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        環(huán)境WiFi能量采集系統(tǒng)的匹配網(wǎng)絡(luò)與整流電路設(shè)計(jì)

        2017-05-30 10:48:04徐力翔張曉紅游彬羅國清

        徐力翔 張曉紅 游彬 羅國清

        摘要

        設(shè)計(jì)了一款針對(duì)WiFi信號(hào)的環(huán)境能量采集系統(tǒng),工作頻率范圍從2.4 GHz到2.485 GHz。該系統(tǒng)采用了4倍壓整流電路,并設(shè)計(jì)了從天線到整流電路的寬帶匹配電路,提升了能量采集的效率。設(shè)計(jì)的寬帶匹配電路在WiFi工作頻率范圍內(nèi),S11均小于-10 dB。整流電路可將采集信號(hào)增加4倍,能有效提高RFDC轉(zhuǎn)換效率。測試結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的電路達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,在-10 dBm的輸入功率下,達(dá)到了40%的RFDC轉(zhuǎn)換效率,并使超級(jí)電容在30 min內(nèi)采集到了257 mV的電壓。關(guān)鍵詞環(huán)境能量采集;整流電路;阻抗匹配;射頻直流轉(zhuǎn)換效率

        中圖分類號(hào)P466

        文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

        收稿日期20161124

        資助項(xiàng)目浙江省教育廳科研計(jì)劃(Y201121456)

        作者簡介

        徐力翔,男,碩士生,研究方向?yàn)闊o線能量采集。479959241@qq.com

        張曉紅(通信作者),女,碩士,講師,研究方向?yàn)闊o線能量采集.xhzhang@hdu.edu.cn

        1杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院,杭州,310018

        0 引言

        近年來,智能家居、智能醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域中低功耗的電子器件需求大量增加,這些器件的能耗問題引起了廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)上使用可更換的電池來作為電子器件的能量來源,但在某些難以觸及或危險(xiǎn)的領(lǐng)域,更換電池變得不切實(shí)際,所以近年來發(fā)展火熱的新能源例如太陽能、風(fēng)能等成了這些低功耗電子器件的不二選擇。但這些新能源也存在一定的缺陷,例如在夜晚或者沒有太陽的日子里,太陽能裝置就無法工作。與傳統(tǒng)的新能源相比,無處不在的環(huán)境射頻能量具有其獨(dú)特的優(yōu)勢。1)來源廣泛:環(huán)境射頻能量可以從周圍無處不在的無線發(fā)射器獲得,包括移動(dòng)電話、手持無線電設(shè)備、移動(dòng)基站、電視/無線廣播臺(tái)、無線路由器等;2)能量穩(wěn)定:例如電視廣播信號(hào),能量采集系統(tǒng)可以進(jìn)行一整天的采集而不必?fù)?dān)心信號(hào)中斷消失[1]。所以,利用這些“免費(fèi)”并且取之不竭的環(huán)境射頻能量,是一項(xiàng)具有廣闊發(fā)展前景的課題,大量射頻能量采集的構(gòu)想被提了出來。文獻(xiàn)[2]提出了一個(gè)雙頻段的射頻能量采集系統(tǒng):在10 dBm的輸入功率下,工作在2.1 GHz能得到1.9 V的輸出電壓和24%的最大效率;工作在2.45 GHz能得到1.7 V的輸出電壓和19%的最大效率。文獻(xiàn)[3]提出的射頻能量采集系統(tǒng)在20 dBm的輸入功率下,能達(dá)到最高68%的效率。但以上這些設(shè)計(jì)要求的輸入信號(hào)功率較高,不適合WiFi信號(hào)的采集。

        WiFi是目前最常用的無線系統(tǒng),且經(jīng)過近年來無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,WiFi網(wǎng)絡(luò)已無處不在[4].近幾年,對(duì)周圍WiFi信號(hào)采集的研究已成為周圍能量采集的熱點(diǎn)之一[57]。本文設(shè)計(jì)了一款基于周圍WiFi信號(hào)的能量采集系統(tǒng),可有效采集周圍WiFi能量。

        1 基本原理

        周圍無線能量采集系統(tǒng)主要由天線、匹配網(wǎng)絡(luò)和整流電路等組成,其框圖如圖1所示。其中天線的主要功能是接收周圍環(huán)境中的射頻能量;整流電路的作用是將射頻能量轉(zhuǎn)換為直流能量輸出;匹配網(wǎng)絡(luò)用來將整流電路的輸入阻抗匹配到天線的輸出阻抗,以達(dá)到最大功率傳輸?shù)哪康摹?/p>

        說,射頻輸入能量很小,必須選擇零偏置二極管以保證最大的轉(zhuǎn)換效率。本文選擇了SMS7630這款肖特基二極管來作為整流器件,它具有極短的反向恢復(fù)時(shí)間,可以高速切換開關(guān)狀態(tài),且為零偏置的二極管。

        能量采集系統(tǒng)RFDC轉(zhuǎn)換效率如式(1)和(2)所示:

        1.2 匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

        WiFi信號(hào)總共有14個(gè)信道,通常采用IEEE 802.11 b/g/n標(biāo)準(zhǔn),頻率范圍為2.4~2.485 GHz,共83.5 MHz.由于整流電路由二極管構(gòu)成,在整個(gè)WiFi頻帶內(nèi),整流電路阻抗會(huì)隨頻率的不同而略有不同,如圖3所示。對(duì)于射頻系統(tǒng)來說,天線阻抗為50 Ω,需要在整個(gè)83.5 MHz的WiFi頻帶內(nèi)將50 Ω阻抗與整流電路阻抗進(jìn)行匹配。

        為了實(shí)現(xiàn)寬帶匹配,采用如圖4所示的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配,采用ADS軟件進(jìn)行了匹配電路的仿真設(shè)計(jì).表1所示為本文設(shè)計(jì)的匹配電路尺寸,圖5所示為匹配電路仿真結(jié)果。由圖5可見:2.443 GHz時(shí)達(dá)到了最佳匹配,S11為-29.248 dB;在整個(gè)WiFi工作頻段,匹配電路S11均小于-10 dB,保證了至少有90%的射頻能量能夠順利傳輸?shù)秸麟娐分?。在該結(jié)構(gòu)中,電容的取值并不會(huì)影響電路的匹配,只會(huì)影響到充放電的快慢,而各微帶線的尺寸及位置和電感值,則對(duì)匹配有較大影響。

        2 測試結(jié)果及分析

        根據(jù)仿真結(jié)果,本文采用介電常數(shù)為6.15,板厚為25 mil的RO3206高頻板設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了周圍WiFi能量采集電路,如圖6a所示。匹配電路測試結(jié)果如圖6b所示,在整個(gè)WiFi頻段內(nèi),S11均小于-10 dB,最佳匹配點(diǎn)是2.467 5 GHz,S11為-24.579 dB。與仿真結(jié)果基本一致,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

        由于射頻能量采集系統(tǒng)大多數(shù)被應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上,而傳感器具有一個(gè)工作時(shí)間占空比[6],這就要求當(dāng)傳感器進(jìn)入睡眠狀態(tài)時(shí),射頻能量采集系統(tǒng)能將能量儲(chǔ)存起來,等到傳感器工作時(shí),再為傳感器供電。本系統(tǒng)采用的儲(chǔ)能器件是超級(jí)電容。與普通電池相比,無論是充放電速度,還是可充放電的次數(shù),超級(jí)電容都要更勝一籌。此外,也可以使用一些專用的充電泵IC和升壓IC來進(jìn)行能量管理,但成本更高,電路也更為復(fù)雜。

        將圖2中的DC+和DC-分別接到超級(jí)電容的兩端,然后使用Agilent E8267D矢量信號(hào)發(fā)生器作為射頻源,輸入頻率為2.465 GHz,不同功率的連續(xù)波,為容值0.5 F的超級(jí)電容充電30 min,如圖7所示,測試結(jié)果如表2所示。

        此外,本系統(tǒng)也測試了把無線路由器作為射頻源的性能。要從無線路由器接收WiFi信號(hào),首先需要一款合適的天線。天線的增益、帶寬、方向性等因素直接影響到天線輸入到匹配網(wǎng)絡(luò)中的能量。本文選擇了一款增益為10 dBi的全向天線。將天線連接到能量采集系統(tǒng)后放置到路由器旁,進(jìn)行如圖8的測試,同樣為超級(jí)電容充電30 min,VC值如表3所示.

        3 結(jié)束語

        本文設(shè)計(jì)了一款針對(duì)WiFi信號(hào)的周圍能量采集系統(tǒng),包括倍壓整流電路及匹配電路,并進(jìn)行了加工測試,制作了一塊3 cm×3 cm大小的能量采集模塊,分別用矢量信號(hào)發(fā)生器和路由器對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了測試,30 min內(nèi)0.5 F的超級(jí)電容最多分別能采集到257 mV和31.6 mV,可有效地采集周圍WiFi信號(hào)并轉(zhuǎn)換為直流功率。

        參考文獻(xiàn)

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