《电子技术应用》

1 800 MHz射频能量收集系统仿真与分析

2017年电子技术应用第6期 作者:铁欢欢,刘高平
2017/7/25 10:14:00

铁欢欢,刘高平

(浙江万里学院 EDA重点实验室,浙江 宁波315100)


    摘  要: 射频能量收集系统的输出电压以及功率转换效率(PCE)是衡量系统性能的两个重要参数。本文电路工作在1 800 MHz频段,主要由接收天线、阻抗匹配电路、六阶整流倍压电路和负载电路构成,在ADS仿真时信号源功率在-30 dBm~0 dBm之间变化、负载电阻值在100 kΩ~500 kΩ之间变化,观察整个电路输出电压和功率转换效率的变化情况。结果表明,增大入射功率和负载电阻都能提高电路输出电压,PCE随着入射功率的增强而增大但会随着负载电阻的增大而减小,收集较大功率射频信号的系统无论是输出电压还是功率都可以满足低功耗设备的工作需求。

    关键词: 射频能量收集;输出电压;功率转换效率;Advanced Design System(ADS)仿真

    中图分类号: TM619

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.039


    中文引用格式: 铁欢欢,刘高平. 1 800 MHz射频能量收集系统仿真与分析[J].电子技术应用,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

    随着无线通信技术的发展,便携式无线通信设备或网络节点已经被普遍应用,电池仍然是这些设备的主要能量来源[1],由于电池寿命有限,因此吸引了许多企业和研究人员提出新的方法和技术去延长移动设备的寿命[2],能量收集技术便是其中之一。能量收集是俘获和存储外部环境中的能量并且转化成电能的过程,环境中可用来收集的能量有太阳能、温差能、机械能、风能、射频信号[3,4]等多种形式。射频能量收集是从无线能量传输技术发展而来[5],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[6]。环境中存在大量的射频能量源向外辐射可收集的射频信号,比如移动通信系统、WiFi基站、无线路由器、电视无线广播基站等[5,6]。射频能量收集作为一种绿色和可回收技术已有诸多应用,包括在便携式医疗设备、RFID标签、生物遥测技术和无线传感网络等领域[7]

    一个完整的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,这就需要一个高效的接收天线将空气中的射频信号收集起来,同时需要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,还需要在天线与整流器之间设计一个阻抗匹配电路,完整的射频能量收集系统结构如图1所示。本文采用一个工作在1 800 MHz频段的射频能量收集电路,通过ADS仿真软件验证电路的可行性,并且分别改变信号源的输入功率和负载电阻值测量电路的输出电压和功率转换效率,分析影响电路性能的因素以及变化规律。

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1 结构设计和原理

    接收天线是射频能量收集系统的信号采集器,整流倍压电路既可以将交流信号转换成直流信号,又可以起到升压的效果[8],由于天线的输入阻抗通常与倍压电路的输入阻抗不匹配,会在连接处产生信号反射,为了实现最大功率传输,需要在天线与整流电路之间设计一个阻抗匹配电路。下面重点介绍射频能量收集系统三个部分的原理和特点。

1.1 接收天线

    接收天线是射频能量收集系统的一个重要部分,可以将环境中分布的射频信号转化成高频电信号。天线通常工作在一定频带内,因此一种天线往往只能发射和接收频带范围内的射频信号。射频能量收集系统的作用是转化电能为设备供电,因此接收天线需要有较高的增益和较大的带宽。信号端口的回波损耗(S11)是一个衡量天线性能的重要参数,用来反映天线与其他设备连接处的信号反射情况,S11越小表明天线的性能越好,为了便于与其他设备进行阻抗匹配,天线的输入阻抗通常设置成50 Ω。图2为一个微带天线的S11参数随频率分布图,图3为天线输入阻抗的Smith圆图。

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    图2表示天线的谐振频率为1.8 GHz,并且在此频率下的回波损耗为-41.9 dB,图3表示天线工作在1.8 GHz频率下的归一化阻抗为(0.9854-0.0065i)Ω,由于归一化参考阻抗为50O Ω,因此输入阻抗为(49.27-0.325i)Ω,很接近50 Ω。本文的电路使用ADS软件进行仿真,在仿真过程中采用一个阻抗为50 Ω的单音功率源代替阻抗为50 Ω的接收天线。

1.2 整流倍压电路

    整流倍压电路是整个射频能量收集系统的关键,关系着整个系统的输出电压和功率转换效率。本文采用维拉德整流倍压拓扑结构,单阶电路即可以输出两倍于输入信号的电压,通过多阶电路级联可以产生任意的输出电压[8]。单阶的维拉德整流倍压拓扑结构如图4所示,其中C1、D1产生一个电压钳位,C2、D2实现峰值整流,具体的原理为:当输入信号(Vin)为负半周时,二极管D1导通、D2截止,电流通过D1将电能储存在电容C1中,由于电流通过D1时需要克服二极管的阈值电压Vth,因此存储在C1的电压为:

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当输入信号为正半周时,二极管D1截止,D2导通,电流通过D2为电容C2充电,由于C1的电压为V1,D2的阈值电压为Vth,因此在整个回路中,C2两端的电压V2为:

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    上文提到为了得到想要的输出电压值,可将图4所示的单阶电路级联,由前面的分析方法可知,之后电路中每一个电容两端的电压都为2(Vin-Vth),经过N阶电路的级联,最终的输出电压等于N个端电压为2(Vin-Vth)的电容串联的电压值,即输出电压VC为:

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由式(3)可知,单就电路本身而言,倍压级数N和二极管阈值电压Vth都能影响倍压电路的输出电压,并且当输入信号的幅值Vin小于二极管阈值电压Vth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Vth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,本文中使用阈值电压可以低至150 mV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,本文采用一个六阶的维拉德整流倍压电路。

1.3 阻抗匹配电路

    射频电路中,如果源内阻与后级电路阻抗不匹配,就容易使信号在连接处形成反射,造成能量损耗。阻抗匹配电路是一个无源网络,可以转换后级电路的输入阻抗,通过阻抗匹配可以使后级电路的输入阻抗值与源内阻值互为共轭值,称为共轭匹配,实现信号由源到负载的最大功率传输。在射频能量收集系统中,接收天线相当于能量源,而倍压电路则作为后级电路,由2.1可知信号源的内阻为50 Ω,使用ADS软件的S参数仿真控制器测得六阶维拉德整流倍压电路的输入阻抗为(2.1-26.6i)Ω,显然天线与倍压电路之间需要进行阻抗匹配。文中使用ADS软件的Smith Chart Utility获取匹配电路,利用Smith圆图设计阻抗匹配的过程如图5所示,匹配电路如图6所示。

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2 整体电路分析

    完整的射频能量收集电路如图7所示,其中负载电路中的电容用来储存系统输出的电能并且起到滤波的作用,最终输出电压加载在负载两端。电路中已经在源和倍压电路之间插入阻抗匹配电路,减小能量反射损可路耗,图8为源功率为-20 dBm时整个系统的回波损耗,可知即使在较弱功率输入的情况下整个系统在1 800 MHz频段也具有较好的传输性能,因此阻抗匹配不仅可以提升系统的传输特性,还可以提高系统收集信号的灵敏度。

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    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[9],即为:

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上式中,Po表示输出功率,Pr表示入射功率,Vout表示输出电压,RL表示负载电阻,由式(4)可知系统的PCE与输出电压、入射功率和负载电阻有关。输出电压指信号经过倍压电路处理后加载在负载上的电压值,对于单独一阶的倍压电路,相当于一节开路电压为Vo、内阻为Ro的电池,由式(2)可知Vo与输入信号Vin有关,负载为RL时,输出电压为[8]

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由式(6)可知,系统输出电压与倍压阶数、倍压电路内阻、输入信号和负载电阻有关。由于本文采用肖特基二极管HSMS2852与普通电容构成的六阶倍压电路,因此影响系统输出电压和功率转换效率的因素主要是输入信号的功率和系统的负载电阻。

3 仿真结果与分析

    采用ADS软件的谐波平衡仿真控制器对整个射频能量收集系统进行仿真,分别改变信号源功率和负载电阻的阻值,测量系统的输出电压与功率转换效率。

    图9表示射频能量收集系统不同负载值的输出电压随信号源输入功率的变化情况,由曲线图可知,信号源输入功率越大则系统输出电压越大,并且增长的速度也变大,这是因为输入射频信号越强,幅度就越大,能够克服倍压电路中二极管阈值电压的信号就越丰富;另外随着负载电阻值的增大系统输出电压也会增大,并且增长的速度会变小,这可由公式(5)、(6)解释。仿真结果表明,当负载电阻为100 kΩ、入射功率为-30 dBm时输出电压最小,为40 mV,当负载电阻为500 kΩ、入射功率为0 dBm时输出电压最大,为5 332 mV。

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    图10表示射频能量收集系统不同负载值的功率转换效率随信号源输入功率的变化情况,由图可知,信号源输入功率越大系统的功率转换效率就越高,这是由于入射功率越强,能够转化成直流信号的射频信号就越多;随着负载电阻的增大,功率转换效率则变小,这与负载电流的选取有关[10]。经过仿真,当负载电阻为500 kΩ、入射功率为-30 dBm时功率转换效率最小,为1.0%,当负载电阻为100 kΩ、入射功率为0 dBm时功率转换效率最大,为53.0%。

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4 结语

    射频能量收集已经成为延长电池寿命的有效方法之一,电路的输出电压和功率转换效率分别决定了能否为后级电路提供充足的电压和功率,是衡量系统性能的重要参数。本文通过ADS软件仿真一个六阶倍压的射频能量收集电路,结果表明,负载电阻和入射功率都能影响电路的输出电压和功率转换效率,收集环境中的射频信号为设备供电存在一定的难度,但是收集固定射频发射机发出的较大功率信号,无论是输出电压还是输出功率都能满足低功耗设备的工作需求。

参考文献

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