基于可重構天線的能量收集器特性研究

(河南師范大學電子與電氣工程學院,河南新鄉453007)

基于可重構天線的能量收集器特性研究

徐 庶,張 瑜

(河南師范大學電子與電氣工程學院,河南新鄉453007)

基于頻率可重構原理設計的五頻段天線,通過調節寄生單元和饋電線的長度來改變天線的局部結構,從而獲得不同的工作頻段。該天線可在470～770 MHz,800～930 MHz,934～960 MHz,1 854～1 892 MHz,2 407～2 509 MHz五種頻段之間實現可重構,覆蓋了無線通信系統工作頻段,各個狀態具有較好的特性。在此基礎上,搭建的能量收集器可以對接收到的信號能量進行收集,環境能量收集器系統包括可重構天線、匹配網絡和整流升壓。通過仿真軟件ADS和HFSS對收集器各部分優化、仿真,仿真結果顯示各部分性能良好,該收集器的靈敏度較高。最后經過實測,佐證了收集器的整體效率較高,最大收集效率可達58.6%。

多頻段;可重構天線;能量收集;效率

0 引 言

近年來,隨著無線通信技術的快速發展,越來越多的基站、信號發射塔等信號發射設備被建立在人們周圍環境中,這些射頻發射源發出的能量充斥在人們生活環境中。因此,利用周圍空間中的射頻能量為一些低功耗電子器件供能慢慢成為一種趨勢。為了對周圍空間中信號分布頻譜和強度有一個直觀的認識,Pinuela等對倫敦北郊地鐵站外的輸入功率進行了測試,其結果表明環境信號能量中很大一部分是可以被收集的[1]。查閱資料可知[2]:數字電視頻帶(DTV)的頻帶范圍大致為470～770 MHz,全球移動通信系統(GSM)的頻帶范圍為934～1 892 MHz,其中GSM900頻帶范圍為934～960 MHz,GSM1800頻帶范圍為1 854～1 892 MHz,3G頻帶范圍為2 205～2 315 MHz,WiFi頻帶范圍為2 407～2 509 MHz。

隨著硅微電子技術在超低功耗方面取得突破,越來越多的微瓦級電子器件相繼出現并被運用在生活中。例如,無線傳感器網絡在軍事、環境監測、建筑物狀態監控和大型企業的安全監測等諸多領域得以應用[3]。考慮到作為無線傳感器網絡主要能量來源的電池在體積、使用壽命等方面有很大缺陷,不利于減小系統的體積和長久為系統供電,所以采用電池為多種傳感器節點供電是不現實的[4]。倘若這些傳感器本身具有獲取空間能量的能力,就可以為自身工作提供能量。經過十多年的研究和發展,國內外射頻能量收集技術已取得了一定的成果[3,5-6]。在靈敏度方面,文獻[5]報道了空間環境能量收集器靈敏度可以達到-20 dBm,效率為18%;在整流電路方面,文獻[6]報道了射頻倍壓整流電路采用50級超低閾值管整流器的情況下,可以將-32 dBm的射頻信號整流到1 V;在天線設計方面的成果有小型化雙頻段接收天線、雙槽波紋喇叭天線、寬頻帶多頻微帶天線等[7-9];盡管如此,目前天線、靈敏度和效率仍然是環境中射頻能量收集面臨的難題。在天線技術方面,主要表現在天線的寬帶化、小型化、陣列化、集成化和智能化等方面。減小天線尺寸的方法之一就是選用高介電常數的材料;陣列化需要利用多個天線,通過能量疊加或者變相增加接收信號的頻帶寬度;寬頻帶就需要設計頻帶較寬的天線。目前,在天線帶寬設計方面主要集中在2.45 GHz附近。結合射頻信號密度分布圖,設計出了五頻段的可重構天線,5個頻段正好與射頻信號密度分布圖中5個頻帶范圍相對應,經過仿真、測試,得出設計的多頻段可重構天線具有較好的特性。在此基礎上,提出了一種基于可重構天線的能量收集器。

1 基本原理

空間環境能量需要經過天線才能接收,也就是說天線的工作頻率必須與所接收到信號的頻率相同,射頻信號通過天線接收后經過匹配網絡,匹配網絡可以對天線阻抗進行匹配,使得從天線中流出的高頻電流,最大可能經匹配網絡流進RFDC整流器,RF-DC整流器可以將RF信號轉換為DC信號,從而將獲取的信號能量為負載提供能量來源,或者將能量經能量存儲裝置存儲起來。空間環境能量收集器組成圖如圖1所示。

從圖1可以看出,整個能量收集器包括3部分:天線、匹配網絡和整流升壓(負載、存儲裝置等輔助設計不是本文的考慮重點,這里不再贅述)。其中,接收天線是五頻段接收天線,匹配網絡主要由電容、電感組成,整流升壓部分包含電容、肖特基二極管。

圖1 空間環境能量收集器的組成結構

2 能量收集器系統設計

2.1 多頻段天線的設計與分析

天線的結構如圖2所示。選用的介質板材料為環氧樹脂,其厚度為1.6 mm,介電常數εr=4.4。該多頻接收天線包括寄生單元、饋電線和矩形接地面,設計的接收天線總尺寸較小,僅為38 mm×35 mm×1.6 mm。其中,寄生單元長度的計算方法是:先由天線有效電長度(寄生單元長度與相應饋電帶線長度之和)得到寄生輻射單元的初始長度,再由電磁仿真軟件對參數進一步優化。而天線的有效電長度約等于天線諧振時對應工作波長的一半,其計算可以參考以下經驗公式[10]:

式中:Leff為接收天線有效電長度,單位mm;fres為諧振頻率,單位GHz;εeff為有效介電常數;c為真空中的光速,單位m/s。

圖2 天線的結構圖

天線的工作狀態與導通開關的關系如下:D3,D4接通時,天線工作在470～770 MHz;D5,D6接通時,天線工作在2 205～2 315 MHz;D7,D8,D9和D10接通時,天線工作在1 854～1 892 MHz;D9,D10,D11,D12,D13和D14接通時,天線工作在934～960 M Hz;D1,D2,D15和D16接通時,天線工作在2 407～2 509 MHz。圖3為天線測試環境圖。

圖3 天線測試環境

用安捷倫公司E8364B對設計的多頻段天線進行測試,為驗證和測量簡單考慮,文中用銅箔的連接與斷開來代替開關。圖4給出了天線在不同工作模式下回波損耗的測量值。

圖4 不同工作狀態下天線的回波損耗

從測量結果可知,天線的回波損耗S11在-10 dB以下的頻譜有:470～770 MHz,934～960 MHz,1 854～1 892 MHz,2 205～2 315 MHz,2 407～2 509 MHz,即接收天線可以在以上5個頻段實現可重構,驗證了設計的天線具有很好的特性。

2.2 匹配網絡與整流升壓

匹配網絡是射頻能量收集系統必不可少的部分,它是超寬帶接收天線與整流升壓電路的紐帶和橋梁,可以使得電流無損耗地從超寬帶天線經匹配網絡流進整流升壓電路,減少在匹配網絡中的能量損耗,對提高射頻能量收集系統的整體轉換效率起著不可小覷的作用。

結合圖1,具體工作過程為:從接收天線流出的高頻電流流進匹配網絡,高頻電流經結點1流進電感L1和可調電容VC1,在電感L1的通直流阻交流、可調電容VC1的通交流阻直流的作用下對其進行第一次頻率篩選,選出頻率范圍為1.75～2.95 GHz的高頻電流;此時經過第一次頻率篩選的高頻電流,經結點2流進電感L2和可調電容VC2,在電感L2的通直流阻交流、可調電容VC2的通交流阻直流的作用下,進行二次篩選,從結點3流出的是經過二次頻率刷選的高頻電流。

整流升壓是射頻能量收集系統較為重要的環節,包括4個電容(C1,C2,C3,C4)和4個二極管(D1,D2,D3,D4)。當端點3處電壓為正時,二極管D2,D4導通,D1,D3截止,電容C1～C4起到通交流阻直流、通高頻阻低頻的作用,每經過一個二極管電壓就增加一倍,最后輸出電壓為原來的4倍;當端點3處電壓為負時,二極管D1,D3導通,D2,D4截止,電容C1～C4起到通交流阻直流、通高頻阻低頻的作用,每經過一個二極管電壓就增加一倍,最后輸出電壓為原來的4倍。

整流升壓電路的整流效率為

式中,Vdc為負載Rl兩端的電壓,Pav為負載末端的功率。

利用ADS軟件,對整流升壓電路在不同工作狀態下的整流效率進行了仿真,仿真原理圖如圖5(a)所示,圖5(b)是不同工作狀態下天線的效率曲線圖。該曲線大致描繪出了整流升壓電路在不同工作狀態下的效率變化。

從圖5(b)可以看出,該整流升壓電路在不同工作狀態下的整流效率變化較小,最大整流效率均達到70%,說明整流升壓電路在5個不同工作狀態下均有較高的整流效率。

3 能量收集器系統仿真、測試與分析

靈敏度和轉換效率是空間環境能量收集的關鍵,針對靈敏度的難題,本文進行了數據的計算,在此基礎上進行了ADS軟件的仿真和測試。圖6為能量收集測試原理框圖,圖7為收集器系統測試環境圖。在仿真中,頻率選擇2.45 GHz,選取輸入功率為1～15 m W,共15個點進行仿真。得出該能量收集器的效率,即在不同靈敏度下的系統效率,如圖8(a)所示;選取輸入功率為7 m W、頻率范圍在0.5～2.5 GHz的條件下進行仿真。得出能量收集器效率與頻率之間的關系曲線,如圖8(b)所示。

圖5 ADS仿真圖和不同工作狀態下天線的效率

由圖8(a)可知,在輸入信號強度為1 m W時,其效率達11.6%,在輸入信號能量在1～3 m W時,系統的轉換效率有較明顯的上升趨勢,這是由于輸入功率增加直接影響了能量收集器中各個元器件的效率接近13%;輸入信號功率在3～8 m W之間時,效率增加趨勢不再明顯;當輸入信號功率達到8 m W時,效率達到最大的34.8%。此后,效率隨功率增大變化甚微。即隨著輸入信號能量的不斷增強,系統的效率始終保持在34.8%左右;圖8(b)中曲線圖顯示了頻率對系統效率的影響,在頻率在0.75,0.95,1.85和2.45 GHz頻率點上時,效率都有一個峰值,在這幾個頻率上效率有極值,表明在此頻率上能量收集器收集到的能量較多。

利用仿真軟件仿真得出能量收集器的系統效率;將該能量收集器在測試環境中進行實測,得出其仿真曲線。現將得出的仿真效率曲線與實測效率曲線進行對比,如圖9所示。

由圖9可知,收集器系統的仿真曲線與實測效率曲線基本吻合,效率在設定的頻段內保持在35%～58%,曲線變化較明顯,是由于在不同頻段,收集器中二極管閾值、匹配網絡等內部因素制約。此外,多頻可重構天線與2.45 GHz的單頻天線相比,可以有效提高可收集射頻信號的頻帶(覆蓋多個頻段),也就是在多個頻段內可以收集能量。

圖6 能量收集器測試原理框圖

圖7 收集器系統測試

圖8 輸入功率、頻率與效率曲線圖

圖9 系統仿真效率對比圖

4 結束語

本文提出了一種基于可重構天線的能量收集器。文中設計的是覆蓋DTV,GSM900,GSM1800,3G和WiFi信號5個頻段的可重構天線,通過仿真、測試,檢測出天線具有在不同工作狀態下較高的特性;各不同工作狀態的切換依靠寄生單元與饋電線的連接狀態。在此基礎上,由可重構天線、匹配網絡和整流升壓組成的環境能量收集器系統,在仿真軟件上對匹配網絡、整流升壓進行仿真驗證和優化,通過仿真結果可以看出,整個環境能量收集器在靈敏度方面有了較大的提高。實測結果再次證明,該能量收集器在低輸入功率(信號強度較低)的環境中具有較強的使用價值和應用前景。

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Characteristics of an Energy Harvester Based on Reconfigurable Antenna

XU Shu,ZHANG Yu
(College of Electronic and Electrical Engineering,Henan Normal University,Xinxiang453007,China)

A five-band antenna designed on the basis of the principle of frequency reconfigurable antenna can gain different working frequencies by adjusting the parasitic unit and the length of the feeder line,to change the local structure antenna.The antenna is reconfigurable between five frequency bands covering the working frequencies of wireless communication system.In each state it has good characteristics.On this basis,an energy harvester is set up,which can collect the

signals.It contains the reconfigurable antenna,matching network and rectifying booster.Through the simulation softwares HFSSand ADS,all parts of the harvester are optimized and simulated.The simulation results show good performance of each part and the high sensitivity of the harvester.Finally,the actual measurements verify that it has high overall efficiency and the largest harvest efficiency can reach 58.6%.

multiband;reconfigurable antenna;energy harvesting;efficiency

TN710

A

1672-2337(2017)02-0203-05

10.3969/j.issn.1672-2337.2017.02.016

2016-08-20;

2016-10-18

國家自然科學基金(No.61077037)

徐 庶男,1988年出生,河南商丘人,碩士研究生,主要研究方向為射頻能量收集技術理論與應用研究。

E-mail:749199678@qq.com

張 瑜男,1963年出生,河南沁陽人,1986年畢業于西安電子科技大學電磁場與微波技術專業,2005年前為中國電波傳播研究所高級工程師,現為河南師范大學物理與信息工程學院教授,曾先后主持國家863計劃、國家自然科學基金和國防預研項目5項,省部級研究項目9項,參與研究項目數十項,在不同的學術刊物上發表論文100多篇,獲部、省、市科技成果獎多次,目前主要從事電磁波與微波技術理論與應用研究工作。