王忠川，秦衛(wèi)平

（南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院，江蘇 南京 210023）

0 引 言

近年來(lái)，無(wú)線技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在通信領(lǐng)域。也就是信息傳遞領(lǐng)域，移動(dòng)通信技術(shù)更是日新月異，從2G到3G，再到現(xiàn)在成熟使用的4G，以及即將商用的5G技術(shù)，移動(dòng)通信技術(shù)引領(lǐng)著通信技術(shù)的飛速進(jìn)步。然而，無(wú)線能量收集的具體應(yīng)用大部分還只停留在研究階段[1]。無(wú)線能量收集（Radio Frequency Energy Harvesting）是一種將周?chē)h(huán)境中分布式的能量進(jìn)行收集并轉(zhuǎn)換成可供負(fù)載使用的電能的一種技術(shù)。飛速進(jìn)步的移動(dòng)通信技術(shù)，使得環(huán)境中分布的射頻能量持續(xù)增加，使射頻能量收集在低功耗電子設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用前景。射頻能量傳輸?shù)难芯渴加?964年，W C Brown首次成功驗(yàn)證了微波功率傳輸[2-5]（MPT）的可行性。

射頻能量收集系統(tǒng)如圖1所示，箭頭指向代表能量和信息的傳遞過(guò)程。信號(hào)源處所需發(fā)送的信號(hào)經(jīng)過(guò)發(fā)射天線在一個(gè)很高的頻段發(fā)射出去，然后通過(guò)大氣傳輸?shù)竭_(dá)接收天線一方。接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)RF-DC倍壓整流電路整流后轉(zhuǎn)化成直流信號(hào)，然后將轉(zhuǎn)化的直流信號(hào)存儲(chǔ)在儲(chǔ)能器件中。由于在野外環(huán)境中特別是一些人無(wú)法頻繁到達(dá)的地方如基站中的節(jié)點(diǎn)，利用射頻能量采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)化而來(lái)的電能，直接可以為其供電，方便、經(jīng)濟(jì)、快捷，節(jié)省了大量的人力、物力、財(cái)力，應(yīng)用價(jià)值顯著。特別是現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，獲得了更快的數(shù)據(jù)傳遞速率。日本學(xué)者進(jìn)行了FSK、16QAM、QPSK等信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的研究工作[6-8]，而學(xué)術(shù)界還幾乎沒(méi)有研究移動(dòng)通信中的信號(hào)形式對(duì)能量采集系統(tǒng)的影響。

圖1 射頻能量收集系統(tǒng)

1 RF-DC整流電路設(shè)計(jì)

RF-DC整流電路利用二極管的單向?qū)ㄌ匦?，截取射頻信號(hào)。本文設(shè)計(jì)的整流電路是經(jīng)典的倍壓整流電路，包含2個(gè)二極管、1個(gè)直流截?cái)嚯娙莺?個(gè)平滑電容。選取二極管時(shí)要注意，二極管的起始工作功率越低越好[9-12]，且要求整流電路輸出端電壓越高越好。所以，在本文研究的能量收集系統(tǒng)中，主要使用的是HSMS285C。圖2是設(shè)計(jì)的經(jīng)過(guò)匹配的整流電路原理圖，圖3是制版后的實(shí)物圖，大小是20 mm×43 mm。射頻整流的轉(zhuǎn)化效率為：

圖2 射頻能量收集系統(tǒng)電路原理

圖3 整流電路實(shí)物版圖

2 移動(dòng)通信信號(hào)的能量轉(zhuǎn)化率

2.1 GSM信號(hào)

2G通信系統(tǒng)中的GSM信號(hào)，分布的頻段為900 MHz和1 800 MHz。本文主要研究GSM信號(hào)的波形對(duì)系統(tǒng)性能的影響，因此為降低頻率帶來(lái)的影響，將GSM信號(hào)的載波頻率設(shè)置為2 GHz。GSM信號(hào)的頻譜如圖4所示，可知GSM信號(hào)的帶寬約為550 kHz。

圖4 GSM信號(hào)的頻譜

在電路原理圖中設(shè)置-30～30 dBm的掃描計(jì)劃且步長(zhǎng)為1 dBm，然后進(jìn)行諧波平衡仿真，得到在GSM信號(hào)作為輸入信號(hào)時(shí)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率和輸出電壓隨輸入功率變化的曲線，如圖5、圖6所示。

圖5 能量轉(zhuǎn)化效率vs輸入功率

圖6 輸出直流電壓vs輸入功率

從圖5可知，匹配整流器的轉(zhuǎn)換效率因輸入功率的增加而遞增，輸入功率在2 dBm時(shí)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值約66.2%，隨后因輸入功率的增加而下降。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是二極管的非線性特性，當(dāng)輸入功率低于-30 dBm時(shí)，轉(zhuǎn)換效率幾乎為零，此時(shí)二極管處于非導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)高于2 dBm時(shí)，因輸入功率過(guò)大致使二極管擊穿，導(dǎo)致系統(tǒng)中的電流急劇增大[13-20]。正是因?yàn)槎O管的非線性特征，使得系統(tǒng)的輸出電壓隨輸入功率的增加具有非線性關(guān)系，如圖6所示。輸入功率在0 dBm時(shí)，輸出電壓約為1.78 V；當(dāng)達(dá)到13 dBm時(shí)，輸出電壓達(dá)到最大值，值約為3.5 V；隨后，電壓的大小幾乎保持不變。

2.2 WCDMA信號(hào)

3G信號(hào)中的WCDMA信號(hào)，頻率主要分布在1 940～1 955 MHz和2 130～2 145 MHz的頻段范圍內(nèi)，采用QPSK調(diào)制方式，碼片速率為3.84 Mb/s。本文主要研究WCDMA信號(hào)的波形對(duì)系統(tǒng)性能的影響，因此將WCDMA信號(hào)的載波頻率設(shè)置為2 GHz。WCDMA的頻譜圖和CCDF特性曲線分別如圖7、圖8所示。從圖7可知，WCDMA的信號(hào)帶寬約為5 MHz，而CCDF特性曲線用于描述任意功率與平均功率之比，橫坐標(biāo)表示低于或高于平均功率的值（以dB為單位），縱坐標(biāo)表示大于等于任意功率出現(xiàn)的概率[13]。從圖8可知，WCDMA信號(hào)大于等于平均功率的概率約占51%，僅有1%的概率高于平均電平2.6 dB表示信號(hào)的峰均比為2.6 dB。

圖7 WCDMA頻譜

圖8 WCDMA的CCDF曲線

通過(guò)在電路原理圖中設(shè)置-30～30 dBm的掃描計(jì)劃且步長(zhǎng)為1 dBm，然后在ADS中進(jìn)行諧波平衡仿真，得到WCDMA信號(hào)對(duì)匹配整流器的轉(zhuǎn)換效率和輸出電壓隨功率變化的曲線，如圖9、圖10所示。從圖9可知，匹配整流器的轉(zhuǎn)換效率因輸入功率的增加而遞增，輸入功率在4 dBm時(shí)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值約65.1%，隨后因輸入功率的增加而下降。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是二極管的非線性特性，當(dāng)輸入功率低于-30 dBm時(shí)，轉(zhuǎn)換效率幾乎為零，此時(shí)二極管處于非導(dǎo)通狀態(tài)；高于4 dBm時(shí)，由于輸入功率過(guò)大致使二極管擊穿，導(dǎo)致系統(tǒng)中的電流急劇增大。正是由于二極管的非線性特性，使得系統(tǒng)的輸出電壓隨輸入功率的增加呈非線性關(guān)系，如圖10所示。輸入功率在0 dBm時(shí)，輸出電壓約1.22 V；當(dāng)達(dá)到16 dBm時(shí)，輸出電壓達(dá)到最大值，值約為3.5 V；隨后，電壓的大小幾乎保持不變。

圖9 能量轉(zhuǎn)化效率vs輸入功率

圖10 輸出電壓vs輸入功率

2.3 CDMA2000信號(hào)

CDMA2000信號(hào)主要分布在1 920～1 935 MHz和2 110～2 125 MHz頻率范圍內(nèi)，采用QPSK調(diào)制方式[21]，碼片速率為1.228 8 Mb/s。本文主要研究CDMA2000信號(hào)的波形對(duì)系統(tǒng)性能的影響，因此將CDMA2000信號(hào)的載波頻率設(shè)置為2 GHz。CDMA2000的信號(hào)帶寬約為1.5 MHz，CDMA2000信號(hào)大于等于平均功率的概率約占49%，僅有1%的概率高于平均電平3.1 dB表示信號(hào)的峰均比為3.1 dB。

從圖11中可以看出，匹配整流器的轉(zhuǎn)換效率隨著輸入功率的增加而增加，在-1 dBm時(shí)達(dá)到最大值，約為65.7%，隨后因輸入功率的增加而減小[22]。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是二極管的非線性特性，當(dāng)輸入功率低于-30 dBm時(shí)，轉(zhuǎn)換效率幾乎為零，此時(shí)二極管處于非導(dǎo)通狀態(tài)；在高于-1 dBm時(shí)，由于輸入功率過(guò)大致使二極管擊穿，導(dǎo)致系統(tǒng)中的電流急劇增大[23-26]。正是由于二極管的非線性特性，使得系統(tǒng)的輸出電壓隨輸入功率的增加呈非線性關(guān)系，如圖12所示。輸入功率在0 dBm時(shí)，輸出電壓約為2.32 V；當(dāng)達(dá)到10 dBm時(shí)，輸出電壓達(dá)到最大值，值約為3.5 V；隨后，電壓的大小幾乎保持不變。

圖11 能量轉(zhuǎn)化效率vs輸入功率

圖12 輸出電壓vs輸入功率

3 分析與結(jié)論

本節(jié)將分析WCDMA和CDMA2000信號(hào)波形對(duì)轉(zhuǎn)換模塊的性能影響，并與CW信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析。在第2章節(jié)和第3章節(jié)中，將WCDMA和CDMA2000信號(hào)作為轉(zhuǎn)換模塊的輸入信號(hào)，負(fù)載取值為4.3 kΩ，仿真分別得出在不同信號(hào)下轉(zhuǎn)換模塊的功率轉(zhuǎn)換效率和輸出電壓隨輸入功率遞增而變化的趨勢(shì)?，F(xiàn)將WCDMA、CDMA2000和CW的轉(zhuǎn)換效率和輸出電壓整理后比較，結(jié)果如圖13、圖14所示。

從圖13可知，輸入不同的信號(hào)波形，不會(huì)提高轉(zhuǎn)換模塊的最大轉(zhuǎn)換效率，但會(huì)降低轉(zhuǎn)換模塊達(dá)到最大轉(zhuǎn)換效率的輸入功率。不同的信號(hào)對(duì)匹配整流器的轉(zhuǎn)換效率趨勢(shì)一致，均隨著輸入功率的增加呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢(shì)[25]。在低輸入功率情況下，CDMA2000的轉(zhuǎn)換效率為三者最佳，比最差的WCDMA高出約13%；在高輸入功率情況下，CDMA2000的轉(zhuǎn)換效率最先開(kāi)始下降，但是三種信號(hào)的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值時(shí)的輸入功率不同[26]。WCDMA信號(hào)在4 dBm時(shí)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值約為65.1%，CW信號(hào)在2 dBm時(shí)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值約為66.2%，CDMA2000信號(hào)在-1 dBm時(shí)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值約為65.7%。可見(jiàn)，三個(gè)信號(hào)為最佳轉(zhuǎn)換效率時(shí)，輸入功率依次降低3 dBm。

圖13 不同信號(hào)的能量轉(zhuǎn)化效率

圖14 不同信號(hào)的輸出電壓

從圖14可知，輸入不同的信號(hào)波形，不會(huì)提高轉(zhuǎn)換模塊的最高輸出電壓，但會(huì)降低轉(zhuǎn)換模塊達(dá)到最大輸出電壓的輸入功率。不同的輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)的輸出電壓的趨勢(shì)一致，即隨著輸入功率的增加，輸出電壓的對(duì)數(shù)先與輸入功率成正比，而后達(dá)到最大值時(shí)保持不變[27-30]。在低輸入功率情況下，CDMA2000的輸出電壓是三者中最高的，CW次之，WCDMA最低。在輸入功率為-10 dBm時(shí)，三者的輸出電壓分別為0.629 V、0.418 V和0.248 V。在高輸入功率情況下，三種信號(hào)的輸出電壓均保持不變，不同的是CDMA2000先達(dá)到最大值，WCDMA最后達(dá)到，到達(dá)時(shí)的輸入功率分別為10 dBm、13 dBm和16 dBm。

為了分析產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因，下面分析不同信號(hào)作為輸入信號(hào)時(shí)匹配整流器的S11參數(shù)，如圖15所示。S11參數(shù)隨輸入功率的變化趨勢(shì)一致，不同之處在于每個(gè)信號(hào)的S11參數(shù)的最小值所對(duì)應(yīng)的輸入功率不同。CDMA2000在輸入功率為-3 dBm時(shí)取得最小值，CW在0 dBm，而WCDMA在3 dBm。從這里可以側(cè)面解釋為何CDMA2000信號(hào)在低輸入功率時(shí)匹配整流器的轉(zhuǎn)換效率和輸出電壓最好，而WCDMA信號(hào)的最差。

圖15 不同信號(hào)波形的S11參數(shù)

從圖16、圖17、圖18中可以得出，CDMA2000信號(hào)的輸入功率譜最大，其次是CW信號(hào)，WCDMA信號(hào)最小。其中，CDMA2000信號(hào)比CW信號(hào)高約3 dBm，CW信號(hào)比WCDMA信號(hào)的功率譜高約3.8 dBm。從輸入功率譜的大小可以得出，CDMA2000信號(hào)的轉(zhuǎn)換效率和輸出電壓最大，WCDMA信號(hào)的最小。

圖16 0 dBm輸入下，CW的輸入功率譜

圖17 0 dBm輸入下，WCDMA的輸入功率譜

圖18 0 dBm輸入下，CDMA2000的輸入功率譜

另一方面，文獻(xiàn)[31]的研究表明，具有較高峰均比的信號(hào)波形，可獲得較高的轉(zhuǎn)換效率。WCDMA信號(hào)和CDMA2000信號(hào)的峰均比分別為2.6 dB和3.1 dB，而CW信號(hào)為正弦信號(hào)，其峰值為均值的1.4倍，可知WC信號(hào)的峰均比為1.4 dB。因此，在低輸入功率下，理應(yīng)得出CDMA2000信號(hào)優(yōu)于WCDMA信號(hào)，CW信號(hào)最差[32-34]?？梢?jiàn)，僅根據(jù)峰均比得出的結(jié)論與仿真結(jié)果不符。文獻(xiàn)[35]的研究表明，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨信號(hào)的碼片速率增大而降低。本文設(shè)置的WCDMA信號(hào)和CDMA2000信號(hào)的碼片速率分別為3.84 Mb/s和1.228 8 Mb/s，而CW信號(hào)可以理解為載波頻率并沒(méi)有傳輸數(shù)據(jù)，因此其碼片速率最小。由此可知，WCDMA信號(hào)因受較高碼片速率的影響，使得功率轉(zhuǎn)換效率有所降低，導(dǎo)致在低輸入功率情況下CW信號(hào)優(yōu)于WCDMA信號(hào)。此外，信號(hào)的帶寬也會(huì)對(duì)整流器的性能有所影響[36]，即隨帶寬的增加，性能緩慢下降。綜上所述，在移動(dòng)通信信號(hào)作為轉(zhuǎn)換模塊的輸入信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換效率將受到信號(hào)的峰均比、碼片速率以及信號(hào)帶寬的共同影響。