射频-环境光混合微能量采集系统的设计与实现

发布时间：2020-05-25 10:02

【摘要】：现如今,随着人们对发展一个智能社会的需求不断增长,大规模传感器网络、物联网和智能皮肤等技术被广泛应用,怎样提供可靠的电力供应来维持这些设备的自主运行成为了目前最紧迫的问题。传统的设备严重依赖于原电池,但随着时间的推移原电池总会耗尽存储的能量,大规模更换电池必定会导致系统成本的增加。为避免这种维护成本问题,环境能量采集技术开始受到研究界的密切关注。自由空间中种类众多、含量巨大的环境能量有着各自无法避免的缺点,单独情况下往往无法持续有效地为设备供电。为了克服这一限制,本文设计了一种能够同时采集自然环境中射频能和太阳能的复合式能量采集系统。首先,本文设计并制作了能量采集系统的能量采集器。先是设计了一款工作频率为2.4GHz的圆极化微带天线,通过微调尺寸参数和馈电点位置,该天线在2.4GHz处实现了良好的传输性能和圆极化特性。通过加工和测试,实物数据基本和仿真数据符合,并分析了造成两者细微差距的原因。然后以樟树叶为原料制作了一款染料敏化太阳能电池,并测试了其光电性能。然后,设计了接收天线的整流器和系统的电源管理模块。整流器由二阶倍压电路和单频匹配网络组成。通过对匹配网络中分立元件的优化,使整流器在2.4GHz与天线达到良好的阻抗匹配。制作出实物后和天线进行联合测试,在射频输入能量为-13.6dBm条件下能够输出80mV的电压。电源管理模块主要采用TI公司的bq25504芯片,通过在其外围电路设置合理的电阻电容值,整个模块在启动过后能够收集低至80mV的微弱能量。为了提高天线的接收效率,增大天线的输出电压,本文通过开槽技术设计了一款工作频率覆盖了1.8GHz、2.1GHz和2.4GHz三个频段的三频段微带天线,并为其设计了专门的三频段整流器。进行实物加工后进行测试,结果显示在多个频率同时输入条件下,整流器效率会显著提升。而后提出了一种优化染料敏化太阳能电池性能的方法,即在制作光阳极时在TiO_2粉末中掺杂比例为100:1的石墨烯粉末。经测试后太阳能电池的转换效率提高了1.3倍,效果显著。最后,本文搭建了整个能量采集系统,并测试其在4种不同输入条件下的输出性能。结果表明,相较于单一的能量源输入,复合能量源输入条件下,系统采集能量的效率显著提高,且能量收集的灵敏度更高。
【图文】：

三频段整流天线

正交极化的宽频带矩形天线
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM914.4;TN822

【参考文献】

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本文编号：2679983