文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.039
中文引用格式： 鐵歡歡，劉高平. 1 800 MHz射頻能量收集系統(tǒng)仿真與分析[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(6)：155-158.
英文引用格式： Tie Huanhuan，Liu Gaoping. Simulation and analysis of 1 800 MHz RF energy harvesting system[J].Application of Electronic Technique，2017，43(6)：155-158.
0 引言
隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，便攜式無(wú)線通信設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)被普遍應(yīng)用，電池仍然是這些設(shè)備的主要能量來(lái)源[1]，由于電池壽命有限，因此吸引了許多企業(yè)和研究人員提出新的方法和技術(shù)去延長(zhǎng)移動(dòng)設(shè)備的壽命[2]，能量收集技術(shù)便是其中之一。能量收集是俘獲和存儲(chǔ)外部環(huán)境中的能量并且轉(zhuǎn)化成電能的過(guò)程，環(huán)境中可用來(lái)收集的能量有太陽(yáng)能、溫差能、機(jī)械能、風(fēng)能、射頻信號(hào)[3，4]等多種形式。射頻能量收集是從無(wú)線能量傳輸技術(shù)發(fā)展而來(lái)[5]，既可以收集環(huán)境中的射頻信號(hào)，也可以收集特定發(fā)射器產(chǎn)生的射頻信號(hào)[6]。環(huán)境中存在大量的射頻能量源向外輻射可收集的射頻信號(hào)，比如移動(dòng)通信系統(tǒng)、WiFi基站、無(wú)線路由器、電視無(wú)線廣播基站等[5，6]。射頻能量收集作為一種綠色和可回收技術(shù)已有諸多應(yīng)用，包括在便攜式醫(yī)療設(shè)備、RFID標(biāo)簽、生物遙測(cè)技術(shù)和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域[7]。
一個(gè)完整的射頻能量收集系統(tǒng)可以將射頻信號(hào)有效地轉(zhuǎn)換成直流電能并且存儲(chǔ)起來(lái)給負(fù)載供電，這就需要一個(gè)高效的接收天線將空氣中的射頻信號(hào)收集起來(lái)，同時(shí)需要RF-DC整流器將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成可供設(shè)備工作的直流電，為了實(shí)現(xiàn)接收天線到整流器間的最大功率傳輸，還需要在天線與整流器之間設(shè)計(jì)一個(gè)阻抗匹配電路，完整的射頻能量收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文采用一個(gè)工作在1 800 MHz頻段的射頻能量收集電路，通過(guò)ADS仿真軟件驗(yàn)證電路的可行性，并且分別改變信號(hào)源的輸入功率和負(fù)載電阻值測(cè)量電路的輸出電壓和功率轉(zhuǎn)換效率，分析影響電路性能的因素以及變化規(guī)律。
1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和原理
接收天線是射頻能量收集系統(tǒng)的信號(hào)采集器，整流倍壓電路既可以將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，又可以起到升壓的效果[8]，由于天線的輸入阻抗通常與倍壓電路的輸入阻抗不匹配，會(huì)在連接處產(chǎn)生信號(hào)反射，為了實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸，需要在天線與整流電路之間設(shè)計(jì)一個(gè)阻抗匹配電路。下面重點(diǎn)介紹射頻能量收集系統(tǒng)三個(gè)部分的原理和特點(diǎn)。
1.1 接收天線
接收天線是射頻能量收集系統(tǒng)的一個(gè)重要部分，可以將環(huán)境中分布的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成高頻電信號(hào)。天線通常工作在一定頻帶內(nèi)，因此一種天線往往只能發(fā)射和接收頻帶范圍內(nèi)的射頻信號(hào)。射頻能量收集系統(tǒng)的作用是轉(zhuǎn)化電能為設(shè)備供電，因此接收天線需要有較高的增益和較大的帶寬。信號(hào)端口的回波損耗（S11）是一個(gè)衡量天線性能的重要參數(shù)，用來(lái)反映天線與其他設(shè)備連接處的信號(hào)反射情況，S11越小表明天線的性能越好，為了便于與其他設(shè)備進(jìn)行阻抗匹配，天線的輸入阻抗通常設(shè)置成50 Ω。圖2為一個(gè)微帶天線的S11參數(shù)隨頻率分布圖，圖3為天線輸入阻抗的Smith圓圖。
圖2表示天線的諧振頻率為1.8 GHz，并且在此頻率下的回波損耗為-41.9 dB，圖3表示天線工作在1.8 GHz頻率下的歸一化阻抗為(0.9854-0.0065i)Ω，由于歸一化參考阻抗為50O Ω，因此輸入阻抗為(49.27-0.325i)Ω，很接近50 Ω。本文的電路使用ADS軟件進(jìn)行仿真，在仿真過(guò)程中采用一個(gè)阻抗為50 Ω的單音功率源代替阻抗為50 Ω的接收天線。
1.2 整流倍壓電路
整流倍壓電路是整個(gè)射頻能量收集系統(tǒng)的關(guān)鍵，關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的輸出電壓和功率轉(zhuǎn)換效率。本文采用維拉德整流倍壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，單階電路即可以輸出兩倍于輸入信號(hào)的電壓，通過(guò)多階電路級(jí)聯(lián)可以產(chǎn)生任意的輸出電壓[8]。單階的維拉德整流倍壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，其中C1、D1產(chǎn)生一個(gè)電壓鉗位，C2、D2實(shí)現(xiàn)峰值整流，具體的原理為：當(dāng)輸入信號(hào)(Vin)為負(fù)半周時(shí)，二極管D1導(dǎo)通、D2截止，電流通過(guò)D1將電能儲(chǔ)存在電容C1中，由于電流通過(guò)D1時(shí)需要克服二極管的閾值電壓Vth，因此存儲(chǔ)在C1的電壓為：
當(dāng)輸入信號(hào)為正半周時(shí)，二極管D1截止，D2導(dǎo)通，電流通過(guò)D2為電容C2充電，由于C1的電壓為V1，D2的閾值電壓為Vth，因此在整個(gè)回路中，C2兩端的電壓V2為：
上文提到為了得到想要的輸出電壓值，可將圖4所示的單階電路級(jí)聯(lián)，由前面的分析方法可知，之后電路中每一個(gè)電容兩端的電壓都為2(Vin-Vth)，經(jīng)過(guò)N階電路的級(jí)聯(lián)，最終的輸出電壓等于N個(gè)端電壓為2(Vin-Vth)的電容串聯(lián)的電壓值，即輸出電壓VC為：
由式(3)可知，單就電路本身而言，倍壓級(jí)數(shù)N和二極管閾值電壓Vth都能影響倍壓電路的輸出電壓，并且當(dāng)輸入信號(hào)的幅值Vin小于二極管閾值電壓Vth時(shí)，電路將沒(méi)有電壓輸出，由于接收天線收集到的射頻信號(hào)可能很微弱，為了保證系統(tǒng)輸出理想的電壓值，應(yīng)使Vth盡可能的小。肖特基二極管具有較低的閾值電壓，和非?？斓霓D(zhuǎn)換速度，非常適合在射頻能量收集電路中使用，本文中使用閾值電壓可以低至150 mV的HSMS2852。為了保證電路在較弱輸入信號(hào)的情況下能輸出有效的電壓，本文采用一個(gè)六階的維拉德整流倍壓電路。
1.3 阻抗匹配電路
射頻電路中，如果源內(nèi)阻與后級(jí)電路阻抗不匹配，就容易使信號(hào)在連接處形成反射，造成能量損耗。阻抗匹配電路是一個(gè)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，可以轉(zhuǎn)換后級(jí)電路的輸入阻抗，通過(guò)阻抗匹配可以使后級(jí)電路的輸入阻抗值與源內(nèi)阻值互為共軛值，稱為共軛匹配，實(shí)現(xiàn)信號(hào)由源到負(fù)載的最大功率傳輸。在射頻能量收集系統(tǒng)中，接收天線相當(dāng)于能量源，而倍壓電路則作為后級(jí)電路，由2.1可知信號(hào)源的內(nèi)阻為50 Ω，使用ADS軟件的S參數(shù)仿真控制器測(cè)得六階維拉德整流倍壓電路的輸入阻抗為（2.1-26.6i）Ω，顯然天線與倍壓電路之間需要進(jìn)行阻抗匹配。文中使用ADS軟件的Smith Chart Utility獲取匹配電路，利用Smith圓圖設(shè)計(jì)阻抗匹配的過(guò)程如圖5所示，匹配電路如圖6所示。
2 整體電路分析
完整的射頻能量收集電路如圖7所示，其中負(fù)載電路中的電容用來(lái)儲(chǔ)存系統(tǒng)輸出的電能并且起到濾波的作用，最終輸出電壓加載在負(fù)載兩端。電路中已經(jīng)在源和倍壓電路之間插入阻抗匹配電路，減小能量反射損可路耗，圖8為源功率為-20 dBm時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的回波損耗，可知即使在較弱功率輸入的情況下整個(gè)系統(tǒng)在1 800 MHz頻段也具有較好的傳輸性能，因此阻抗匹配不僅可以提升系統(tǒng)的傳輸特性，還可以提高系統(tǒng)收集信號(hào)的靈敏度。
對(duì)于射頻能量收集系統(tǒng)，輸出電壓和能量轉(zhuǎn)換效率是衡量系統(tǒng)性能的兩個(gè)重要參數(shù)。系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換效率可用輸出功率與入射功率之比表示[9]，即為：
上式中，Po表示輸出功率，Pr表示入射功率，Vout表示輸出電壓，RL表示負(fù)載電阻，由式(4)可知系統(tǒng)的PCE與輸出電壓、入射功率和負(fù)載電阻有關(guān)。輸出電壓指信號(hào)經(jīng)過(guò)倍壓電路處理后加載在負(fù)載上的電壓值，對(duì)于單獨(dú)一階的倍壓電路，相當(dāng)于一節(jié)開(kāi)路電壓為Vo、內(nèi)阻為Ro的電池，由式(2)可知Vo與輸入信號(hào)Vin有關(guān)，負(fù)載為RL時(shí)，輸出電壓為[8]：
由式(6)可知，系統(tǒng)輸出電壓與倍壓階數(shù)、倍壓電路內(nèi)阻、輸入信號(hào)和負(fù)載電阻有關(guān)。由于本文采用肖特基二極管HSMS2852與普通電容構(gòu)成的六階倍壓電路，因此影響系統(tǒng)輸出電壓和功率轉(zhuǎn)換效率的因素主要是輸入信號(hào)的功率和系統(tǒng)的負(fù)載電阻。
3 仿真結(jié)果與分析
采用ADS軟件的諧波平衡仿真控制器對(duì)整個(gè)射頻能量收集系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分別改變信號(hào)源功率和負(fù)載電阻的阻值，測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓與功率轉(zhuǎn)換效率。
圖9表示射頻能量收集系統(tǒng)不同負(fù)載值的輸出電壓隨信號(hào)源輸入功率的變化情況，由曲線圖可知，信號(hào)源輸入功率越大則系統(tǒng)輸出電壓越大，并且增長(zhǎng)的速度也變大，這是因?yàn)檩斎肷漕l信號(hào)越強(qiáng)，幅度就越大，能夠克服倍壓電路中二極管閾值電壓的信號(hào)就越豐富；另外隨著負(fù)載電阻值的增大系統(tǒng)輸出電壓也會(huì)增大，并且增長(zhǎng)的速度會(huì)變小，這可由公式(5)、(6)解釋。仿真結(jié)果表明，當(dāng)負(fù)載電阻為100 kΩ、入射功率為-30 dBm時(shí)輸出電壓最小，為40 mV，當(dāng)負(fù)載電阻為500 kΩ、入射功率為0 dBm時(shí)輸出電壓最大，為5 332 mV。
圖10表示射頻能量收集系統(tǒng)不同負(fù)載值的功率轉(zhuǎn)換效率隨信號(hào)源輸入功率的變化情況，由圖可知，信號(hào)源輸入功率越大系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換效率就越高，這是由于入射功率越強(qiáng)，能夠轉(zhuǎn)化成直流信號(hào)的射頻信號(hào)就越多；隨著負(fù)載電阻的增大，功率轉(zhuǎn)換效率則變小，這與負(fù)載電流的選取有關(guān)[10]。經(jīng)過(guò)仿真，當(dāng)負(fù)載電阻為500 kΩ、入射功率為-30 dBm時(shí)功率轉(zhuǎn)換效率最小，為1.0%，當(dāng)負(fù)載電阻為100 kΩ、入射功率為0 dBm時(shí)功率轉(zhuǎn)換效率最大，為53.0%。
4 結(jié)語(yǔ)
射頻能量收集已經(jīng)成為延長(zhǎng)電池壽命的有效方法之一，電路的輸出電壓和功率轉(zhuǎn)換效率分別決定了能否為后級(jí)電路提供充足的電壓和功率，是衡量系統(tǒng)性能的重要參數(shù)。本文通過(guò)ADS軟件仿真一個(gè)六階倍壓的射頻能量收集電路，結(jié)果表明，負(fù)載電阻和入射功率都能影響電路的輸出電壓和功率轉(zhuǎn)換效率，收集環(huán)境中的射頻信號(hào)為設(shè)備供電存在一定的難度，但是收集固定射頻發(fā)射機(jī)發(fā)出的較大功率信號(hào)，無(wú)論是輸出電壓還是輸出功率都能滿足低功耗設(shè)備的工作需求。
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作者信息:
鐵歡歡，劉高平
（浙江萬(wàn)里學(xué)院 EDA重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 寧波315100）