發布時間：2021-05-13所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：微型電子設備供電方式仍是以電池為主，更換電池帶來的困難使這些設備無法長久運行，無線射頻能量技術為低功率微電子設備的供電提供了一種新的方式。文中設計了一套接收2.4GHz射頻信號的射頻能量收集系統，該系統主要由微型貼片天線、阻抗匹配電路、整
摘要：微型電子設備供電方式仍是以電池為主，更換電池帶來的困難使這些設備無法長久運行，無線射頻能量技術為低功率微電子設備的供電提供了一種新的方式。文中設計了一套接收2.4GHz射頻信號的射頻能量收集系統，該系統主要由微型貼片天線、阻抗匹配電路、整流升壓電路和存儲電路構成，利用ADS仿真工具驗證了系統設計的可行性，當負載電阻在100kΩ，輸入功率在-10dBm-5dBm之間時，能量轉換效率均在30%以上，可實現低功率微電子設備的持續供電。
關鍵詞：射頻能量收集;接收天線;阻抗匹配電路;整流升壓電路
0引言
隨著無線通信技術的迅速發展，便攜式和分布式無線設備應用越來越普及，如何為這些設備提供穩定可靠的電源正成為限制無線設備應用和普及的問題之一。無線射頻能量收集技術的發展為低功率無線設備的供電提供了一種新的方式。無線射頻能量收集系統既可以收集環境中的射頻信號，也可以收集特定發射器產生的射頻信號。文獻[1]設計了一種基于超寬帶阿基米德螺旋天線和半波乘法器電路的射頻能量收集系統，在0dBm的輸入功率下得到了30%的整流效率，且得到的輸出電壓及功率均可滿足低功耗設備的工作需求，但是仍然避免不了能量收集系統體積過大的問題。文獻[2]設計了一個以4-RF頻帶天線為接收天線的射頻能量收集系統，該系統同時從GSM900(全球移動通信系統)、GSM1800、UMTS(全球移動通信系統)和WiFi頻段獲取能量，在4個射頻波段均勻分布的10dBm累計輸入功率下，能量轉換效率為62%，在5.8dBm時達到84%，但是該系統的天線體積過大的問題仍然存在。一些最近的非常先進的研究[3-6]，采用CMOS的方案進行射頻能量收集系統的設計;文獻[7]已經實現在輸入功率1MW的情況下轉換效率高達74%，通過從外部給所述電路供電，并在CMOS配置中使用自體偏置技術來改變閾值電壓并更快地打開晶體管，然而，在整流電路中已經達到高效率的方案沒有使用真正的無源配置。文中以射頻能量收集系統的小型化為出發點，利用二極管和電容組合的整流電路，設計了一個以接收2.4GHz射頻信號為目的的能量收集系統。
1無線射頻能量收集系統設計
無線射頻能量收集系統可以將射頻信號有效地轉換成直流電能并且存儲起來給負載供電，接收天線首先將環境中的射頻信號收集起來，通過RF-DC整流器將射頻信號轉化成可供設備工作的直流電，為了實現接收天線到整流器間的最大功率傳輸，在天線與整流器之間設計了一個阻抗匹配電路，完整的射頻能量收集系統結構如圖1所示。
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文中以接收2.4GHz的無線射頻能量收集為例，設計了如圖2所示的能量收集系統。
圖2中，接收天線是系統的信號采集器，可以將環境中分布的射頻信號轉化成高頻電信號，本系統選用的是一種工作在2.4GHz頻率的同軸饋電的微型貼片天線;阻抗匹配電路用來保證射頻能量的最大功率傳輸，該電路通過一個LC匹配網絡實現;整流升壓電路使用了一個三階維拉德電路，既可以將交流電信號轉換成穩定的直流信號，又可以起到提高輸出電壓的效果;存儲電路是由大容量的電容器Cst構成，可以將收集的能量存儲起來，并為負載供電。
1.1接收天線設計
接收天線用于接收環境中相應頻段的射頻電磁波能量，其結構與采集到的射頻能量大小有很大的關系。合適的接收天線可以提供一個較高的初級電壓，為射頻能量采集器的設計提供保障。
對于信號較弱的WiFi信號，需要選擇一個寬頻帶、高增益的接收天線來接收。由于不同的饋電方式對天線輻射性能有不同的影響，對微帶饋電和同軸饋電這兩種饋電方式進行對比:當采用微帶線饋電時，微帶線本身會產生輻射損耗，這種附加的損耗會對天線方向性參數產生不利影響，天線增益也會隨之降低。文中選擇一種以同軸饋電的天線饋電方式改進的貼片天線，并用ANSYS公司的ANSYSElectronicsDesktop軟件對其進行建模仿真，建立的天線幾何模型如圖3所示，天線的幾何參數如表1所示。
該天線的S11參數如圖4所示。S11參數是表示在波端口處電磁波的反射功率和入射功率的比值的平方根。從S11參數圖中可以看出天線的中心頻率為2.4629GHz，上截止頻率為2.3537GHz，下截止頻率為2.5400GHz，絕對帶寬為0.1863GHz，相對頻帶寬度為7.56%。
從圖5史密斯圓可以看出，在中心頻率2.46GHz時，該天線的輸入阻抗已經很接近50Ω阻抗匹配。
電壓駐波比(VSWR)是衡量天線性能的重要參數，天線正常工作時，一般要求天線的電壓駐波比小于2。從圖6中可以看出，在2.39GHz～2.53GHz頻率內，電壓駐波比小于1.5，滿足正常天線工作的要求。該結果與S參數圖得到的結果一致。
1.2匹配電路設計
為了有效提高天線所接收無線信號的電壓幅值，本系統采用了如圖2所示的匹配升壓電路。圖2中，Rm1為天線的50Ω特性阻抗;Lm為可調的匹配電感;Rm2、Cm分別為后級整流電路網絡輸入端口的等效輸入電阻和電容。匹配升壓電路采用LC匹配網絡實現，將天線接收到的射頻信號進行匹配升壓，供給后繼的整流升壓電路。
1.3整流升壓電路設計
本系統采用了維拉德整流升壓電路將接受天線接收的高頻電流進行整流和電壓放大。維拉德電路輸出的信號為直流，且單階電路即可輸出兩倍于輸入信號的電壓，通過多階電路級聯可以產生更高的電壓。三階維拉德電路如圖2所示，每一級整流升壓電路包含兩個肖特基二極管和兩個電容器。圖2中，C1、D1、C2、D2為維拉德電路第一階，其中C1、D1產生第一個電壓鉗位，C2、D2實現峰值整流，當輸入信號Vin為負半周期時，二極管D1導通，D2截止，電流通過D1將電能儲存在C1中，由于電流通過D1時需要克服二極管的閾值電壓Vin，因此C1的電壓為：
3結語
射頻能量收集技術目前正成為低功耗微型電子設備有效的供電方法之一，文中設計了一套接收2.4GHz射頻信號的射頻能量收集系統，該系統主要由微型貼片天線、阻抗匹配電路、整流升壓電路和存儲電路構成。仿真實驗結果表明，在2.4GHz信號充足的室內，可實現低功率微電子設備的持續供電。——論文作者：楊濤，劉興，李健，周洋
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