射频/微波能量收集系统的整流电路研究进展

射频/微波能量收集系统以可持续、环保等优点在无线传感器网络、可穿戴设备等领域具有广泛应用前景。对近年来射频/微波能量收集系统的整流电路的研究进展进行了概述。分析并讨论了整流电路的技术指标和电路结构,分别从器件研究和电路设计两个方面对整流电路的研究进展进行分析、归纳。从原理、性能提升等方面分析具有低的零偏压电阻值的自旋二极管应用于微瓦量级信号整流电路的潜力;从微弱信号整流、宽输入功率范围信号整流、高功率转换效率整流、阻抗去敏感化4个方面分析了整流电路设计的关键问题,归纳出有效的解决途径并对整流电路的发展趋势进行了展望。

以纺织微带单元及阵列天线为接收天线的射频能量收集系统输出电压比较研究

近些年,纺织天线作为可穿戴产品射频能量收集系统中的重要电子设备,越来越受到青睐。为研究基于纺织天线的射频能量收集系统的收集性能,该研究设计并制备了以涤纶毡为基底的纺织微带单元天线和纺织微带阵列天线。为了建立一个完整的射频能量收集系统,将信号发生器、功率放大器、发射天线和所设计的纺织微带天线(作为接收天线)与整流电路连接。研究结果表明,阵列天线的最大增益比单元天线高5.35 dB。最终的输出电压显示了射频能量收集系统的有效性。随着输入功率的增加、接收距离的减小,输出电压增加。通过单元天线的最高输出电压为39.2 mV,通过阵列天线的最高输出电压为72.7 mV,这是由于阵列天线的增益较高。这项研究将为该领域带来更多的研究思路。

用于射频能量收集的低阈值CMOS整流电路设计

基于TSMC 180 nm工艺,设计了一款高效率低阈值整流电路。在传统差分输入交叉耦合整流电路的基础上,提出源极与衬底之间增加双PMOS对称辅助晶体管配合缓冲电容的改进结构,对整流晶体管进行阈值补偿。有效缓解了MOS管的衬底偏置效应,降低了整流电路的开启阈值电压,针对较低输入信号功率,提高了整流电路的功率转换效率(PCE)。同时将低阈值整流电路三级级联以提高输出电压。测试结果显示,在输入信号功率为-14 dBm@915 MHz时,三级级联低阈值整流电路实现了升压功能,能稳定输出1.2 V电压,峰值PCE约为71.32%。相较于传统结构,该低阈值整流电路更适合用于射频能量收集。

面向环境射频能量收集的宽频整流电路

整流电路是射频能量回收系统的核心,能够将射频能量转换为直流。但由于整流电路中使用的二极管具有非线性特性,导致整流效率会随频率变化而降低。为解决这一问题,本文提出一种具有宽频带的整流电路,它通过采用与二极管串联的短路线、与二极管并联的开路线以及多级微带线结构来调整阻抗匹配,实现了在宽频带范围内的高转换效率。设计的整流电路在0 dBm的输入功率下,从1.7~2.7 GHz,均达到50%的整流转换效率,最高整流转换效率为63.3%。该宽带整流电路可以运用在无线能量收集系统中。

射频能量收集印刷天线仿真模型中长丝机织物结构简化方法及有效性

获得仿真精确度高且计算成本低的仿真模型是高效设计织物基丝网印刷射频能量收集天线的基础。本文构建了长丝机织物天线基底的几种不同简化结构特征的仿真模型,采用HFSS仿真软件模拟了织物仿真模型与电磁波的相互作用,且以孔隙率和粗糙度为变量参数化分析了具有不同仿真结构基底的天线性能差异,并实际制备了几种不同简化结构基底的天线。结果表明:通过对比反射率和透射率发现,细观交织结构可以等效为具有孔洞和/或凹凸结构模型,均匀结构模型基底的天线辐射性能、增益及效率都显著偏高。进一步以射频能量收集为场景的模型有效性及验证结果表明,仿真模拟结果与实际测试结果吻合良好,且不同简化结构基底的天线性能也无显著性差异。在超高频范围内,不同简化结构基底的天线最大传输距离达220 cm,在1 m处的单位面积接收信号强度在8.442 mW/cm^(2)以上,天线输出电压和能量转换效率可分别达135 mV、60%。因此,为节约计算成本,就孔隙率不超过30%且粗糙度在5.39μm以下的长丝平纹机织物基底,在丝网印刷超高频射频能量收集天线仿真模拟中可将其等效为均匀介质模型。

可穿戴织物基射频能量收集整流器的研究进展

现有印刷电路板整流器因硬质厚重的缺点而无法满足柔性可穿戴射频能量收集(RFEH)系统的应用需求,电子纺织品为其提供了新方法。综述了织物基整流器的设计、制备与性能评价方法,聚焦其在RFEH方面的应用。总结整流器的工作原理、结构(包括传输线、阻抗匹配网络、整流电路)及织物材料(电介质与导体)。制备方法涵盖刺绣、丝网印刷、喷墨打印、金属化织物等工艺。性能评价不仅关注整流效率,还涉及系统集成与穿戴试验。未来研究应聚焦以织物为基底开发柔性高效整流器,创新材料工艺与结构设计,以满足可穿戴应用场景需求;同时,需探索柔性连接与电子元件技术,提升多频段射频电路处理能力。

基于射频能量收集的无线中继网络资源分配

针对现有射频能量收集网络资源分配研究局限于单个数据源场景,无法适配于多数据源网络的问题,提出了一种适用于多数据源场景的射频能量收集中继网络传输协议框架,在该框架内节点可作为源节点或中继节点传输自身数据或转发数据,并在其他节点的数据传输过程中完成射频能量收集。以协议框架为基础,分别以系统吞吐量及用户公平性为优化目标设计两种资源分配方案。仿真表明,两种方案可有效改善网络吞吐量及资源分配公平性。

能量收集分布式基站系统的下行射频远端选择

为解决能源短缺的问题,能量收集技术被提出并广泛应用于若干典型的通信系统中。为研究在具备能量收集能力的分布式基站系统中,如何有效地选择射频远端实现下行链路通信的问题,首先建立了不依赖电网等外部能源,仅由基带处理子系统、能量子系统和射频远端子系统构成的能量收集分布式基站系统模型;其次在模型基础上,以最大化信息传输速率为目标形成了覆盖波束赋形、能量共享、功率分配的联合优化问题。针对能量收集情况不可控的问题,提出了两种不同的能量共享策略,在此基础上分别对问题进行了数学分析,推导得到了系统射频远端最优的功率分配策略,从而归纳出所述系统模型的射频远端选择算法。最后,基于该文模型与算法开展了蒙特卡罗仿真,并与已有文献中的算法进行了对比。仿真结果表明,所提算法在平均信道容量和平均能量效率上具有良好的性能,有助于减少系统的功耗,节约资源。

无线射频能量收集与存储系统设计

对空间中广泛覆盖的各类无线射频信号进行能量收集与存储利用,可为各类负载终端提供电力支持。因此,如何对无线射频能量进行有效收集及存储再利用成为一个研究热点问题。针对上述问题,文章设计实现了一套无线射频能量收集与存储系统,利用倍压检波电路将无线射频能量转换成可供负载使用的直流电,基于电源管理芯片BQ25504设计并实现了能量存储与管理电路。实验结果表明,本设计将倍压检波电路与能量管理电路相结合,可以为物联网低功耗设备进行持续稳定的供电,从而减少对传统电池的依赖,具有广泛的应用前景。

X波段高集成硅基射频微系统

设计并制备了一款基于微电子机械系统(MEMS)工艺的小型化X波段硅基射频微系统,该微系统集成了变频器、功率放大器和MEMS双滤波器等,可实现信号的变频、滤波、放大。该微系统实现了硅基片上有源及无源芯片的异质集成,通过在硅基片上直接集成MEMS双滤波器及紧凑型布线分布实现了小型化,并通过在微系统内部的设计优化解决了芯片间级联匹配带来的寄生问题。该微系统尺寸8.5 mm×11 mm×1 mm,工作频率8~8.5 GHz,带内增益≥5 dB(平坦度≤±0.5 dB),带外抑制>80 dBc@7.5 GHz&9 GHz,中频输入端口驻波比≤1.7,射频输出端口驻波比≤1.4,满足设计及使用要求。此类硅基微系统具有高集成、小型化、方便使用等优点,是未来射频微系统的重要发展方向。

新型射频能量收集系统设计与分析

随着无线传感器网络等电子微系统的发展,作为能量源的电池满足不了长久供电的需求.利用周围环境中的射频能量为自身提供电能已经越来越受到科研工作者的关注.针对目前常用射频能量收集系统转换效率较低的不足,提出了一种由超宽带天线、匹配网络、整流升压电路等组成的新型能量收集系统.利用HFSS软件对超宽带天线进行仿真优化,使得该天线在宽频带下具有较好的特性;通过整流升压电路在不同负载下的整流效率分析,确定了整流器转换效率较高的负载取值范围.新型射频能量收集系统的效率为13.5%,比常用的其他射频能量收集系统的效率提高了将近6%.

双频无线射频能量收集系统的设计

为了尽可能高效地吸收和整流分布在周围自然空间中的射频能量,提出了一种工作在GSM-1800和UMTS-2100频段的双频射频能量收集系统的设计方法:系统的接收天线部分采用结构简单的宽带八木天线;系统的整流电路部分为应用于低输入功率的双频整流电路;整流电路的匹配电路部分使用微带线匹配,没有使用任何分立贴片元件,以保证整流电路在高频时稳定的性能,同时降低电路实际加工制作的复杂度.最后对系统整体进行了实验室和室外环境的联合测试.实测结果表明,文中提出的双频无线射频能量收集系统在-20～-5 dBm低输入功率下,能够在1. 8 GHz和2. 1 GHz频段获得良好的双频匹配,并且在-5 dBm输入功率下获45%的整流效率,且具有从环境中收集射频能量并输出一定直流电压的能力.

环境射频能量收集技术综述

在低功耗设备与装置日益普及的今天,通过无线方式实现能量收集,为设备供电正成为科研人员日益关注的研究热点之一。文中通过分析射频能量收集系统的基本结构,详细介绍了天线、匹配网络和整流电路的工作原理和优化方法,分析了射频能量收集系统的应用水平,并对目前存在的问题及发展趋势进行了探讨。

1800MHz射频能量收集系统仿真与分析

射频能量收集系统的输出电压以及功率转换效率(PCE)是衡量系统性能的两个重要参数。本文电路工作在1 800 MHz频段,主要由接收天线、阻抗匹配电路、六阶整流倍压电路和负载电路构成,在ADS仿真时信号源功率在-30 dBm^0 dBm之间变化、负载电阻值在100 kΩ~500 kΩ之间变化,观察整个电路输出电压和功率转换效率的变化情况。结果表明,增大入射功率和负载电阻都能提高电路输出电压,PCE随着入射功率的增强而增大但会随着负载电阻的增大而减小,收集较大功率射频信号的系统无论是输出电压还是功率都可以满足低功耗设备的工作需求。

低功率射频能量收集系统设计及优化

为了实现环境中低功率射频信号能量收集,设计了一种无线射频能收集系统,该系统主要由天线、倍压整流电路和匹配电路组成。为了提高射频信号能量收集效率,提出了基于二极管的低输入倍压整流系统数学模型;为了实现天线阻抗与倍压整流电路输入阻抗相匹配,采用量子粒子群算法实现了匹配电路参数的优化;在仿真软件对该优化方法进行了仿真试验。实验结果表明,所设计的射频能收集系统,可有效提高射频信号能量收集效率。

适用于射频能量收集系统的新型宽带整流电路设计

提出了一种适用于射频能量收集(RFEH)系统的宽带小型化整流电路.整流二极管采用HSMS 2862肖特基二极管,设计了倍压结构的整流电路.所设计的整流电路具有结构紧凑和复杂度低的优势.通过仿真与测试对整流电路的性能进行验证.结果表明:当输入功率为14.8 dBm时,该整流电路在1.91~3.32 GHz(分数带宽为53.9%)频带范围内功率转换效率(PCE)均大于50%;在2.2 GHz频点处,整流电路取得了74.2%的最大功率转换效率.

一种适用于射频能量收集系统的自适应MPPT技术

在射频能量收集系统中,射频整流器的非线性使其最大功率追踪电压(取得最大输出功率时的输出电压)与开路电压的比例并非为50%,且该比例随输入功率变化,因而传统的开路电压法(FOCV)不再适用。为保证射频整流器进行最大功率传输,将开路电压法和干扰观测法(P&O)相结合,发展了一种适用于射频能量收集系统的自适应最大功率追踪技术。该技术基于PWM+PFM的混合调制方式,在二分之一开路电压的基础上自适应地调整射频整流器的追踪电压微扰量,同时观测DC-DC转换器输出电容的充电时间。当充电时间达到最短时,射频整流器的输出功率达到最大,此时的追踪电压为最大功率追踪电压。自适应最大功率追踪技术可解决开路电压法追踪不精确以及干扰观测法在最大功率追踪点附近左右摇摆等问题。采用180 nm CMOS工艺进行设计及验证,结果表明,MPPT追踪效率峰值为99%,DC-DC转换器的转换效率峰值为86.46%,系统转换效率峰值为58.57%(@输入功率P AV=-8 dBm)。

基于高增益阵列天线的射频能量收集系统

为了有效收集空间射频能量,设计了一种新型的射频能量收集系统。系统由2.45 GHz高增益阵列天线、阻抗匹配电路、整流倍压电路及负载组成,分别采用HFSS和ADS软件对天线及六阶整流倍压电路进行仿真优化,天线增益达到了12.67 d Bi,在输入功率-30~30 d Bm、输出阻抗为1 kΩ的情况下,电路最大整流效率达到14.53%,最高输出电压可达8.1 V。实物加工测试表明,输出电压及效率与仿真结果基本吻合。该系统具有输出电压及转换效率高等特点,满足了射频能量收集系统的要求。

无线射频能量收集系统设计

微型电子设备供电方式仍是以电池为主,更换电池带来的困难使这些设备无法长久运行,无线射频能量技术为低功率微电子设备的供电提供了一种新的方式。文中设计了一套接收2.4 GHz射频信号的射频能量收集系统,该系统主要由微型贴片天线、阻抗匹配电路、整流升压电路和存储电路构成,利用ADS仿真工具验证了系统设计的可行性,当负载电阻在100 kΩ,输入功率在-10 dBm-5 dBm之间时,能量转换效率均在30%以上,可实现低功率微电子设备的持续供电。

基于分段线性系统的宽频振动能量收集器

研究了一种基于分段线性系统的宽频振动能量收集器,主要由抗磁稳定悬浮结构、弹性膜及感应线圈组成。在静止状态下,悬浮磁铁不需要任何外界能量稳定地悬浮在热解石墨板之间。当振动能量采集器受到水平振动激励时,悬浮磁铁在两热解石墨板之间摆动;当摆动幅度比较大时,悬浮磁铁将与弹性膜发生碰撞使系统刚度呈阶段性变化;随着悬浮磁铁运动,感应线圈中的磁通量发生变化产生感应电动势,从而使外界振动能转化为电能。当水平激励振幅为5 mm时,系统的工作带宽达到3.2 Hz,最大输出电压达到78 mV,最大输出功率为56.3μW;当水平振动激励的加速度为3 m/s^2时,系统的工作带宽达到2 Hz,最大输出电压为44 mV,最大输出功率为18μW。