无线射频能量收集系统设计

无线射频能量收集系统设计
杨涛，刘兴，李健，周洋
（国网江西省电力有限公司信息通信分公司，江西南昌330096）
摘要：微型电子设备供电方式仍是以电池为主，更换电池带来的困难使这些设备无法长久运行，无线射频能量技术为低功率微电子设备的供电提供了一种新的方式。

文中设计了一套接收2.4GHz射频信号的射频能量收集系统，该系统主要由微型贴片天线、阻抗匹配电路、整流升压电路和存储电路构成，利用ADS仿真工具验证了系统设计的可行性，当负载电阻在100kΩ，输入功率在-10dBm-5dBm之间时，能量转换效率均在30%以上，可实现低功率微电子设备的持续供电。

关键词：射频能量收集；接收天线；阻抗匹配电路；整流升压电路
中图分类号：TM461.3文献标志码：B文章编号：1006-348X（2021）04-0016-05
0引言
随着无线通信技术的迅速发展，便携式和分布式无线设备应用越来越普及，如何为这些设备提供稳定可靠的电源正成为限制无线设备应用和普及的问题之一。

无线射频能量收集技术的发展为低功率无线设备的供电提供了一种新的方式。

无线射频能量收集系统既可以收集环境中的射频信号，也可以收集特定发射器产生的射频信号。

文献[1]设计了一种基于超宽带阿基米德螺旋天线和半波乘法器电路的射频能量收集系统，在0dBm的输入功率下得到了30%的整流效率，且得到的输出电压及功率均可满足低功耗设备的工作需求，但是仍然避免不了能量收集系统体积过大的问题。

文献[2]设计了一个以4-RF频带天线为接收天线的射频能量收集系统，该系统同时从GSM900（全球移动通信系统）、GSM1800、UMTS（全球移动通信系统）和WiFi频段获取能量，在4个射频波段均匀分布的10dBm累计输入功率下，能量转换效率为62%，在5.8dBm时达到84%，但是该系统的天线体积过大的问题仍然存在。

一些最近的非常先进的研究[3-6]，采用CMOS的方案进行射频能量收集系统的设计；文献[7]已经实现在输入功率1MW的情况下转换效率高达74%，通过从外部给所述电路供电，并在CMOS配置中使用自体偏置技术来改变阈值电压并更快地打开晶体管，然而，在整流电路中已经达到高效率的方案没有使用真正的无源配置。

文中以射频能量收集系统的小型化为出发点，利用二极管和电容组合的整流电路，设计了一个以接收2.4 GHz射频信号为目的的能量收集系统。

1无线射频能量收集系统设计
无线射频能量收集系统可以将射频信号有效地转换成直流电能并且存储起来给负载供电，接收天线首先将环境中的射频信号收集起来，通过RF-DC整流器将射频信号转化成可供设备工作的直流电，为了实现接收天线到整流器间的最大功率传输，在天线与整流器之间设计了一个阻抗匹配电路，完整的射频能量收集系统结构如图1所示。

图1射频能量收集系统结构
文中以接收2.4GHz的无线射频能量收集为例，设计了如图2所示的能量收集系统。

收稿日期：2020-12-15
作者简介：杨涛（1991），男，硕士，工程师，
主要研究方向为无线传感器网络。

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2021年第4期总第241期
图2射频能量收集系统原理
图2中，接收天线是系统的信号采集器，可以将环境中分布的射频信号转化成高频电信号，本系统选用的是一种工作在2.4GHz 频率的同轴馈电的微型贴片天线；阻抗匹配电路用来保证射频能量的最大功率传输，该电路通过一个LC 匹配网络实现；整流升压电路使用了一个三阶维拉德电路，既可以将交流电信号转换成稳定的直流信号，又可以起到提高输出电压的效果；存储电路是由大容量的电容器Cst 构成，可以将收集的能量存储起来，并为负载供电。

1.1
接收天线设计
接收天线用于接收环境中相应频段的射频电磁波能量，其结构与采集到的射频能量大小有很大的关系。

合适的接收天线可以提供一个较高的初级电压，为射频能量采集器的设计提供保障。

假设到达接收天线上来波电场在天线上激起的电流分布为I （z ），电流初相为零，接收天线从入射电场中吸收的功率：
d p =-
e I （z ）
（1）
则可得整个天线吸收功率为:P =-∫
-l
l εI （z ）e -j kz cos θ=∫
-l
l
E z I （z ）e -j kz cos θd z
（2）
其中，
e -jkz cos θ是入射电场到达天线各段元的波程差因子；E z =E i sin θ，为天线振子轴的平行分量；接收天线的电流分布I
（z ）=I m sin k （1-||z ），其中I m 是波腹电流，k 为波数。

假设发射天线的归一化方向函数为F （θi ），最大入射场强为||E i max ，由式（2）可知接收天线的接收电动势为：
E =||E i max
·cos φ·h ein ·F （θi
）（3）
其中，j 是入射场E i 与q i （方向角q 的单位矢量
）的夹角；h ein 是接收天线归于输入电流的有效长度；F （q ）是接收天线的归一化方向函数。

弗里斯传输公式（Friis Free-Space Formula ）是进行无线电信系统总体设计的一个重要公式，其简化表达形式如式（4）:
P r =(λ4πr )2
G r G t P t （4）其中，P r 表示接收天线接收到的功率密度；λ表示电磁波波长；r 表示传输距离；G r 表示接收天线的增益；G t 表示发射天线的增益；P t 表示发射功率。

一般来说，天线的接收功率分为3部分，即
P r =P Σ+P L +P l
（5）
其中，P ∑为接收天线再辐射功率；P L 为负载吸收功率；P l 为导线和媒质损耗功率。

由式（5）可知，文中设计的射频能量采集系统不能调节发射机的发射功率P t 和发射天线的增益G t 。

同时，选择的天线应降低再辐射功率、导线和媒介损耗功率，尽量提升负载吸收功率。

从式（5）可以看出，想要增加接收天线接收到的功率密度P r ，提高接收天线的增益G r 是一个方法。

一般来说，定向天线的增益大于全向天线，但方向角小于全向天线，因而对安装方向有严格的要求，即将增益最大的方向对准来波方向。

对于信号较弱的WiFi 信号，需要选择一个宽频带、高增益的接收天线来接收。

由于不同的馈电方式对天线辐射性能有不同的影响，对微带馈电和同轴馈电这两种馈电方式进行对比:当采用微带线馈电时，微带线本身会产生辐射损耗，这种附加的损耗会对天线方向性参数产生不利影响，天线增益也会随之降低。

文中选择一种以同轴馈电的天线馈电方式改进的贴片天线，并用ANSYS 公司的ANSYS Electronics Desktop 软件对其进行建模仿真，建立的天线几何模型如图3所示，天线的几何参数如表1所示。

图3
贴片天线几何模型
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表1天线的几何参数
1111
波端口处电磁波的反射功率和入射功率的比值的平方根。

从S
11
参数图中可以看出天线的中心频率为2.4629GHz，上截止频率为2.3537GHz，下截止频率为2.5400GHz，绝对带宽为0.1863GHz，相对频带宽度为7.56%。

图4天线S11参数示意图
从图5史密斯圆可以看出，在中心频率2.46GHz 时，该天线的输入阻抗已经很接近50Ω阻抗匹配。

图5天线史密斯圆图
电压驻波比（VSWＲ）是衡量天线性能的重要参数，天线正常工作时，一般要求天线的电压驻波比小于2。

从图6中可以看出，在2.39GHz～2.53GHz 频率内，电压驻波比小于1.5，满足正常天线工作的要求。

该结果与S参数图得到的结果一致。

图6天线电压驻波比示意图
1.2匹配电路设计
为了有效提高天线所接收无线信号的电压幅值，本系统采用了如图2所示的匹配升压电路。

图2中，R
m1
为天线的50Ω特性阻抗；L
m
为可调的匹配电感；
R
m2
、C
m
分别为后级整流电路网络输入端口的等效输入电阻和电容。

匹配升压电路采用LC匹配网络实现，将天线接收到的射频信号进行匹配升压，供给后继的整流升压电路。

匹配升压电路的工作原理是：设V
o
为匹配升压电路传输给后继的整流升压电路的输入信号，由LC匹配理论可得：
V
o
=V
in
1
jωC m
+R
m2
R
m1
+R
m2
+jωL m+
1
jωC m
（6）
由式（6）可知，当jωL m=-1/jωC m时，匹配网络呈纯电阻性，且电流值为最大。

当C m减小时，可以获得
足够大的V
o。

1.3整流升压电路设计
本系统采用了维拉德整流升压电路将接受天线接收的高频电流进行整流和电压放大。

维拉德电路输出的信号为直流，且单阶电路即可输出两倍于输入信号的电压，通过多阶电路级联可以产生更高的电压。

三阶维拉德电路如图2所示，每一级整流升压电路包含两个肖特基二极管和两个电容器。

图2中，C
1
、D
1
、C
2
、D
2
为维拉德电路第一阶，
其中18
C
1、D
1
产生第一个电压钳位，C
2
、D
2
实现峰值整流，当
输入信号V
in 为负半周期时，二极管D
1
导通，D
2
截止，
电流通过D
1将电能储存在C
1
中，由于电流通过D
1
时
需要克服二极管的阈值电压V
in ，因此C
1
的电压为：
V
1=V
in
－V
th
（7）
当输入信号为正半周时，二极管D
1截止，D
2
导
通，电流通过D
2为电容C
2
充电，由于C
1
的电压为V
1
，
D
2的阈值电压为V
th
，因此在整个回路中，C
2
两端的电
压V
2
为：
V
2=2N（V
in
－V
th
）（8）
由上述的分析方法可知，经过N阶级联后的维拉
德电路的输出电压为N个端电压为2（V
in -V
th
）的电容
串联的电压值，即输出电压V
n
为：
V
n=2N（V
in
－V
th
）（9）
由式（9）可知，单就电路本身而言，倍压级数N和二极管阈值电压V
th
都能影响倍压电路的输出电压，
并且当输入信号的幅值V
in 小于二极管阈值电压V
th
时，电路将没有电压输出，由于接收天线收集到的射频信号可能很微弱，为了保证系统输出理想的电压值，应使V
th
尽可能的小。

肖特基二极管具有较低的阈值电压，和非常快的转换速度，非常适合在射频能量收集电路中使用，本系统中使用阈值电压可以低至150mV的HSMS2852。

为了保证电路在较弱输入信号的情况下能输出有效的电压，文中采用一个3阶的维拉德电路。

2实验结果与分析
对于射频能量收集系统，输出电压和能量转换效率是衡量系统性能的两个重要参数。

系统的功率转换效率可用输出功率与入射功率之比表示，即为：
PCE=P
P
r
=
V
out
P
r
R
L
（10）
式中，P
0表示输出功率；P
r
表示入射功率；V
out
表
示输出电压；R
L
表示负载电阻；由式（10）可知系统的PCE与输出电压、入射功率和负载电阻有关。

图7展示了工作在2.4GHz下，射频能量收集系统在不同输入功率以及负载电阻值下的能量转换效率的测试结果，由图可知随着输入功率越大系统的能量转换效率就越高，随着负载电阻的的增大，能量转换效率变小。

由图7可知，负载电阻100kΩ时，输入功率在-5dBm-0dBm之间时能量转换效率达到最大值55%。

图7不同输入功率以及负载电阻值下的能量转换效率
图8展示了负载电阻在100kΩ，不同输入功率下的输出电压，由图中曲线走势可知，随着输入功率的增大，系统的输出电压越来越大，最大输出电压4.2V，且在-10dBm-10dBm输入功率时，输出电压均大于2V。

图8不同输入功率下的输出电压
3结语
射频能量收集技术目前正成为低功耗微型电子设备有效的供电方法之一，文中设计了一套接收2.4 GHz射频信号的射频能量收集系统，该系统主要由微型贴片天线、阻抗匹配电路、整流升压电路和存储电路构成。

仿真实验结果表明，在2.4GHz信号充足的室内，可实现低功率微电子设备的持续供电。

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