上形成的電壓轉(zhuǎn)換成電流來執(zhí)行。電壓至電流轉(zhuǎn)換器電路的多個電壓至 電流轉(zhuǎn)換器單元可以獨立地操作；和/或可以由控制器操作，控制器控制所有的電壓至電 流轉(zhuǎn)換器單元或其中一部分。電壓至電流轉(zhuǎn)換器單元可以具有限定觸發(fā)電壓至電流轉(zhuǎn)換的 最小電壓的電壓閾值。電壓至電流轉(zhuǎn)換器單元的電壓閾值可以是不同的；也可以由控制器 改變。
[0144] 多個電壓至電流轉(zhuǎn)換器單元可以基本上同時操作，這是因為每個單元獨立操作， 不會干擾其它單元轉(zhuǎn)換的電流。
[0145] 每個電壓至電流轉(zhuǎn)換器單元可以限制電流從大儲存充電電路向后流動到小儲存 充電電路，這是由于電壓至電流轉(zhuǎn)換器具有迫使電荷在特定方向流動的能力。
[0146] 大儲存充電電路可以包括串聯(lián)和/或并聯(lián)連接的多個電容器。在一些實施例中， 大儲存充電電路的輸出可以連接到以下當(dāng)中的一個或多個：升壓變換器；穩(wěn)壓器；電池充 電電路；電容器陣列和電負(fù)載。在一些實施例中，大儲存充電電路的輸出可以被切換或總是 短路連到電路。
[0147] 圖11示意性圖解說明電荷采集單元或信號求和單元900的一個示例，電荷采集單 元或信號求和單元900用于積累與收集系統(tǒng)的整流工具的多個整流器911、912、913的輸出 對應(yīng)的電荷。信號求和單元900包括：小電容器電路，在本示例中小電容器電路由表示為 921、922和923的小電容器單元形成；電壓至電流轉(zhuǎn)換器電路，在本示例中，由多個電壓至 電流轉(zhuǎn)換器931、932和933形成；以及大電容器單元/電路940。小電容器單元921、922和 923在一端分別連接到整流器911、912和913以及電壓至電流轉(zhuǎn)換器931、932和933 ;在另 一端連接到地950。
[0148] 每個整流器從收集天線單元（或者從位于天線單元和整流器之間的任何其它中 間工具）接收AC信號，并對信號進(jìn)行整流。每個整流器911、912和913還連接到電壓至電 流轉(zhuǎn)換器931、932和933中的相應(yīng)一個。每個整流器911、912和913的電荷被儲存為小電 容器單元921、922和923中相應(yīng)一個的電荷，直到預(yù)定閾值。每個電壓至電流轉(zhuǎn)換器931、 932和933具有本征電壓閾值，該閾值將電壓至電流轉(zhuǎn)換器從斷開位置（不操作狀態(tài)）切換 到連接位置（操作狀態(tài)）。在電壓至電流轉(zhuǎn)換器931、932和933之一的斷開位置，來自相應(yīng) 整流器的所有電流流向相應(yīng)的小電容器單元。因此，在相應(yīng)的小電容器單元中的電荷積累 增大了相應(yīng)的小電容器單元上的電壓。當(dāng)達(dá)到電壓閾值時，相應(yīng)的電壓至電流轉(zhuǎn)換器作為 單向連接器操作，迫使在小電容器單元中形成的電荷直接流向大電容器單元940。
[0149] 要理解，每個小電容器單元921、922和923以及大電容器單元940可以配置為單 個電容器單元或者可以包括以串聯(lián)和并聯(lián)連接的某種組合連接的電容器陣列。還應(yīng)當(dāng)明 白，可以使用任何數(shù)目的整流器，小電容單元的數(shù)目和電壓至電流轉(zhuǎn)換器的數(shù)目是相應(yīng)選 擇的，在此圖中描述的所有電路和裝置是示意性繪制的，以強調(diào)整體配置。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于收集在環(huán)境中傳播的電磁能量的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括： 天線單元，所述天線單元被配置成從環(huán)境中接收外部電磁輻射，并且產(chǎn)生相應(yīng)的電輸 出； 收集單元，所述收集單元包括至少一個能量收集電路，每個能量收集電路被配置成并 操作為接收指示所述天線單元的輸出的信號，生成并儲存相應(yīng)的電荷，所述收集電路包括： 整流單元，所述整流單元包括多個整流器，每個整流器被配置成并操作為接收AC電信號， 生成相應(yīng)的DC電功率；以及電荷采集單元，所述電荷采集單元被配置成并操作為從所述整 流單元接收多個DC電功率，將所述DC電功率轉(zhuǎn)換并積累成表示所收集能量的電荷；以及 輸入信號適配電路，所述輸入信號適配電路具有連接到所述天線單元的輸入和連接到 所述整流單元的輸出，所述輸入信號適配電路被配置成并操作為調(diào)節(jié)所述天線單元和所述 整流單元的預(yù)定義電性質(zhì)，從而優(yōu)化所述收集電路接收所述天線單元的電輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述天線單元包括至少兩個導(dǎo)電元件，所述導(dǎo)電 元件位于電和磁性質(zhì)中的至少一個不同的至少兩個不同的傳輸介質(zhì)中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中，所述至少兩個不同的傳輸介質(zhì)包括至少兩個 不同的有生命的組織。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中，所述至少兩個不同的傳輸介質(zhì)包括有生命的 組織和空氣。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述輸入信號適配單元被配置成將所述天線單 元的阻抗調(diào)節(jié)成所述整流單元的阻抗。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述輸入信號適配單元包括阻抗匹配單元和連 接到所述阻抗匹配單元的濾波單元，所述阻抗匹配單元被配置成將所述天線單元的阻抗和 所述濾波單元的阻抗進(jìn)行匹配，所述濾波單元被配置成并操作為將所接收的在環(huán)境中傳播 的RF頻帶排序成預(yù)定數(shù)目的子帶，每個子帶具有預(yù)定中心頻率、帶寬和強度，子帶的預(yù)定 數(shù)目與所述整流單元中的整流器的數(shù)目相對應(yīng)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5項所述的系統(tǒng)，其中，所述輸入信號調(diào)節(jié)單元包括：適配阻抗匹配單 元，所述適配阻抗匹配單元被配置成并操作為可控地將所述整流單元的整流器的阻抗調(diào)節(jié) 成由所述天線單元接收的多個頻帶的信號強度；以及控制單元，所述控制單元可連接到所 述適配阻抗匹配單元，并被配置和操作為進(jìn)行所述適配阻抗匹配單元的操作。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述電荷采集單元包括信號求和單元，所述信號 求和單元包括開關(guān)拓?fù)潆娐泛涂刂破?，所述開關(guān)拓?fù)潆娐钒ǎ侯A(yù)定數(shù)目的電容器，所述電 容器具有相對較小的電容值，并分別連接到相應(yīng)數(shù)目的整流器的輸出；以及相對較大電容 值的儲存電容器，所述開關(guān)拓?fù)潆娐愤m于借助相應(yīng)的多個相對較小電容值的電容器在分別 從所述多個整流器接收的多個DC信號之間可控地切換，以用于功率求和和相應(yīng)電荷在相 對大的電容值的所述電容器上的儲存。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述電荷采集單元包括信號求和單元，所述信 號求和單元包括電壓至電流單元，所述電壓至電流單元包括預(yù)定數(shù)目的電壓至電流轉(zhuǎn)換電 路，所述電壓至電流轉(zhuǎn)換電路具有分別連接到相應(yīng)數(shù)目的整流器的輸出的輸入和連接到儲 存電容器的輸出，所述電壓至電流單元因此適于通過所述多個電壓至電流轉(zhuǎn)換電路將從所 述多個整流器接收的多個DC信號轉(zhuǎn)換并求和。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，包括控制單元，所述控制單元連接到所述輸入信號適 配單元和所述電荷采集單元中的至少一個，所述控制單元被配置并操作為控制所述收集電 路的操作。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述控制單元連接到至少所述電荷采集單元， 所述電荷采集單元包括開關(guān)拓?fù)潆娐?，所述開關(guān)拓?fù)潆娐钒ǎ侯A(yù)定數(shù)目的電容器，所述電 容器具有相對較小的電容值，并分別連接到相應(yīng)數(shù)目的整流器的輸出；以及相對較大電容 值的儲存電容器，所述開關(guān)拓?fù)潆娐愤m于借助相應(yīng)的多個相對較小電容值的電容器在分別 從所述多個整流器接收的多個DC信號之間可控地切換，以用于功率求和和相應(yīng)電荷在相 對大的電容值的所述電容器上的儲存。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述收集電路包括連接端口，所述連接端口用 于將所述電荷采集單元的輸出連接到至少一個電負(fù)載。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個電負(fù)載包括以下當(dāng)中的至少一 個：可充電電池、醫(yī)療裝置、電動汽車組件和用于家庭使用的電力裝置。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述醫(yī)療裝置包括以下當(dāng)中的至少一個：起搏 器、除顫器和助聽器。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述電動汽車組件包括以下當(dāng)中的至少一個： 電氣附件、音頻系統(tǒng)和放大器、TV和DVD系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、燈光和布線系 統(tǒng)。
16. -種用于前述權(quán)利要求中的任何一個所述的系統(tǒng)中的天線單元，所述天線單元包 括至少兩個導(dǎo)電元件，所述導(dǎo)電元件位于電和磁性質(zhì)中的至少一個不同的至少兩個不同的 傳輸介質(zhì)中，使得所接收的外部電磁輻射在所述至少兩個導(dǎo)電元件之間產(chǎn)生電勢差，產(chǎn)生 輸出電信號，從而允許從環(huán)境中攝取外部電磁輻射。
17. -種天線單元，所述天線單元被配置成并操作為從環(huán)境中接收外部電磁輻射并產(chǎn) 生相應(yīng)的輸出電信號，所述天線單元包括至少兩個導(dǎo)電元件，所述導(dǎo)電元件位于電和磁性 質(zhì)中的至少一個不同的至少兩個不同的傳輸介質(zhì)中，使得所接收的外部電磁輻射在所述至 少兩個導(dǎo)電元件之間產(chǎn)生電勢差，產(chǎn)生輸出電信號，從而允許從環(huán)境中攝取外部電磁輻射。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的天線單元，其中，所述至少兩個不同的傳輸介質(zhì)包括不同 的有生命的組織。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的天線單元，其被附連到生命體，其中，所述至少兩個不同的 傳輸介質(zhì)包括有生命的組織和空氣。
20. -種用于權(quán)利要求1-15中的任何一項所述的系統(tǒng)中的輸入信號適配單兀，所述輸 入信號適配單元包括阻抗匹配單元和連接到所述阻抗匹配單元的濾波單元，所述阻抗匹配 單元被配置成將所述天線單元的阻抗和所述濾波單元的阻抗進(jìn)行匹配，所述濾波單元適于 將RF頻帶排序成預(yù)定數(shù)目的子帶，每個子帶具有預(yù)定頻率、帶寬和強度。
21. -種與暴露到在環(huán)境中傳播的射頻（RF)頻帶的電磁輻射中的天線一起使用的輸 入信號適配單元，所述輸入信號適配單元包括阻抗匹配單元和連接到所述阻抗匹配單元的 濾波單元，所述阻抗匹配單元被配置成將所述天線單元的阻抗和所述濾波單元的阻抗進(jìn)行 匹配，所述濾波單元適于將RF頻帶排序成預(yù)定數(shù)目的子帶，每個子帶具有預(yù)定頻率、帶寬 和強度。
22. -種用于權(quán)利要求1至15中的任何一項所述的系統(tǒng)中的電荷采集單元，所述電荷 采集單元包括信號求和單元，所述信號求和單元適于接收多個DC電功率，以儲存電容器上 的電荷的形式將DC電功率求和，所述信號求和單元包括開關(guān)拓?fù)鋯卧碗妷褐岭娏鲉卧?中的至少一個。
23. -種用于能量收集電路中的電荷采集單元，所述電荷采集單元包括信號求和單元， 所述信號求和單元適于接收多個DC電功率，以儲存電容器上的電荷的形式將DC電功率求 和，所述信號求和單元包括開關(guān)拓?fù)鋯卧碗妷褐岭娏鲉卧械闹辽僖粋€。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的電荷采集單元，其中，所述求和單元包括開關(guān)拓?fù)鋯卧?控制器，所述開關(guān)拓?fù)鋯卧A(yù)定數(shù)目的電容器，所述電容器具有相對較小的電容值并 分別可連接到相應(yīng)數(shù)目的整流器的輸出以及連接到相對較大電容值的所述儲存電容器，所 述開關(guān)拓?fù)鋯卧m于借助所述預(yù)定數(shù)目的電容器在從所述整流器接收的DC電源之間可控 地切換，以用于功率求和。
25. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的電荷采集單元，其中，所述電壓至電流單元包括預(yù)定數(shù)目 的電壓至電流轉(zhuǎn)換電路，所述電壓至電流轉(zhuǎn)換電路具有分別可連接到相應(yīng)數(shù)目的整流器的 輸出的輸入和連接到所述儲存電容器的輸出，所述電壓至電流單元因而被配置成并操作為 通過所述電壓至電流轉(zhuǎn)換電路將從所述多個整流器接收的多個DC電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換和求和。
26. -種包括至少一個能量收集電路的能量收集單元，其中，每個能量收集電路被配置 成并操作為從天線單元接收信號，產(chǎn)生并儲存相應(yīng)的電荷，所述收集電路包括： 輸入信號適配電路，所述輸入信號適配電路可連接到天線單元的輸出；整流單元，所述 整流單元連接到所述輸入信號適配電路的輸出，所述整流單元包括多個整流器，每個整流 器被配置成并操作為接收AC電信號并產(chǎn)生相應(yīng)的DC電功率；電荷采集單元，所述電荷采集 單元被配置成并操作為從所述整流單元接收多個DC電功率，將所述多個DC電功率轉(zhuǎn)換并 積累成表示所收集能量的電荷； 所述收集電路具有以下配置中的至少一個： (a) 所述輸入信號適配單元包括阻抗匹配單元和連接到所述阻抗匹配單元的濾波單 元，所述阻抗匹配單元被配置成將所述天線單元的阻抗和所述濾波單元的阻抗進(jìn)行匹配， 所述濾波單元適于將RF頻帶排序成預(yù)定數(shù)目的子帶，每個子帶具有預(yù)定頻率、帶寬和強 度；以及 (b) 所述電荷采集單元包括信號求和單元，所述信號求和單元適于接收多個DC電功 率，以儲存電容器上的電荷的形式將DC電功率求和，所述信號求和單元包括開關(guān)拓?fù)鋯卧?和電壓至電流單元中的至少一個。
【文檔編號】H02J7/02GK104254958SQ201380008790
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2013年2月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月9日
【發(fā)明者】A·瑪儂瓦-埃里斯邦伊 申請人:胡瑪沃克斯公司