用于无线传感网络的射频能量收集器研究

发布时间：2017-04-08 08:10

  本文关键词：用于无线传感网络的射频能量收集器研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：无线传感网络的部署在这些年越来越完善。通常情况下,由电池供电的传感限制了传感器的使用寿命。这个问题可以通过使用从将环境中的能量转换为可用电能的能量收集技术来克服。这种技术可用于各种应用中,如远程病人监护、可植入传感器、机械设备监控等。本文介绍了射频能量收集系统,主要侧重射频能量收集系统整流架构的研究、接收天线的设计和存储装置的选择。本文对几种整流架构、存储装置进行了对比研究,并最终完成了射频能量收集系统的设计。首先,本文对能量收集系统的原理进行了简要介绍,能量收集系统的作用就是从环境中将某种形式的能量转换为可利用的电能。随后,对压电式、太阳能、热能、静电能量、电磁能量、射频能量收集器进行了对比分析,比较了他们各自的优缺点,分析得出射频能量收集器是解决如今能源短缺问题的可行方式之一。第二章着重介绍了射频能量收集系统的原理及构成,射频能量收集系统由接收天线、匹配网络、整流电路、存储装置及负载五部分构成,其中最主要的是接收天线和整流电路。提高输出电压并提升功率转换效率是射频能量收集系统的关键问题。第三章对整流电路进行了比较分析并提出了改进意见。分析了桥式整流器和电荷泵的优缺点。桥式整流器电路设计简易,原理简单,便于设计,但是输出电压不足,功率转换效率也不高。电荷泵相对就有较高的输出电压和功率转换效率。此外,针对我们选择的电荷泵电路,我们有比较了不同级数对输出电压和功率转换效率的影响,并选择HSMS-2852作为电荷泵中的元件。第四章主要是对接收天线及存储装置进行了设计。针对接收天线,我们首先设计了单频天线并进行仿真,发现单频天线具有较高的局限性。随后我们设计了多频天线,提高了射频能量收集系统的转换率。针对存储装置,我们对超级电容及锂离子电池等进行了详尽的对比,分析得出超级电容是理想的能量存储装置。本文的最后对整个射频能量收集系统进行了总结和展望。本文设计的射频能量收集系统为解决能源短缺、为无线网络不间断供能提供了参考。同时,在以后的工作中希望能够找到一种“超级天线”,能够接收各个频段的能量或者各种不同类型的能量,这样能量收集就成为一种简单且非常有效的手段了。
【关键词】：无线传感网络 射频能量收集系统 整流器 接收天线 能量存储
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 研究工作的背景与意义11-13
• 1.2 能量采集系统的模块分类13-14
• 1.3 能量收集技术14-19
• 1.3.1 压电式能量收集14-15
• 1.3.2 太阳能能量收集15
• 1.3.3 热电能量收集15-16
• 1.3.4 静电能量收集16
• 1.3.5 电磁能量收集16-18
• 1.3.6 射频能量收集18-19
• 1.4 能量收集方法的比较19-20
• 1.5 本论文的结构安排20-21
• 第二章 射频收集系统21-26
• 2.1 近场和远场传播21
• 2.2 射频功率传输21-22
• 2.3 射频能量收集系统概述22-24
• 2.4 RF-DC转换整流24
• 2.5 能量收集系统的关键问题24-25
• 2.5.1 收集器的阈值24-25
• 2.5.2 功率转换效率25
• 2.6 本章小结25-26
• 第三章 射频能量收集器整流电路设计26-48
• 3.1 桥式整流器概述26-32
• 3.2 桥式整流器的仿真32-36
• 3.2.1 频率对输出电压及功率转换效率的影响32-33
• 3.2.2 晶体管的尺寸对输出电压及功率转换效率的影响33-35
• 3.2.3 负载电阻对输出电压及功率转换效率的影响35-36
• 3.3 差分CMOS整流器的仿真36-40
• 3.3.1 输入振幅对输出电压及功率转换效率的影响36-37
• 3.3.2 晶体管尺寸对输出电压及功率转换效率的影响37-39
• 3.3.3 负载电阻对输出电压及功率转换效率的影响39
• 3.3.4 频率对功率转换效率的影响39-40
• 3.4 电荷泵概述40-43
• 3.4.1 DICKSON电荷泵40-41
• 3.4.2 倍压整流器41-43
• 3.4.3 电荷泵电路元器件的选择43
• 3.5 电荷泵的仿真43-47
• 3.5.1 晶体管尺寸对输出电压及功率转换效率的影响45
• 3.5.2 频率对输出电压及功率转换效率的影响45-47
• 3.6 本章小结47-48
• 第四章 射频能量收集系统整体设计48-61
• 4.1 整流天线的设计48-53
• 4.1.1 环境中射频能量分布测量48-49
• 4.1.2 单频半波偶极子天线的设计49
• 4.1.3 单频半波偶极子天线的仿真49-51
• 4.1.4 单频微带贴片天线的设计51-52
• 4.1.5 单频微带贴片天线的仿真52-53
• 4.2 双频天线53-56
• 4.2.1 双频天线的设计53-54
• 4.2.2 双频天线的仿真54-55
• 4.2.3 室外环境中整流天线的测量55-56
• 4.3 射频能量收集系统的存储模块56-59
• 4.4 射频能量收集系统测量59-61
• 第五章 结论与展望61-63
• 致谢63-64
• 参考文献64-66
• 攻读硕士学位期间取得的成果66-67

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本文编号：292424