基于高增益陣列天線的射頻能量收集系統*

黃七杰，李 亮，張小帥，李民權

（1.安徽大學 電子信息工程學院，安徽 合肥 230601；2.國網安徽省電力有限公司建設分公司，安徽 合肥 230022）

0 引 言

近年來，無線通信技術得到了飛速發展，越來越多的移動電話基站、電臺、電視信號發射塔等設備被建，大大方便了人們的生活。但是，隨之而來，越來越多的無線射頻能量殘留在環境中。隨著微電子技術的發展，電子系統的功耗越來越低，出現了微瓦級功耗的電子系統，使得系統從周圍環境中收集能量供自身持續工作成為可能。越來越多的電子微系統相繼出現，極大地推動了射頻能量回收的進展[1]。通過將殘留在環境中的射頻能量回收作為“電池”為低功耗系統進行供電，可以使能量有效循環。經過多年研究，射頻能量收集技術取得了一定成果，特別是天線多頻帶、天線小型化和寬頻帶技術[2-4]的研究，促進了射頻能量收集的發展。但是，目前的射頻能量收集仍然存在接收效率和輸出電壓低等問題。本文在分析射頻能量收集系統的基礎上，對接收天線、匹配電路和倍壓整流電路進行研究，設計了由天線陣列、射頻匹配網絡等組成的高效射頻的能量收集系統，為空間射頻能量的有效收集提供借鑒。

1 系統結構

系統由接收天線、阻抗匹配電路和整流倍壓電路組成。接收天線接收的射頻信號經匹配電路送入整流倍壓電路，匹配電路減小信號的反射，使得射頻能量最大效率流入整流倍壓電路。整流倍壓電路對傳來的射頻信號整流、升壓，然后用所獲得的直流電壓供給負載或存儲[5]。具體結構如圖1所示。

圖1 系統結構

1.1 高增益天線陣列設計

本文設計的天線單元結構如圖2所示，將天線做成陣列如圖3所示。采用FR4_expoxy介質板，工作頻率為2.45 GHz，天線陣元參數L1=18.7 mm、W1=21.6 mm、W2=6.2 mm、W3=2 mm、L2=2 mm、H=1.6 mm。采用高頻仿真軟件HFSS仿真優化，天線S11和方向圖如圖4、圖5所示。做成陣列后，天線工作在2.45 GHz時，天線最大增益達到12.67 dBi。

圖2 天線貼片

圖3 陣列天線

圖4 天線回波損耗

圖5 天線方向圖

1.2 阻抗匹配電路

匹配電路是射頻能量收集系統中必不可少的部分，連接著接收天線和整流升壓電路，將兩部分電路阻抗形成共軛匹配，使射頻能量最大限度地從天線經匹配網絡流進整流升壓電路。根據整流電路設計原理的不同，阻抗匹配網絡所用的方法也不同。常用的匹配方法有枝節匹配、在波節點處接入λ/4微帶線阻抗匹配、采用λ/4和λ/8阻抗變換線進行匹配等方式。本文采用微帶線阻抗匹配，匹配電路參數如圖6所示。

1.3 整流倍壓電路

考慮到倍壓級數和二極管閾值電壓均影響倍壓電路的輸出電壓，當輸入信號的幅值小于二極管閾值電壓時，電路無電壓輸出，且接收天線從環境中收集的射頻信號較為微弱。為保證系統輸出電壓值能夠滿足要求，這里選用閾值電壓較小、轉換速度較快的肖特基二極管HSMS-2852。它的等效電阻為25 Ω，閾值電壓為0.15 V，擊穿電壓為3.8 V，結電容為0.18 pF。倍壓級數選擇6級，電容選擇1 μF。整流倍壓電路如圖7所示。

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圖6 阻抗匹配電路參數

當流入倍壓電路的幅值和功率分別為Vin、Pin時，其輸出電壓和整流效率為[6]：

Vth為二極管的閾值電壓，R為接入電路的負載。采用ADS軟件進行仿真優化，當輸入信號功率為-30～30 dBm時，輸出直流電壓及整流效率的仿真及測試結果如圖8所示。

對所設計的天線及匹配電路，整流倍壓電路進行加工測試，測量結果如圖8所示，電路實物如圖9所示。當輸入信號為-30 dBm時，仿真及實際整流效率都為0。當輸入功率在-10～20 dBm時，效率呈上升趨勢，在20 dBm時效率達到14.53%，但實際的效率只有8.07%。此后，再增大輸入功率，仿真效率與實際效率都下降。對于輸出電壓，在輸入功率為-30～-10 dBm時，輸出電壓都基本為0；輸入功率在-10～30 dBm時，輸出電壓呈上升趨勢，仿真曲線最大值達到8.1 V，而實測電壓為6.5 V。

圖7 六階維拉德倍壓電路原理

圖8 整流效率及輸出電壓隨入射功率變化情況

當將電路應用于實際時，它的整流效率和輸出電壓都遠小于仿真值，這是因為仿真時用的電容、二極管和環境情況都是理想的。實際上，電容和二極管本身也存在消耗且有個體差異，環境條件也非理想情況。此外，發射天線與接收天線之間的距離也會影響輸出電壓?？傮w而言，實際的傳輸效率和輸出電壓基本滿足需求。

2 結 語

圖9 電路實物圖

為了實現高效率和高輸出電壓的射頻能量收集，本文設計了一種使用高增益天線陣列的射頻能量收集系統。經過仿真優化與實物測試，證明了其可行性。測試結果顯示，當輸入功率在-10～20 dBm時，其在2.45 GHz可提供0.022～4.2 V的輸出電壓。能夠對空間射頻能量進行有效收集。