DE102018202330A1 - Energyharvesting-Architektur - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energyharvesting-Architektur, aufweisend eine Auffangeinheit für elektromagnetische Wechselfelder, wobei die Auffangeinheit mit der Eingangsseite (P1_Q1) eines ersten Quadraturkopplers (Q1) verbunden ist, und wobei auf der Ausgangsseite (P2_Q1) des ersten Quadraturkopplers (Q1) und der gekoppelten Ausgangsseite (P3_Q1) des ersten Quadraturkopplers (Q1) jeweils ein erster Gleichrichter angeordnet ist, weiterhin aufweisend mindestens einen zweiten Quadraturkoppler (Q2), wobei die Eingangsseite (P1_Q2) des zweiten Quadraturkopplers (Q2) mit der rückgekoppelten Seite (P4_Q1) des ersten Quadraturkopplers (Q1) verbunden ist und wobei auf der Ausgangsseite (P2_Q2) des zweiten Quadraturkopplers (Q2) und der gekoppelten Ausgangsseite (P3_Q2) des zweiten Quadraturkopplers (Q2) jeweil ein weiteren Gleichrichter angeordnet ist.Weiterhin betrifft die Erfindung eine Energyharvesting-Architektur, aufweisend eine Auffangeinheit für elektromagnetische Wechselfelder, wobei die Auffangeinheit mit einem ersten Port (Z1_P1) eines ersten Zirkulators (Z1) verbunden ist, und wobei an einem zweiten, nachfolgenden Port (Z1_P2) des ersten Zirkulators (Z1) ein erster Gleichrichter angeordnet ist, weiterhin aufweisend mindestens einen zweiten Zirkulator (Z2), wobei ein erster Port (P1_Z2) des zweiten Zirkulators (Z2) mit einem dritten Port (P3_Z1) des ersten Zirkulators (Z1) verbunden ist und wobei an einem zweiten, nachfolgenden Port (Z2_P2) des zweiten Zirkulators (Z2) ein zweiter Gleichrichter angeordnet ist.

Description

  • Elektrische Geräte benötigen für ihren Betrieb elektrische Energie. Diese elektrische Energie kann z.B. leitungsgebunden zur Verfügung gestellt werden. Andere Geräte, die z.B. tragbar sind, müssen elektrische Energie in einem Speicher mit sich führen. In anderen Umgebungen, wie z.B. in verbrennungsmotorgetriebenen Fahrzeugen, wird elektrische Energie mittels elektrischer Generatoren erzeugt. In einzelnen Branchen ist zudem festzustellen, dass elektrische Energie mittels drahtloser Übertragung, sei es zu Ladezwecken oder zum dauerhaften Betrieb, bereitgestellt wird.
  • Ein wesentlicher Aspekt der drahtlosen Übertragung von Energie im Nahbereich ist, dass Kabel und damit Gewicht eingespart werden kann. Zudem ist der Aufwand zur Verbindung von elektrischer Versorgung zum Gerät minimiert.
  • Es besteht daher eine große Nachfrage nach Lösungen, die eine drahtlose Energieversorgung ermöglichen.
  • Typischerweise werden für solche Lösungen, die allgemein unter dem Stichwort Energyharvesting bekannt sind, Gleichrichter (engl. rectifier) verwendet. Mittels eines Gleichrichter wird aufgefangene Strahlung in Gleichstrom gewandelt. Diese Gleichrichter beinhalten in aller Regel ein nichtlineares Bauelement, wie z.B. eine Schottky-Diode oder einen Transistor. Es ist jedoch bekannt, dass diese nichtlinearen Bauelemente nur in einem bestimmten Leistungsband eine hinreichende Effizienz aufweisen. So ist bekannt, dass für einen typischen 2.4 GHz Schottky-Diode basierten Gleichrichter mit Oberwellensteuerung die dynamische Breite, bei der eine Effizienz von mehr als 50 % bereitgestellt wird, ungefähr 10 dB beträgt. Die Effizienz fällt außerhalb dieser Bandbreite stark ab, wenn die Eingangsleistung zu stark oder zu schwach ist. Daher ist eine effektive Übertragung von Energie nur in einem sehr begrenztem, in aller Regel eng definierten Bereich, z.B. innerhalb eines Raumes / Schaltschrankes / in der Nähe des Senders, möglich. Dies führt auch dazu, dass bisherige Systeme in aller Regel auch den Sender der Energie mit enthalten.
  • Ein Grund für die mangelnde dynamische Bandbreite wurde von Christopher R. Valenta et al: „Harvesting Wireless Power," IEEE Microwave Magazine 2014 darin erkannt, dass wegen einer notwendigen Leistungsanpassung auf Grund variierender Impedanz bei variierender Eingangsleistung die dynamische Bandbreite limitiert ist. Als Lösung wurde von Yehui Han 2007 et al: „Resistance Compression Networks for Radio-Frequency Power Conversion," IEEE Transactions on Power Electronics 2007 ein Widerstandsnetzwerk vorgeschlagen, um die Impedanz-Variationen zu minimieren und damit die dynamische Bandbreite der Eingangsleistung zu erhöhen.
  • Ein weiterer Ansatz von Hiroto Sakaki et al: „A novel wide dynamic range rectifier design for wireless Power Transfer system," IEEE APMC 2014, sieht vor, unterschiedliche aktive Geräte mit unterschiedlichen Schwellspannungen bereitzustellen, um die dynamische Breite der Eingangsleistung zu erhöhen. Ein aktives Gerät ist für höhere Eingangsleistungen als eine Art Spitzengleichrichter und ein anderes aktives Gerät ist für geringere Eingangsleistungen ausgelegt. Mittels eines 3 dB-Zweigleitungskopplers, von dem ein Zugang geerdet ist, wird die Eingangsleistung auf die zwei Gleichrichter verteilt. Die Leistung am geerdeten Zugang wird auf die beiden Gleichrichter wegen des Kurzschlusses zurück reflektiert. Bei dieser Lösung ist es jedoch so, dass der Rückwärtsverlust des Eingangs wegen der unterschiedlichen Gleichrichter im Betrieb inakzeptabel sein kann. Um diesem Problem zu begegnen wurde von Xiu Yin Zhang et al: „High-Efficiency Broadband Rectifier With Wide Ranges of Input Power and Output Load Based on Branch-Line Coupler," IEEE TCAS I 2016 ein ähnliches Konzept vorgeschlagen, dass jedoch auf zwei identischen Gleichrichtern basiert. Dieser zeigt einen besseren Rückwärtsverlust über die Eingangsleistung und erhöht zudem die dynamische Bandbreite wegen des Vorteils des geerdeten Isolationsanschlusses. Alternativ zu einem 3 dB-Zweigleitungskoppler können in diesem Konzept auch Wilkinson-Leistungs-Teiler verwendet werden. Zwar stellt dieser Ansatz eine Verbesserung dar, jedoch ist der Vorteil gegenüber einem einfachen Gleichrichter bei erhöhtem Aufwand nur gering.
  • Ein weiterer Ansatz von Hucheng Sun „An Adaptive Reconfigurable Rectifier for Wireless Power Transmission," IEEE MWCL 2013 basiert darauf, dass die Eingangssignalpfade in Abhängigkeit von der Eingangsleistung konfiguriert werden. Bei dieser Lösung wird ein Transistor als Schalter benötigt und stellt damit für den Betrieb mit hohen Frequenzen an sich eine Hürde dar. Zudem stellt der Transistor auch einen Leistungsverlust dar und benötigt zudem zum Betrieb selbst Energie.
  • Als noch ein weiterer Ansatz kann Massimo Del Prete et al: „A 2.45-GHz Energy-Autonomous Wireless Power Relay Node," IEEE MTT 2015 gesehen werden, bei dem ein Gleichrichter basierend auf Zeitumkehreigenschaften eines Oszillators verbunden mit einem selbstvorspannenden Netzwerk verwendet wird. Durch das Netzwerk kann die dynamische Leistungsbreite erhöht werden, jedoch ist die Schaltung kompliziert und die Bandbreite der verwendbaren Bauteile ist gering.
  • Problem
  • Es wäre jedoch wünschenswert den dynamischen Bereich zu vergrößern, sodass eine erhöhte Flexibilität der Verwendung möglich wäre.
  • Aufgabe
  • Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung eine Energyharvesting-Architektur zur Verfügung zu stellen, die einen oder mehrere Nachteile aus dem Stand der Technik löst.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Energyharvesting-Architektur, aufweisend eine Auffangeinheit für elektromagnetische Wechselfelder, wobei die Auffangeinheit mit der Eingangsseite eines ersten Quadraturkopplers verbunden ist, und wobei auf der Ausgangsseite des ersten Quadraturkopplers und der gekoppelten Ausgangsseite des ersten Quadraturkopplers ein erster Gleichrichter angeordnet ist, weiterhin aufweisend mindestens einen zweiten Quadraturkoppler, wobei die Eingangsseite des zweiten Quadraturkopplers mit der rückgekoppelten Seite des ersten Quadraturkopplers verbunden ist und wobei auf der Ausgangsseite des zweiten Quadraturkopplers und der gekoppelten Ausgangsseite des zweiten Quadraturkopplers ein zweiter Gleichrichter angeordnet ist.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Energyharvesting-Architektur weiterhin aufweisend einen dritten Quadraturkoppler auf, wobei die Eingangsseite des dritten Quadraturkopplers mit der rückgekoppelten Seite des zweiten Quadraturkopplers verbunden ist und wobei auf der Ausgangsseite des dritten Quadraturkopplers und der gekoppelten Ausgangseite des dritten Quadraturkopplers ein dritter Gleichrichter angeordnet ist.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Eingangswiderstand des ersten Quadraturkopplers im Wesentlichen ungleich zum Eingangswiderstand des zweiten Quadraturkopplers.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die rückgekoppelte Seite des letzten Quadraturkopplers mit einem Lastwiderstand oder einem Gleichrichter abgeschlossen.
  • Gemäß einer weiteren Ausformung der Erfindung weist die Energyharvesting-Architektur eine Auffangeinheit für elektromagnetische Wechselfelder auf, wobei die Auffangeinheit mit einem ersten Port eines ersten Zirkulators verbunden ist, und wobei an einem zweiten, nachfolgenden Port des ersten Zirkulators ein erster Gleichrichter angeordnet ist, weiterhin aufweisend mindestens einen zweiten Zirkulator, wobei ein erster Port des zweiten Zirkulators mit einem dritten Port des ersten Zirkulators verbunden ist und wobei an einem zweiten, nachfolgenden Port des zweiten Zirkulators ein zweiter Gleichrichter angeordnet ist.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der weiteren Ausformung der Erfindung ist der erste Zirkulator ein passiver Zirkulator.
  • In noch einer weiteren Ausgestaltung der weiteren Ausformung der Erfindung ist an einem dritten Port des zweiten Zirkulators ein dritter Gleichrichter angeordnet.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Eingangswiderstand der am selben Quadraturkoppler bzw. Zirkulator angeschlossenen Gleichrichter im Wesentlichen gleich.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Eingangswiderstand des ersten Gleichrichters verschieden von dem Eingangswiderstand des zweiten Gleichrichters der am selben Quadraturkoppler angeschlossen ist.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liefern die Gleichrichter, welche an den Ausgängen eines Quadraturkopplers oder Zirkulators angeschlossen sind, eine Ausgangsspannung mit im Wesentlichen entgegengesetzter Polarität.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind insbesondere Gegenstand der abhängigen Ansprüche, Figuren und der detaillierten Beschreibung.
  • Figurenliste
  • Nachfolgend wird die Erfindung näher unter Bezug auf die Figuren erläutert. In diesen zeigt:
    • 1 eine Energyharvesting-Architektur gemäß Ausführungsformen der Erfindung
    • 2 eine Energyharvesting-Architektur gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
    • 3 eine Energyharvesting-Architektur gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung,
    • 4 eine weitere Energyharvesting-Architektur gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
    • 5-7 jeweils noch eine weitere Energyharvesting-Architektur gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
    • 8 eine alternative Energyharvesting-Architektur gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
    • 9 eine weitere alternative Energyharvesting-Architektur gemäß Ausführungsformen der Erfindung und
    • 10 einen Aspekt der Energyharvesting-Architektur gemäß Ausführungsformen der Erfindung
  • Ausführliche Darstellung der Erfindung
  • Nachfolgend wird die Erfindung eingehender unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt werden. Dabei ist anzumerken, dass unterschiedliche Aspekte beschrieben werden, die jeweils einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen können.
  • D.h. jeglicher Aspekt kann mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, soweit nicht explizit als reine Alternative dargestellt.
  • Weiterhin wird nachfolgend der Einfachheit halber in aller Regel immer nur auf eine Entität Bezug genommen werden. Soweit nicht explizit vermerkt, kann die Erfindung aber auch jeweils mehrere der betroffenen Entitäten aufweisen. Insofern ist die Verwendung der Wörter „ein“, „eine“ und „eines“ nur als Hinweis darauf zu verstehen, dass in einer einfachen Ausführungsform zumindest eine Entität verwendet wird ohne die Verwendung mehrerer Entitäten auszuschließen.
  • Insbesondere können auch Mischformen zur Verfügung gestellt werden, bei denen in einem Teil auf Merkmale der Ausführungsformen in Bezug auf die 1-7 und in einem anderen Teil auf Merkmale der Ausführungsformen in Bezug auf die 8 und 9 zurückgegriffen wird. D.h., obwohl diese Ausführungsformen nachfolgend überwiegend getrennt dargestellt werden, können diese auch in einer geeigneten Form zusammen zur Verwendung kommen.
  • Die erfindungsgemäßen Architekturen sind in der Lage die dynamische Bandbreite der nutzbaren Eingangsleistungen stark zu erhöhen.
  • Wie aus 1 ersichtlich basieren einige der erfindungsgemäßen Architekturen auf einem (Balanced) Gleichrichter, der in der Lage ist über einen weiten Bereich von Eingangsleitungen eine nahezu konstante Eingangsimpedanz aufzuweisen. Während in einem herkömmlichen Gleichrichter eine definierte Last am sogenannten Isolationsport P4 eines (Quadratur-) Kopplers Q1 angeordnet ist. Balanced Gleichrichter können beispielsweise auch als Paar von Gleichrichtern auftreten. Beispielsweise können die (Unter-) Gleichrichter R1 und R2 in 1 einen balanced Gleichrichter bilden.
  • Balanced wird im Rahmen der Erfindung im Sinne der Mikrowellentechnik verstanden, sodass für einen balanced Stromrichter / Gleichrichter die Eingangssignale des jeweiligen Teil- Strom-/ Gleichrichters die Phasenlage der Eingangssignale (bevorzugt) um 90° zueinander phasenverschoben sind.
  • Eine Energyharvesting-Architektur gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung kann nunmehr eine Auffangeinheit für elektromagnetische Wechselfelder aufweisen. Dies kann eine Antenne oder eine Vielzahl von Antennen sein. Antennen können auf bestimmte Arten von elektromagnetischen Wechselfeldern, z.B. Frequenz und/oder Polarisierung, eingestellt sein. Eine alternative Auffangeinheit kann z.B. der Anschluss an einen Koppler oder dergleichen sein, an dem eine reflektierte elektromagnetische Wechselspannung zur Verfügung steht. Z.B. kann bei einem (LINC/outphasing) Sender reflektierte Hochfrequenz anstatt in einer (abgestimmten) Last in Wärme umgesetzt zu werden genutzt werden. Der Einfachheit halber ist in den Figuren die Antenne/die Auffangeinheit als Wechselstromquelle Pin ersatzweise dargestellt.
  • Die Auffangeinheit ist mit der Eingangsseite P1_Q1 eines ersten Quadraturkopplers Q1 verbunden. Auf der Ausgangsseite P2 Q1 des ersten Quadraturkopplers Q1 und der gekoppelten Ausgangsseite P3_Q1 des ersten Quadraturkopplers Q1 ist jeweils ein erster Gleichrichter angeordnet. Diese ersten Gleichrichter kann ein balanced Gleichrichter sein.
  • In der Ausführungsform der 1 ist nun am Ausgang P4, im Unterschied zu Anordnungen aus dem Stand der Technik, kein Lastwiderstand angeordnet in dem die reflektierte Leistung verloren geht, sondern eine spezifisch eingerichtete Einrichtung D1, um die dort ankommende Leistung so weit möglich für Spannungsversorgungszwecke zu nutzen. Diese spezifisch eingerichtete Einrichtung D1 kann nun wie in 2 gezeigt ein weiterer Gleichrichter R3 oder ein weiterer (balanced) Gleichrichter (in Kombination mit einem weiteren Koppler Q2) wie in 3 sein. D.h. die rückgekoppelte Seite des letzten Quadraturkopplers kann mit einem (abstimmbaren) Lastwiderstand oder einem Gleichrichter abgeschlossen sein.
  • Die Energyharvesting-Architektur gemäß der Ausführungsform der 3 weist weiterhin mindestens einen zweiten Quadraturkoppler Q2 auf, wobei die Eingangsseite P1_Q2 des zweiten Quadraturkopplers Q2 mit der rückgekoppelten Seite P4 Q1 des ersten Quadraturkopplers Q1 verbunden ist und wobei auf der Ausgangsseite P2_Q2 des zweiten Quadraturkopplers Q2 und der gekoppelten Ausgangsseite P3_Q2 des zweiten Quadraturkopplers Q2 jeweils ein weiteren Gleichrichter angeordnet ist. Der zweite Gleichrichter R2 kann ein abgestimmter Gleichrichter sein. Der zweite Quadraturkoppler Q2 kann ebenso wie jeder weitere Quadraturkoppler Q3...Qm geeignet ausgestaltet sein. D.h. einzelne oder alle Quadraturkoppler können gleichartig sein.
  • Es sei dabei darauf hingewiesen, dass die Impedanz ZT in den 3-7 bzw. 10 nicht allgemein zu verstehen ist, sodass diese jeden geeigneten Wert annehmen kann. Dieser Wert kann z.B. 0 Ohm, 50 Ohm oder hoch-impedant sein. An der Stelle der Impedanz ZT kann natürlich auch, wie in 5 und 6 angedeutet, ein weiterer (oder mehrere) (Quadratur-) Koppler Q2 ...Qm angeordnet sein.
  • D.h. wird ein dritter Quadraturkoppler Q3 verwendet, so kann die Eingangsseite P1_Q3 des dritten Quadraturkopplers Q3 mit der rückgekoppelten Seite P4 Q2 des zweiten Quadraturkopplers Q2 verbunden sein, und auf der Ausgangsseite P2 Q3 des dritten Quadraturkopplers Q3 und der gekoppelten Ausgangsseite P3_Q3 des dritten Quadraturkopplers Q3 kann jeweils ein weiteren (abgestimmter) Gleichrichter angeordnet sein.
  • Als Beispiele für Gleichrichter sind in den Figuren Dioden aufgezeigt. Diese können, wie in 3 / 5 gezeigt, gleichgerichtet sein oder aber wie in 4 / 6 gezeigt gegenläufig gerichtet sein. D.h., in den Figuren ist allgemein davon auszugehen, dass die Richtung einer Stromrichtung für die Erfindung unwesentlich ist und der Fachmann die geeignete Stromrichtung wählen kann. Somit können entweder verschiedene Potentiale in Bezug auf ein geeignetes Bezugspotential oder aber wechselseitige Potentiale angeboten werden. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wäre es auch möglich, dass z.B. an einem ersten Koppler Q1 eine gegenläufige Dioden-Anordnung mit der Bereitstellung einer wechselseitigen Spannung Vout1 und an einem weiteren Koppler Q2 eine gleichläufige Dioden-Anordnung mit zwei weiteren Spannungen Vout2, Vout3 gegenüber einem geeigneten Bezugspotential zur Verfügung gestellt wird.
  • Weiterhin ist es auch möglich, dass der Eingangswiderstand Z_Q1 des ersten Quadraturkopplers Q1 im Wesentlichen ungleich ist zum Eingangswiderstand Z_Q2 des zweiten Quadraturkopplers Q2.
  • Ohne Beschränkung der Allgemeinheit ist es möglich die unterschiedlichen Koppler nicht nur auf bestimmte Leistungsbereiche hin zu verbessern, sondern es ist alternativ und/oder zusätzlich möglich die unterschiedlichen Koppler auf bestimmte Frequenzbereiche hin zu verbessern, sodass mehr „Übertragungs“-Bänder zur Leistungsgewinnung genutzt werden können, siehe 7. Es sei dabei angemerkt, dass Koppler und Gleichrichter in aller Regel zusammen optimiert werden.
  • Obwohl vorstehend Quadraturkoppler Q1...m aufgezeigt wurden, ist die Erfindung nicht auf diese Art von Koppler beschränkt. Vielmehr können auch andere Arten von Kopplern, z.B. Zweigleitungskoppler, Lange-Koppler, Richt-Koppler oder andere Koppler, die eine Phasendifferenz von 90° zwischen den Ausgängen P2 und P3 zur Verfügung stellen, insbesondere auch Zirkulatoren, wie in 8 und 9 gezeigt, zur Verwendung kommen. Es sei hier auch angemerkt, dass auch Mischformen möglich sind, d.h. Zirkulatoren und (Quadratur-) Koppler können auch in einer gemischten Anordnung verwendet werden.
  • Eine Energyharvesting-Architektur kann - wie in 8 und 9 gezeigt - auch eine Auffangeinheit für elektromagnetische Wechselfelder aufweisen. Die Auffangeinheit kann mit einem ersten Port Z1_P1 eines ersten Zirkulator Z1 verbunden sein, und an einem zweiten, nachfolgenden Port Z1_P2 des ersten Zirkulators Z1 kann ein erster (abgestimmter) Gleichrichter angeordnet sein. Am dritten Port kann wie in 8 gezeigt ein weiterer (abgestimmter) Gleichrichter angeordnet sein oder aber, wie in 9 gezeigt, kann die Energyharvesting-Architektur weiterhin mindestens einen zweiten Zirkulator Z2 aufweisen, wobei ein erster Port P1_Z2 des zweiten Zirkulators Z2 mit einem dritten Port P3_Z1 des ersten Zirkulators Z1 verbunden ist und wobei an einem zweiten, nachfolgenden Port Z2_P2 des zweiten Zirkulators Z2 ein zweiter (balanced) Gleichrichter angeordnet ist. Im Übrigen können die unterschiedlichen Formen wie zuvor auch hier analoge Verwendung finden.
  • Die verwendeten Zirkulatoren sind bevorzugt passiv. Sollte es vorteilhaft sein, einen (oder mehrere) aktive(n) Zirkulator(en) zu verwenden, so ist dies auch möglich.
  • Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann an den jeweils dritten Port eines Zirkulators ein weiterer Zirkulator, eine Last oder ein Gleichrichter angeschlossen sein, wie z.B. Gleichrichter R3 in 9.
  • Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann der Eingangswiderstand der am selben Quadraturkoppler angeschlossenen Gleichrichter, z.B. R1 und R2 in 1-7, im Wesentlichen gleich gewählt sein. Alternativ hierzu ist es aber auch möglich, dass der Eingangswiderstand des ersten Gleichrichters verschieden ist von dem Eingangswiderstand des zweiten Gleichrichters der am selben Quadraturkoppler angeschlossen ist.
  • Wird eine antiparallele Ausrichtung der Gleichrichter gewählt, so liegen unterschiedliche Polaritäten an den Anschlüssen an, sodass die erhaltenen Potentiale differentiell verwendet werden können.
  • In 10 wird nochmals das Konzept des balanced Gleichrichter aufgegriffen. Zin des balanced Gleichrichters wird (nahezu) konstant gehalten, wenn für den Reflektionskoeffizient ┌Ry1≈Ry2 gilt. D.h. die Eingangsimpedanz des balanced Gleichrichters ist unabhängig von der Eingangsimpedanz der Zugänge P2 und P3 der Ausgangsseite.
  • Mit den vorgeschlagenen Architekturen ist es möglich den Bereich der nutzbaren Eingangsleistung bei einer Frequenz und damit die Effizienz um mehr als 20 % (mehr als 30 %, mehr als 40 %) zu steigern.
  • Zudem sei angemerkt, dass die Erfindung nicht auf (balanced) Gleichrichter beschränkt ist, sondern dass in gleicher Weise an Stelle der Gleichrichter auch Wechselrichter oder allgemeine Stromrichter verwendet werden können.
  • Zudem kann die vorgestellte Architektur einfach in bestehende Konzepte integriert werden. Außerdem kann die vorgestellte Architektur auch mit anderen Techniken zur Verbreiterung der Dynamik verwendet werden.
  • Neben der zielgerichteten Bereitstellung von elektrischer Energie ist es aber auch möglich aus elektromagnetischer Strahlung bzw. (auch drahtgebundener) reflektierter HF-Leistung anderer Sender Energie zu beziehen, auch wenn die Abstrahlung der elektromagnetischen Strahlung nicht hierfür gedacht war. D.h., die Erfindung ermöglicht eine Entkoppelung von spezifischen Sendern und kann ganz allgemein dazu verwendet werden Energie aus unterschiedlichsten elektromagnetischen Quellen zu beziehen.
  • D.h. neben einer Verbesserung für einzelne Frequenzen erlaubt die Architektur eine flexible Nutzung über viele Frequenzen und Leistungen.
  • Somit wird gegenüber herkömmlichen Techniken die Reichweite und Flexibilität stark erhöht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Christopher R. Valenta et al: „Harvesting Wireless Power,“ IEEE Microwave Magazine 2014 [0005]
    • Yehui Han 2007 et al: „Resistance Compression Networks for Radio-Frequency Power Conversion,“ IEEE Transactions on Power Electronics 2007 [0005]
    • Hiroto Sakaki et al: „A novel wide dynamic range rectifier design for wireless Power Transfer system,“ IEEE APMC 2014 [0006]
    • Xiu Yin Zhang et al: „High-Efficiency Broadband Rectifier With Wide Ranges of Input Power and Output Load Based on Branch-Line Coupler,“ IEEE TCAS I 2016 [0006]
    • Hucheng Sun „An Adaptive Reconfigurable Rectifier for Wireless Power Transmission,“ IEEE MWCL 2013 [0007]
    • Massimo Del Prete et al: „A 2.45-GHz Energy-Autonomous Wireless Power Relay Node,“ IEEE MTT 2015 [0008]

Claims (10)

  1. Energyharvesting-Architektur, aufweisend eine Auffangeinheit für elektromagnetische Wechselfelder, wobei die Auffangeinheit mit der Eingangsseite (P1_Q1) eines ersten Quadraturkopplers (Q1) verbunden ist, und wobei auf der Ausgangsseite (P2_Q1) des ersten Quadraturkopplers (Q1) und der gekoppelten Ausgangsseite (P3_Q1) des ersten Quadraturkopplers (Q1) jeweils ein erster Gleichrichter angeordnet ist, weiterhin aufweisend mindestens einen zweiten Quadraturkoppler (Q2), wobei die Eingangsseite (P1_Q2) des zweiten Quadraturkopplers (Q2) mit der rückgekoppelten Seite (P4_Q1) des ersten Quadraturkopplers (Q1) verbunden ist und wobei auf der Ausgangsseite (P2_Q2) des zweiten Quadraturkopplers (Q2) und der gekoppelten Ausgangsseite (P3_Q2) des zweiten Quadraturkopplers (Q2) jeweils ein zweiter Gleichrichter angeordnet ist.
  2. Energyharvesting-Architektur nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend mindestens einen dritten Quadraturkoppler (Q3), wobei die Eingangsseite (P1_Q3) des dritten Quadraturkopplers (Q3) mit der rückgekoppelten Seite (P4_Q2) des zweiten Quadraturkopplers (Q2) verbunden ist und wobei auf der Ausgangsseite (P2_Q3) des dritten Quadraturkopplers (Q3) und der gekoppelten Ausgangsseite (P3_Q3) des dritten Quadraturkopplers (Q3) jeweils ein dritter Gleichrichter angeordnet ist.
  3. Energyharvesting-Architektur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Eingangswiderstand (Z_Q1) des ersten Quadraturkopplers (Q1) im Wesentlichen ungleich ist zum Eingangswiderstand (Z_Q2) des zweiten Quadraturkopplers (Q2).
  4. Energyharvesting-Architektur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die rückgekoppelte Seite des letzten Quadraturkopplers mit einem Lastwiderstand oder einem Gleichrichter abgeschlossen ist.
  5. Energyharvesting-Architektur, aufweisend eine Auffangeinheit für elektromagnetische Wechselfelder, wobei die Auffangeinheit mit einem ersten Port (Z1_P1) eines ersten Zirkulators (Z1) verbunden ist, und wobei an einem zweiten, nachfolgenden Port (Z1_P2) des ersten Zirkulators (Z1) ein erster Gleichrichter angeordnet ist, weiterhin aufweisend mindestens einen zweiten Zirkulator (Z2), wobei ein erster Port (P1_Z2) des zweiten Zirkulators (Z2) mit einem dritten Port (P3_Z1) des ersten Zirkulators (Z1) verbunden ist und wobei an einem zweiten, nachfolgenden Port (Z2_P2) des zweiten Zirkulators (Z2) ein zweiter Gleichrichter angeordnet ist.
  6. Energyharvesting-Architektur nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zirkulator (Z1) ein passiver Zirkulator ist.
  7. Energyharvesting-Architektur nach Anspruch 6 oder 7, wobei an einem dritten Port (P3_Z2) des zweiten Zirkulators (Z2) ein dritter Gleichrichter angeordnet ist.
  8. Energyharvesting-Architektur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Eingangswiderstand der am selben Quadraturkoppler angeschlossenen Gleichrichter im Wesentlichen gleich ist.
  9. Energyharvesting-Architektur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Eingangswiderstand des ersten Gleichrichters verschieden ist von dem Eingangswiderstand des zweiten Gleichrichters der am selben Quadraturkoppler angeschlossen ist.
  10. Energyharvesting-Architektur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gleichrichter, welche an den Ausgängen eines Quadraturkopplers angeschlossen sind eine Ausgangsspannung mit im Wesentlichen entgegengesetzter Polarität liefern.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114553024A (zh) * 2022-02-25 2022-05-27 西北工业大学太仓长三角研究院 一种宽功率动态范围整流器

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE60006286T2 (de) * 1999-12-14 2004-08-19 Ericsson Inc., Plano Antennenankopplungsysteme und verfahren für sender
DE102014206830A1 (de) * 2014-04-09 2015-10-15 Zf Friedrichshafen Ag Vorrichtung und Verfahren zur Energiegewinnung

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE60006286T2 (de) * 1999-12-14 2004-08-19 Ericsson Inc., Plano Antennenankopplungsysteme und verfahren für sender
DE102014206830A1 (de) * 2014-04-09 2015-10-15 Zf Friedrichshafen Ag Vorrichtung und Verfahren zur Energiegewinnung

Non-Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Christopher R. Valenta et al: „Harvesting Wireless Power," IEEE Microwave Magazine 2014
Hiroto Sakaki et al: „A novel wide dynamic range rectifier design for wireless Power Transfer system," IEEE APMC 2014
Hucheng Sun „An Adaptive Reconfigurable Rectifier for Wireless Power Transmission," IEEE MWCL 2013
M. Wei, Y. Chang, D. Wang, C. Tseng and R. Negra: Balanced RF Rectifier for Energy Recovery With Minimized Input Impedance Variation. In: IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 65, May 2017, 5, 1598-1604. *
M. Wei, Y. Chen, S. Qayyum, C. Tseng and R. Negra: Wideband six-port receiver using elliptical microstrip-slot directional couplers. IEEE Radio and Wireless Symposium (RWS), 2015, 10-12. IEEE [online]. *
Massimo Del Prete et al: „A 2.45-GHz Energy-Autonomous Wireless Power Relay Node," IEEE MTT 2015
Xiu Yin Zhang et al: „High-Efficiency Broadband Rectifier With Wide Ranges of Input Power and Output Load Based on Branch-Line Coupler," IEEE TCAS I 2016
Yehui Han 2007 et al: „Resistance Compression Networks for Radio-Frequency Power Conversion," IEEE Transactions on Power Electronics 2007

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114553024A (zh) * 2022-02-25 2022-05-27 西北工业大学太仓长三角研究院 一种宽功率动态范围整流器

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