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。

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。

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。

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。

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。

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。

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.

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。

射频能量收集的小型化双频整流天线设计

针对传统的双频整流天线转换效率不高的问题,提出了一种用于射频(RF,radio frequency)能量收集的双频整流天线。其工作频段为1.75GHz和2.45GHz,主要由接收天线、阻抗匹配电路、二倍压整流电路和负载电路组成。基于小型化双频天线,引入一种新型双频阻抗匹配网络,以提高整流电路在较低输入功率下的射频-直流(RF-DC)转换效率。此外,采用新型阻抗匹配网络使得整流电路复杂度得以降低,减小了能量损耗。与传统的双频整流天线相比,-10dBm输入功率条件下,在普通室内环境中新型双频整流天线具有更高的RF-DC转换效率。实验结果显示,在1.75GHz GSM频段和2.45GHz WLAN频段上最大RF-DC转换效率分别可以达到65.34%和54.3%。测试结果证明,其可以在物联网低功耗设备中得以应用。

一种带有最大能量跟踪的宽动态范围射频能量收集电路的设计

本文提出了一种带有最大能量跟踪的射频能量收集电路.该电路通过加入级数来控制环路自动检测不同级数整流器的输出功率,并比较这些输出功率来选择最佳级数,以求在不同输入功率下均能够保持较高的能量转换效率.因此,能量收集电路在保持高灵敏度的同时,可以提高最高能量转换效率,扩展高效率动态范围.基于该设计方法,一个用于特高频频段的带有级数控制回路的3~5级整流器电路在SMIC55nm工艺下得以仿真、实现.测试结果表明:在915MHz的工作频率下,所设计的射频能量收集电路的最高能量转换效率可以达到61.4%.与此同时,在19dB的输入功率范围内,能量转换效率均能够保持在最高能量转换效率的50%以上,有效扩展了高效率动态范围.此外,该电路在加入控制环路后,仍然有较高的灵敏度,可以在-16.3dBm的输入功率下,驱动一个纯电容负载,获得2V的输出电压.

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。

多维大规模网络射频能量收集性能分析

随着大规模网络密度增加和射频能量收集技术的发展,从环境中采集通信用射频能量已达到实用化水平.为评估无线大规模网络中实际可用的射频能量,该文研究了收集器功率门限对射频能量收集性能的影响,提出两个衡量收集性能的指标:有效能量收集概率和平均可用能量.假设收发机位置服从密度不同的d维均匀泊松点过程,利用随机几何工具对典型接收机的到达功率进行建模,获得了瑞利分布随机信道下接收功率的分布函数和可用平均能量.蒙特卡洛仿真验证了分析结论.数值分析结果表明,高收集门限会导致充电概率和可收集能量显著减少;同时,在高密集网络中,收集电路敏感性对收集性能影响较大.

异构网络中射频能量收集技术研究与实现

异构通信网络中存在大量射频信号,文中设计了一套射频能量收集系统,该系统由中心频率为2. 45 GHz的四阵列层叠耦合贴片微带天线模块、电压倍增器模块、阻抗匹配电路等组成,通过天线参数的选择,电压整流放大,利用可编程最大功率点跟踪技术实现阻抗匹配提高输出功率,验证了无线能量收集并给后级传感器节点供电的可行性。

射频能量收集装置的研究进展

随着无线通信技术的发展,射频能量资源变得越来越丰富,这很可能使低功耗电子设备利用射频能量为自身供电。本文在分析了射频能量收集技术发展现状的基础之上,系统介绍了射频能量收集器的整体结构。基于整体结构的介绍,对关键部分,包括天线、RF-DC转换电路进展进行了总结;对关键问题,包括天线、灵敏度和转换效率进行了分析。最后阐述了射频能量装置的发展趋势。

一种在GSM下行全频带内用于可穿戴设备的高效射频能量收集技术

针对市场上可穿戴、低功耗设备的兴起,探讨利用环境中RF能量实现供电的可能性。针对GSM下行935~960 MHz下行频段,使用分立元件在RO4003C PCB板材上进行了测试验证。匹配电路中的电感采用自制绕线电感,在接收功率为-10 dBm时,转换效率达到34.7%。

应用于2.4GHz射频能量收集的微带圆极化整流天线

设计了一款应用于2.4GHz射频能量收集的微带圆极化整流天线。该整流天线由接收天线和整流器组成,接收天线采用双馈电带环形槽微带天线,整流器由单级倍压整流电路和匹配电路组成。经加工测试,接收天线实现了双向辐射圆极化波,并且能覆盖目标频段2.4 GHz,增益为3.72 dBi,效率为89.6%。整流器在负载为1 kΩ、输入功率为-2 dBm、频率为2.4 GHz时,转换效率η达到最大值38%。最后,将整流器和接收天线相连成整流天线,在射频信号较多的室内进行实验测量时,测得输出电压为26 mV,验证了该整流天线在低功率条件下在2.4 GHz频段内具备较高的整流效率。

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)。