射频能量收集系统中双频整流天线的设计与分析

发布时间：2020-06-24 23:45

【摘要】：近年来,射频(RF)能量收集技术作为一种人工成本低、对环境友好、可持续的供电方式,已经成为解决能量问题的新途径。该技术在诸如物联网(IoT)、无线传感器网络(WSN)等领域有着广阔的应用前景。射频能量收集的能量源是日常生活环境中广泛分布的电磁波能量,将这些能量收集起来,作为无电池设备的能量源,或者作为辅助电源对充电电池进行供电,大大提高了小型电子设备的续航能力。射频能量收集系统主要通过整流天线实现能量的接收与传输。由于环境中射频能量分布微弱,接收天线接收到的能量较小,整流电路从接收天线接收到的的输入能量较低,导致整流天线输出电压很小,难以得到有效利用。因此,如何在低功率输入条件下提高整流天线的能量转换效率是本文研究的关键。本文针对传统双频整流天线能量转换效率不高的问题,提出了用于射频能量收集的新型双频整流天线。其工作频段为GSM 1.75GHz和WLAN 2.45GHz,主要由接收天线、双频阻抗匹配网络、二倍压整流电路和负载组成。本文主要研究内容和贡献有:(1)针对小型化设备应用场景,考虑到环境中射频信号频段的分布情况,设计了工作于1.75GHz和2.45GHz的双频微带贴片天线。首先,对微带贴片天线理论及工作原理进行分析,并且引入了地板开槽的设计。然后,利用高频结构仿真软件(HFSS)对天线进行仿真,对影响天线性能的结构参数进行分析,得出天线的最佳尺寸。最后,对天线进行实物的制作与测量,分析了实测结果。该天线结构简单,可以有效降低整流天线的大小。(2)针对传统整流天线能量转换效率低的问题,提出了新型阻抗匹配网络。根据实际整流电路的需要进行了整流二极管的选型,分析了阻抗匹配的基本原理。在双频条件下,天线和二倍压整流电路之间采用堆叠双支带架构设计新型阻抗匹配网络。该阻抗匹配网络采用集总参数元件以减小电路尺寸并降低功率损耗。使用先进设计系统仿真软件(ADS)对整流电路进行了仿真与优化,得出阻抗匹配网络元器件的最优参数值。依据元器件选型对双频整流电路进行了实物加工与测试。实测结果显示,与传统双频整流电路相比,本文设计的新型整流电路在具有较小尺寸的同时取得了较高的整流效率。(3)改善了实际整流天线应用性能较差的问题。对整流天线进行了实物制作与实验分析。在普通室内环境中,对能量转换效率随输入功率的变化趋势进行了扫描分析,输入功率范围为-30dBm到-5dBm。实测结果显示,当输入功率为-10dBm时,该整流天线取得射频-直流(RF-DC)能量转换效率最佳值,即GSM1.75GHz频段和WLAN 2.45GHz频段上最大RF-DC能量转换效率分别为65.34%和54.3%。测试结果表明,该新型整流天线可以在物联网低功耗设备中得以应用。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN820

【参考文献】