黃七杰，李 亮，張小帥，李民權(quán)

（1.安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司建設(shè)分公司，安徽 合肥 230022）

0 引 言

近年來，無線通信技術(shù)得到了飛速發(fā)展，越來越多的移動電話基站、電臺、電視信號發(fā)射塔等設(shè)備被建，大大方便了人們的生活。但是，隨之而來，越來越多的無線射頻能量殘留在環(huán)境中。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，電子系統(tǒng)的功耗越來越低，出現(xiàn)了微瓦級功耗的電子系統(tǒng)，使得系統(tǒng)從周圍環(huán)境中收集能量供自身持續(xù)工作成為可能。越來越多的電子微系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，極大地推動了射頻能量回收的進(jìn)展[1]。通過將殘留在環(huán)境中的射頻能量回收作為“電池”為低功耗系統(tǒng)進(jìn)行供電，可以使能量有效循環(huán)。經(jīng)過多年研究，射頻能量收集技術(shù)取得了一定成果，特別是天線多頻帶、天線小型化和寬頻帶技術(shù)[2-4]的研究，促進(jìn)了射頻能量收集的發(fā)展。但是，目前的射頻能量收集仍然存在接收效率和輸出電壓低等問題。本文在分析射頻能量收集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對接收天線、匹配電路和倍壓整流電路進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了由天線陣列、射頻匹配網(wǎng)絡(luò)等組成的高效射頻的能量收集系統(tǒng)，為空間射頻能量的有效收集提供借鑒。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由接收天線、阻抗匹配電路和整流倍壓電路組成。接收天線接收的射頻信號經(jīng)匹配電路送入整流倍壓電路，匹配電路減小信號的反射，使得射頻能量最大效率流入整流倍壓電路。整流倍壓電路對傳來的射頻信號整流、升壓，然后用所獲得的直流電壓供給負(fù)載或存儲[5]。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 高增益天線陣列設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的天線單元結(jié)構(gòu)如圖2所示，將天線做成陣列如圖3所示。采用FR4_expoxy介質(zhì)板，工作頻率為2.45 GHz，天線陣元參數(shù)L1=18.7 mm、W1=21.6 mm、W2=6.2 mm、W3=2 mm、L2=2 mm、H=1.6 mm。采用高頻仿真軟件HFSS仿真優(yōu)化，天線S11和方向圖如圖4、圖5所示。做成陣列后，天線工作在2.45 GHz時(shí)，天線最大增益達(dá)到12.67 dBi。

圖2 天線貼片

圖3 陣列天線

圖4 天線回波損耗

圖5 天線方向圖

1.2 阻抗匹配電路

匹配電路是射頻能量收集系統(tǒng)中必不可少的部分，連接著接收天線和整流升壓電路，將兩部分電路阻抗形成共軛匹配，使射頻能量最大限度地從天線經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò)流進(jìn)整流升壓電路。根據(jù)整流電路設(shè)計(jì)原理的不同，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)所用的方法也不同。常用的匹配方法有枝節(jié)匹配、在波節(jié)點(diǎn)處接入λ/4微帶線阻抗匹配、采用λ/4和λ/8阻抗變換線進(jìn)行匹配等方式。本文采用微帶線阻抗匹配，匹配電路參數(shù)如圖6所示。

1.3 整流倍壓電路

考慮到倍壓級數(shù)和二極管閾值電壓均影響倍壓電路的輸出電壓，當(dāng)輸入信號的幅值小于二極管閾值電壓時(shí)，電路無電壓輸出，且接收天線從環(huán)境中收集的射頻信號較為微弱。為保證系統(tǒng)輸出電壓值能夠滿足要求，這里選用閾值電壓較小、轉(zhuǎn)換速度較快的肖特基二極管HSMS-2852。它的等效電阻為25 Ω，閾值電壓為0.15 V，擊穿電壓為3.8 V，結(jié)電容為0.18 pF。倍壓級數(shù)選擇6級，電容選擇1 μF。整流倍壓電路如圖7所示。

12月17日，中華企業(yè)發(fā)布《關(guān)于簽訂重大銷售協(xié)議的公告》，控股孫公司決定出售位于上海黃浦江沿岸一處房地產(chǎn)資產(chǎn)，銷售總價(jià)款約30.85億元。

圖6 阻抗匹配電路參數(shù)

當(dāng)流入倍壓電路的幅值和功率分別為Vin、Pin時(shí)，其輸出電壓和整流效率為[6]：

Vth為二極管的閾值電壓，R為接入電路的負(fù)載。采用ADS軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化，當(dāng)輸入信號功率為-30～30 dBm時(shí)，輸出直流電壓及整流效率的仿真及測試結(jié)果如圖8所示。

對所設(shè)計(jì)的天線及匹配電路，整流倍壓電路進(jìn)行加工測試，測量結(jié)果如圖8所示，電路實(shí)物如圖9所示。當(dāng)輸入信號為-30 dBm時(shí)，仿真及實(shí)際整流效率都為0。當(dāng)輸入功率在-10～20 dBm時(shí)，效率呈上升趨勢，在20 dBm時(shí)效率達(dá)到14.53%，但實(shí)際的效率只有8.07%。此后，再增大輸入功率，仿真效率與實(shí)際效率都下降。對于輸出電壓，在輸入功率為-30～-10 dBm時(shí)，輸出電壓都基本為0；輸入功率在-10～30 dBm時(shí)，輸出電壓呈上升趨勢，仿真曲線最大值達(dá)到8.1 V，而實(shí)測電壓為6.5 V。

圖7 六階維拉德倍壓電路原理

圖8 整流效率及輸出電壓隨入射功率變化情況

當(dāng)將電路應(yīng)用于實(shí)際時(shí)，它的整流效率和輸出電壓都遠(yuǎn)小于仿真值，這是因?yàn)榉抡鏁r(shí)用的電容、二極管和環(huán)境情況都是理想的。實(shí)際上，電容和二極管本身也存在消耗且有個(gè)體差異，環(huán)境條件也非理想情況。此外，發(fā)射天線與接收天線之間的距離也會影響輸出電壓。總體而言，實(shí)際的傳輸效率和輸出電壓基本滿足需求。

2 結(jié) 語

圖9 電路實(shí)物圖

為了實(shí)現(xiàn)高效率和高輸出電壓的射頻能量收集，本文設(shè)計(jì)了一種使用高增益天線陣列的射頻能量收集系統(tǒng)。經(jīng)過仿真優(yōu)化與實(shí)物測試，證明了其可行性。測試結(jié)果顯示，當(dāng)輸入功率在-10～20 dBm時(shí)，其在2.45 GHz可提供0.022～4.2 V的輸出電壓。能夠?qū)臻g射頻能量進(jìn)行有效收集。