一種應用于無線傳感器網絡無線能量收集系統的整流電路劉彥伶 劉寶宏

陳瑛 王強強

摘要：本文給出了一種應用于無線傳感器網絡的無線能量收集器的整流電路。該整流電路采用L形結構作為輸入匹配，采用商用肖特基二極管實現整流，仿真結果表明，本整流電路在2.45GHz具有良好的端口特性，其功率轉換效率可以達到58%。該整流電路能夠應用到無線能量收集系統實現能量轉化，從而實現對無線傳感器網絡節點的持續供電，具有較強的應用意義。

關鍵詞：無線能量收集系統;整流電路;射頻信號;功率轉換效率

中圖分類號：TP212.9 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）10-0066-02

0 引言

隨著通信及電子技術發展，超低功耗的無線傳感器網絡廣泛應用于健康監測、智能建筑、汽車工業等領域。對于這些超低功耗的無線傳感器網絡能量供應是其考慮的關鍵問題。雖然電池能夠較為穩定提供能量供應，但這些傳感器網絡攜帶的電池通常只能儲存有限能量，其工作壽命受限于電池儲存能量多少。更換這些電池將會給無線傳感器網絡應用帶來難以接受成本和環境污染問題。解決無線傳感器網絡能量供應問題的一個極具潛力的方案是采用無線能量收集，通過收集定向發射電磁波信號或自然界中的電磁波信號實現能量儲存和供應從而解決這些超低功耗無線傳感器網絡的能量供應問題。本文介紹了一款能夠用于無線能量收集系統的整流電路，該電路結構簡單，功率轉換效率高，能夠廣泛應用于無線能量收集系統用于能量供應。

1 45GHz無線能量收集系統結構

圖1是2.45GHz無線能量收集系統結構[1]，該系統包含天線，匹配電路，整流電路，DC-DC模塊，存儲器（電容或負載阻抗）。天線主要用于無線能量信號的捕獲，將空中傳輸的電磁波信號轉換成電路可用的電壓信號，匹配電路主要用于天線和整流電路之間進行信號匹配，實現電磁波信號無損耗傳輸到整流電路，整流電路主要用于電磁波信號轉換成直流信號，DC-DC電路主要實現將整流電路的輸出信號穩定輸出為固定電壓信號，同時避免負載阻抗對電源電壓影響。存儲器的作用主要是將DC/DC電路的輸出電壓存儲成電能供后續電路使用或直接供應給負載電路提供穩定的能量供應。

在實際電路設計中，匹配電路主要是將整流電路的寄生參數和天線的50歐姆相互匹配，保證信號無反射的傳輸到整流管中，因此匹配電路和整流電路通常一起進行設計，因此，本整流電路設計中包含整流電路和匹配電路兩個部分。

2 整流電路設計

如圖2所示為該整流電流的電路結構圖，其由輸入匹配電路、整流二極管對、輸出濾波電路構成。輸入匹配電路采用L型阻抗匹配網絡，通過串聯傳輸線和并聯的到地傳輸線構成了輸入匹配結構。輸出為濾波器結構，通過傳輸線和扇形微帶實現輸入射頻信號的濾除，同時直流信號能夠輸出到負載。整流二極管采用并串對管結構，在本電路中采用了HSMS286來實現該并串對管結構。

在整流電路中，由于其輸入端信號為射頻信號，需要通過輸入阻抗匹配電路實現信號無反射傳輸到整流二極管中。通常，能夠用于輸入阻抗匹配的網絡有L形、T形、π形、變壓器這幾種結構[2]，在這些結構中，L形具有匹配結構簡單、易于實現的特點，T形和π形匹配網絡能夠實現輸入信號良好匹配，同時其匹配的品質因子相對于L形結構的品質因子更高，但由于其采用多個傳輸線或集總器件方式，在實際電路中存在調試困難的問題，變壓器匹配結構能夠實現電壓變換和阻抗匹配的優點，但是由于變壓器面積通常較大，在實際使用中存在較大的局限，綜合考慮上述因素，在本整流電流中采用L形匹配結構。

對于整流二極管而言，串聯電阻Rs和非線性電容Cj都是越小越好。這是因為串聯電阻Rs則會在二極管整流時，對負責整流的非線性結電阻Rj進行分壓，降低二極管的整流效率。非線性結電容Cj則會影響二極管反向阻抗，Cj越小，二極管反向阻抗越大，對應的整流效率越高。同時，在選擇整流二極管時，應選擇擊穿電壓Vbr較大，而導通電壓較小的二極管。因為當整流電路的輸入功率較低時，二極管兩端電壓較小，尚未達到其導通電壓，因此，導致整流電路效率低下。而隨著輸入功率的增大，二極管正式導通，進入非線性區域，產生高次諧波和直流能量，電路整流效率會大大提高。但是，當輸入功率增大到一定程度后，二極管兩端的電壓會超過整流二極管的擊穿電壓Vbr，這時，整流效率會開始明顯下降。在本設計中整流二極管選擇采用并聯-串聯的對管結構，該結構相對于單一的并聯或串聯整流管能夠在更低的入射信號情況下得到良好的功率轉換效率。

3 仿真結果及討論

本整流電流采用微波線路板來實現，該電路線路板為Arlon AD255微波板，其參數分別為：Er=2.55，厚度t=0.787mm，該整流電路工作頻率為2.45GHz。對該整流電路采用商用仿真軟件ADS進行仿真分析，圖3是仿真的輸入端口反射系數。從仿真結果可以看出該整流電路在2.45GHz呈現出良好的反射特性，其輸入端口反射系數約-19.5dB，輸入信號在2.415GHz～2.525GHz范圍可以達到低于-10dB的端口反射系數。

整流電路的功率轉換效率是整流電路輸出直流功率與輸入射頻/微波信號功率之比[3]：

（1）

式中，Pin是輸入信號功率，Pdc是輸出直流功率，Vdc是輸出直流電壓，Rl是整流電路負載阻抗。

利用公式（1）可以計算不同輸入信號的情況下整流電路功率，圖4是功率轉換效率仿真結果圖，可以看出該整流電路最高效率為58%，在輸入信號功率較低的時候，其功率轉換效率較低，此時其輸入信號主要用于克服整流二極管的寄生阻抗，當輸入信號較大時，此時其功率轉換效率呈現下降特性，這是由于當輸出直流電壓達到二極管反向擊穿電壓時，二極管反向擊穿，此時雖然輸入信號增加，但由于輸出電壓保持穩定，由公式（1）知道其輸出功率下降。

4 結論

本文給出了一種可以應用于無線傳感器網絡的無線能量收集系統的整流電路，該整流電路采用簡單L形輸出匹配結構，二極管采用商用肖特基二極管，整個電路在2.415GHz～2.525GHz范圍呈現良好的端口匹配特性，其功率轉換效率達到58%，該電路特別適合于廣泛使用的無線傳感器網絡的能量供應，從而實現無線傳感器網絡節點的持續供電和工作。

參考文獻

[1] Baohong Liu，Ying Chen，Tanghuai Fan.Challenges and statues of rectifier for far field wireless energy harvester in power variation of input RF/microwave signal[C].2018 IEEE 4th International Conf.on Computer and Communication，Dec，2018.

[2] 廖承恩.微波技術基礎[D].西安：西安電子科技大學出版社，1994，12.

[3] 劉寶宏，陳瑛，樊棠懷.射頻/微波能量收集系統的整流電路研究綜述[J].半導體技術，2019，44（3）：161-170.