无线射频能量收集系统设计

发布时间：2021-05-13所属分类：电工职称论文浏览：1292次

摘 要： 摘要：微型电子设备供电方式仍是以电池为主，更换电池带来的困难使这些设备无法长久运行，无线射频能量技术为低功率微电子设备的供电提供了一种新的方式。文中设计了一套接收2.4GHz射频信号的射频能量收集系统，该系统主要由微型贴片天线、阻抗匹配电路、整

　　摘要：微型电子设备供电方式仍是以电池为主，更换电池带来的困难使这些设备无法长久运行，无线射频能量技术为低功率微电子设备的供电提供了一种新的方式。文中设计了一套接收2.4GHz射频信号的射频能量收集系统，该系统主要由微型贴片天线、阻抗匹配电路、整流升压电路和存储电路构成，利用ADS仿真工具验证了系统设计的可行性，当负载电阻在100kΩ，输入功率在-10dBm-5dBm之间时，能量转换效率均在30%以上，可实现低功率微电子设备的持续供电。

　　关键词：射频能量收集;接收天线;阻抗匹配电路;整流升压电路

　　0引言

　　随着无线通信技术的迅速发展，便携式和分布式无线设备应用越来越普及，如何为这些设备提供稳定可靠的电源正成为限制无线设备应用和普及的问题之一。无线射频能量收集技术的发展为低功率无线设备的供电提供了一种新的方式。无线射频能量收集系统既可以收集环境中的射频信号，也可以收集特定发射器产生的射频信号。文献[1]设计了一种基于超宽带阿基米德螺旋天线和半波乘法器电路的射频能量收集系统，在0dBm的输入功率下得到了30%的整流效率，且得到的输出电压及功率均可满足低功耗设备的工作需求，但是仍然避免不了能量收集系统体积过大的问题。文献[2]设计了一个以4-RF频带天线为接收天线的射频能量收集系统，该系统同时从GSM900(全球移动通信系统)、GSM1800、UMTS(全球移动通信系统)和WiFi频段获取能量，在4个射频波段均匀分布的10dBm累计输入功率下，能量转换效率为62%，在5.8dBm时达到84%，但是该系统的天线体积过大的问题仍然存在。一些最近的非常先进的研究[3-6]，采用CMOS的方案进行射频能量收集系统的设计;文献[7]已经实现在输入功率1MW的情况下转换效率高达74%，通过从外部给所述电路供电，并在CMOS配置中使用自体偏置技术来改变阈值电压并更快地打开晶体管，然而，在整流电路中已经达到高效率的方案没有使用真正的无源配置。文中以射频能量收集系统的小型化为出发点，利用二极管和电容组合的整流电路，设计了一个以接收2.4GHz射频信号为目的的能量收集系统。

　　1无线射频能量收集系统设计

　　无线射频能量收集系统可以将射频信号有效地转换成直流电能并且存储起来给负载供电，接收天线首先将环境中的射频信号收集起来，通过RF-DC整流器将射频信号转化成可供设备工作的直流电，为了实现接收天线到整流器间的最大功率传输，在天线与整流器之间设计了一个阻抗匹配电路，完整的射频能量收集系统结构如图1所示。

　　相关期刊推荐：电力职称论文适合发表哪些期刊

　　文中以接收2.4GHz的无线射频能量收集为例，设计了如图2所示的能量收集系统。

　　图2中，接收天线是系统的信号采集器，可以将环境中分布的射频信号转化成高频电信号，本系统选用的是一种工作在2.4GHz频率的同轴馈电的微型贴片天线;阻抗匹配电路用来保证射频能量的最大功率传输，该电路通过一个LC匹配网络实现;整流升压电路使用了一个三阶维拉德电路，既可以将交流电信号转换成稳定的直流信号，又可以起到提高输出电压的效果;存储电路是由大容量的电容器Cst构成，可以将收集的能量存储起来，并为负载供电。

　　1.1接收天线设计

　　接收天线用于接收环境中相应频段的射频电磁波能量，其结构与采集到的射频能量大小有很大的关系。合适的接收天线可以提供一个较高的初级电压，为射频能量采集器的设计提供保障。

　　对于信号较弱的WiFi信号，需要选择一个宽频带、高增益的接收天线来接收。由于不同的馈电方式对天线辐射性能有不同的影响，对微带馈电和同轴馈电这两种馈电方式进行对比:当采用微带线馈电时，微带线本身会产生辐射损耗，这种附加的损耗会对天线方向性参数产生不利影响，天线增益也会随之降低。文中选择一种以同轴馈电的天线馈电方式改进的贴片天线，并用ANSYS公司的ANSYSElectronicsDesktop软件对其进行建模仿真，建立的天线几何模型如图3所示，天线的几何参数如表1所示。

　　该天线的S11参数如图4所示。S11参数是表示在波端口处电磁波的反射功率和入射功率的比值的平方根。从S11参数图中可以看出天线的中心频率为2.4629GHz，上截止频率为2.3537GHz，下截止频率为2.5400GHz，绝对带宽为0.1863GHz，相对频带宽度为7.56%。

　　从图5史密斯圆可以看出，在中心频率2.46GHz时，该天线的输入阻抗已经很接近50Ω阻抗匹配。

　　电压驻波比(VSWR)是衡量天线性能的重要参数，天线正常工作时，一般要求天线的电压驻波比小于2。从图6中可以看出，在2.39GHz～2.53GHz频率内，电压驻波比小于1.5，满足正常天线工作的要求。该结果与S参数图得到的结果一致。

　　1.2匹配电路设计

　　为了有效提高天线所接收无线信号的电压幅值，本系统采用了如图2所示的匹配升压电路。图2中，Rm1为天线的50Ω特性阻抗;Lm为可调的匹配电感;Rm2、Cm分别为后级整流电路网络输入端口的等效输入电阻和电容。匹配升压电路采用LC匹配网络实现，将天线接收到的射频信号进行匹配升压，供给后继的整流升压电路。

　　1.3整流升压电路设计

　　本系统采用了维拉德整流升压电路将接受天线接收的高频电流进行整流和电压放大。维拉德电路输出的信号为直流，且单阶电路即可输出两倍于输入信号的电压，通过多阶电路级联可以产生更高的电压。三阶维拉德电路如图2所示，每一级整流升压电路包含两个肖特基二极管和两个电容器。图2中，C1、D1、C2、D2为维拉德电路第一阶，其中C1、D1产生第一个电压钳位，C2、D2实现峰值整流，当输入信号Vin为负半周期时，二极管D1导通，D2截止，电流通过D1将电能储存在C1中，由于电流通过D1时需要克服二极管的阈值电压Vin，因此C1的电压为：

　　3结语

　　射频能量收集技术目前正成为低功耗微型电子设备有效的供电方法之一，文中设计了一套接收2.4GHz射频信号的射频能量收集系统，该系统主要由微型贴片天线、阻抗匹配电路、整流升压电路和存储电路构成。仿真实验结果表明，在2.4GHz信号充足的室内，可实现低功率微电子设备的持续供电。——论文作者：杨涛，刘兴，李健，周洋

婵犵數濮烽弫鍛婃叏娴兼潙鍨傞柣鐔峰簻閼板潡寮堕崼娑樺婵炲懐濮垫穱濠囧Χ閸屾矮澹曢梺鍛婎殜娴滃爼寮婚妸鈺傚亞闁稿本绋戦锟�:闂傚倸鍊搁崐椋庣矆娓氣偓瀹曨垶骞愭惔銏＄彿闁瑰吋鐣崹娲矗韫囨稒鐓熼柕蹇婃嚉瑜版帒绀勯柣妯肩帛閻撴洟鏌熸导瀛樻锭闁哄鍠栭弻娑氣偓锝庡亞婢ь剟鏌曢崶褍顏€殿噮鍣ｅ畷鍫曗€栭鑺ュ磳婵﹤顭峰畷鐔碱敃閵囨妸鍥ㄧ厸閻忕偠顕ч埀顒佺墱缂傛捇鎳為妷銉х獮婵犮垼娉涢張顒勫疾婵傚憡鈷掑ù锝堟鐢盯鏌熺喊鍗炰簽婵″弶鍔欏鎾偐閹颁焦缍楅梻浣告惈閸燁偊鎮ч崱娆戜笉闁挎繂妫涚粻楣冩煕閳╁喚娈欓悗姘緲闇夋繝濠傚閸斻倝妫佹径鎰叆婵犻潧妫欓幖鎰版煕閺傛鍎愬ǎ鍥э躬椤㈡稑顫濋幑鎰儓闂備礁鎼惌澶屾崲濠靛棛鏆︽い蹇撴噺婵挳鏌涘☉姗堝姛濞存粍鐗犲缁樼瑹閳ь剟鍩€椤掑倸浠滈柤娲诲灦瀹曘垽宕ㄦ繝浣虹畾闂佺粯鍔栧ḿ娆戠箔瑜忕槐鎺楊敊鐟欏嫭鐝曢梺闈涚墳缂嶄礁鐣峰鈧俊鎼佹晜缂佹﹩妫ㄩ梻鍌氬€风欢姘缚閼姐倐鍋撻棃娑氱劯鐎规洏鍨洪妶锝夊礃閵娧屽晣闂備胶枪缁绘ê螞鐠恒劍宕查柛鈩兦滄禍婊堟煙闁箑鏋涢柡瀣闇夋繝濠傚暙閳锋梻绱掓潏銊﹀鞍闁瑰嘲鎳忛ˇ鐗堟償濡粯娅冮梻鍌欑劍閹爼宕濆鍜佹富闁芥ê顦介崵鏇㈡煙閹澘袚闁稿瀚伴弻锝夊箻閾忣偅宕冲銈嗘煥椤︻垶鈥旈崘顔嘉ч柛鈩冿供濮婂潡姊虹粙娆惧剱闁告梹娲熼敐鐐测攽鐎ｎ€晠鏌嶉崫鍕偓濠氬矗閸℃せ鏀介柣鎰綑閻忥箑鐣濋敐鍛仴闁诡喚鍋ら弻銊р偓锝冨妺缁ㄥ姊洪崫鍕妞ゃ劌妫楅埢宥嗙節閸曘劌浜炬繛鍫濈仢閺嬨倕顭胯椤ㄥ﹪鐛崱娑樼睄闁割偅绻嶅ḿ濠囨⒑閺傘儲娅呴柛鐕佸亰椤㈡梹瀵肩€涙ǚ鎷绘繛杈剧到閹诧繝骞嗛崼銉︾厱濠电姴濯遍崷顓炲疾闂備線娼ц噹闁稿本绮屾晶楣冩⒒娴ｈ櫣甯涢柛鏃€娲栬灒濠电姴娲ら悿顕€鏌涘☉妯兼憼闁绘挾濮烽惀顏堝级閸喛鍩炴繝鈷€鍌氬祮闁哄矉缍佹俊鐑藉Ψ閿曗偓濞堟姊洪崫鍕拱缂佸鍨块崺銏℃償閵娿儳鐤€濡炪倖甯掗崐椋庢濮椻偓濮婄粯绗熼埀顒€岣胯铻炴俊銈呮噹閻ゎ喖霉閸忓吋缍戠紒鐘靛枛閹鈽夊▍铏灦閸掑﹦鈧潧鎽滅壕濂告倵閿濆骸骞楃痪顓℃硾闇夋繝濠傚婢у灚鎱ㄦ繝鍐┿仢妤犵偞鍔栭幆鏃堟晲閸屾侗娼旈梻鍌欑閹碱偊鎮у⿰鍫濈婵ɑ澧庨崑鎾绘濞戞牕浠悗瑙勬礃閿曘垽銆佸▎鎾村殐闁冲搫鍟悙濠傗攽閻樺灚鏆╁┑顔绢棎婢ф繈姊虹粙娆惧剱闁圭ǹ澧藉Σ鎰板箻閹颁礁鎮戦梺绯曞墲閿曗晛螞閸愵喗鈷戠痪顓炴噺閻濐亪鏌熼悷鐗堝枠鐎殿噮鍋婇獮妯肩磼濡粯顏熼梻浣芥硶閸ｏ箓骞忛敓锟�.闂傚倸鍊搁崐椋庣矆娓氣偓瀹曨垶宕稿Δ浣糕偓鍫曟煕椤愮姴鍔氶柣鎺戠仛閵囧嫰骞掑鍥舵М婵犫拃灞界仭缂佺粯绋撴禒锕傚磼濮橈絽浜炬繝闈涱儏閽冪喖鏌ㄥ☉妯侯仱闁稿鎹囬弫鎰償閳ヨ尙鏁栭梻浣规た閸樺ジ顢栨径鎰摕婵炴垶鍩冮崑鎾绘晲鎼存繄鏁栭柡浣哥墦閹鈻撻崹顔界亞闂佸憡顨嗘繛濠囧Υ娴ｇ硶妲堟俊顖炴敱閻庡姊洪悷閭﹀殶濠殿噮鍙冨绋库枎閹剧补鎷绘繛杈剧悼鏋柟顔藉灦缁绘繈濮€閳藉懓鈧寧顨ラ悙璇у伐妞ゆ挸銈稿畷鍫曞煛閸愵亝娈介梻鍌欑閹碱偆绮旈弻銉ョ閹兼番鍔岄悡婵嬫煛閸愩劌鈧敻宕戦幘鑽ゅ祦闁割煈鍠栨慨搴♀攽閳藉棗浜濇い銊ワ工閻ｇ兘濮€閵堝懐顔婂┑掳鍊撻懗鍫曞储閹间焦鈷戦柛鎾村絻娴滀粙鏌涚€ｎ亜顏柡鍛埣椤㈡岸鍩€椤掆偓椤繘鎼圭憴鍕瀭闂佹寧绻傚Λ娆撴偟濮樿埖鍊甸悷娆忓缁岃法绱撳鍕槮妞ゆ洩缍佸畷婊勬媴閻熸壆锛忛梻渚€娼чオ鍨繆閸モ晝鐭撻柛鎾楀懐锛濋梺绋挎湰閻熴劑顢欐径鎰厱閻庯綆鍋呭畷宀勬煛瀹€瀣М妤犵偛顑夐幃娆撳幢濡櫣浼岄梺璇″枟椤ㄥ﹪銆佸璺虹劦妞ゆ帒瀚拑鐔兼煥濠靛棙濯兼繛灏栨櫊閺岋綁骞橀崘宸妷闂佽绻愬Λ娆戞崲濞戙垺鏅查柛娑卞枟閹瑩姊洪幐搴㈠濞存粠浜幃浼搭敊閻ｅ瞼鎳濋梺閫炲苯澧寸€殿噮鍋婇獮妯肩磼濡粯顏熼梻浣芥硶閸ｏ箓骞忛敓锟�,闂傚倸鍊搁崐椋庣矆娓氣偓楠炲鏁撻悩鍐蹭画濡炪倖鐗滈崑娑㈠垂閸岀偞鐓曟い顓熷灥娴滅偞銇勯埡鍐ㄥ幋闁哄本鐩、鏇㈡偐閼碱兛鎮ｉ梺璇查閻忔岸鎮￠敓鐘茶摕闁靛ň鏅滈崑鍡涙煕鐏炲墽鈽夋い蹇ユ嫹闂傚倸鍊峰ù鍥敋瑜忛埀顒佺▓閺呯姴鐣峰Ο鑽ょ瘈婵﹩鍘搁幐鍐⒑閸涘﹥澶勯柛瀣崌閹虫捇宕稿Δ浣哄弰闂婎偄娴勭徊鑺ョ閺嶎灐鐟扳堪閸曨厾鐓€闁剧粯鐗犻弻銊モ攽閸℃ê娅ｉ梺鍝勬閸嬨倝寮婚妸銉㈡闁惧浚鍋勯锟�婵犵數濮烽弫鎼佸磻濞戙垺鍋ら柕濞у啫鐏婇悗鍏夊亾闁告洦鍓欐禍閬嶆⒑閸涘﹣绶遍柛鐘冲哺閵嗗懘寮婚妷锔惧幍闂佺粯鍨堕敃鈺佲枔閺冨倻纾奸柍褜鍓熷畷鍗炩槈濞嗘垵骞楁繝纰樻閸ㄧ敻宕戦幇顔芥殰婵炴垯鍨洪悡鐔哥節閸偅灏伴悗姘炬嫹.