论文部分内容阅读
射频能量收集技术通过收集射频电磁波信号可为低功耗的传感器、植入式生物医疗芯片等电子设备供电。作为当前环境中普遍存在的一种能量形式,射频能量具有绿色环保、供电稳定、适用范围广等特点。因此,射频能量收集技术具有广阔的发展空间和应用前景。本文针对物联网快速发展中传统电池供电需要巨大人力成本更换电池以及特殊环境下无法更换电池的问题,研究并设计了射频能量收集系统,针对传统射频能量收集系统仅仅收集单频段射频能量的缺点,设计了多频宽频射频能量收集系统。主要研究工作如下:(1)宽频接收天线设计研究。基于分形概念提出了2种新型自相似宽频天线结构,并进行了仿真与设计。第一种分形天线的仿真频宽从1.05GHz至3GHz,实测频宽从1.4GHz至2.9GHz。第二种分形天线的仿真频宽从0.93GHz至2.72GHz,实测频宽从1.0GHz至2.6GHz。为构建天线阵列提高增益,设计并制作了四等分功分器,该功分器仿真和实测结果表示在输入端口回波损耗达到20dB以上,输出端口回波损耗都达到15dB以上,说明输入输出端口皆匹配良好。四个输出端口之间隔离度都达到15dB以上,插损在6dB至7dB之间。将分形天线作为阵元天线和功分器组合成阵列天线,实测阵列天线的频宽从1.5GHz至2.6GHz,能完全覆盖GSM-1800、UMTS-2100、无线Wi-Fi 2.4G频段。另外研究了贴片开槽、介质板厚度与介电常数对天线频带的影响,通过引入两种模式、增加介质板厚度、降低介质板介电常数的方法设计了2种多频宽频开槽阵列天线。第一种微带开槽阵列天线的仿真频宽为1.82GHz-1.9GHz和2.06GHz-2.16GHz,实测带宽为1.8GHz-1.88GHz和1.95GHz-2.11GHz。第二种微带开槽阵列天线的仿真频宽为2.35GHz-2.59GHz,实测频宽为2.3GHz-2.53GHz。(2)匹配整流电路设计研究。为提高能量转换效率,对整流电路及匹配网络进行了设计优化。选用肖特基HSMS-2852二极管作为整流二极管,分析了在不同输入功率和不同输入频率下该二极管阻抗的变化。设计了单阶二倍压整流电路,优化了整流电路的电阻电容值。设计和制作了两种匹配电路,其中L型匹配网络覆盖无线Wi-Fi频段,T型宽频匹配网络处于GSM-1800、UMTS-2100频段内。实测在-10dBm输入功率下,电路的转换效率可达23%。(3)射频能量收集系统测试及应用研究。利用设计的天线、天线阵、匹配整流电路构成多种射频能量收集系统并进行测试分析。实测系统最高转换效率可达18%。单路系统实测结果显示,当系统的接收天线为分形天线时,在离无线Wi-Fi路由器10cm内输出功率为5μW当接收天线为开槽天线时在离无线Wi-Fi路由器10cm内输出功率为10μW。将分形天线与功分器组合成阵列天线形成多路系统,测试显示在离无线Wi-Fi路由器距离大概30cm处输出功率为5μW。最后基于开槽天线构建了两种立方体型能量收集系统,系统收集手机辐射信号,输出电压最高可达2.3V,输出电流为0.73mA,输出功率可达1.68mW,可同时点亮四个LED灯,驱动一个电子表和一个电子时钟。