移動通信信號對射頻能量采集系統(tǒng)中RF-DC整流電路的影響分析*

王忠川，秦衛(wèi)平

（南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院，江蘇 南京 210023）

0 引 言

近年來，無線技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在通信領(lǐng)域。也就是信息傳遞領(lǐng)域，移動通信技術(shù)更是日新月異，從2G到3G，再到現(xiàn)在成熟使用的4G，以及即將商用的5G技術(shù)，移動通信技術(shù)引領(lǐng)著通信技術(shù)的飛速進(jìn)步。然而，無線能量收集的具體應(yīng)用大部分還只停留在研究階段[1]。無線能量收集（Radio Frequency Energy Harvesting）是一種將周圍環(huán)境中分布式的能量進(jìn)行收集并轉(zhuǎn)換成可供負(fù)載使用的電能的一種技術(shù)。飛速進(jìn)步的移動通信技術(shù)，使得環(huán)境中分布的射頻能量持續(xù)增加，使射頻能量收集在低功耗電子設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用前景。射頻能量傳輸?shù)难芯渴加?964年，W C Brown首次成功驗證了微波功率傳輸[2-5]（MPT）的可行性。

射頻能量收集系統(tǒng)如圖1所示，箭頭指向代表能量和信息的傳遞過程。信號源處所需發(fā)送的信號經(jīng)過發(fā)射天線在一個很高的頻段發(fā)射出去，然后通過大氣傳輸?shù)竭_(dá)接收天線一方。接收到的信號經(jīng)過RF-DC倍壓整流電路整流后轉(zhuǎn)化成直流信號，然后將轉(zhuǎn)化的直流信號存儲在儲能器件中。由于在野外環(huán)境中特別是一些人無法頻繁到達(dá)的地方如基站中的節(jié)點，利用射頻能量采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)化而來的電能，直接可以為其供電，方便、經(jīng)濟、快捷，節(jié)省了大量的人力、物力、財力，應(yīng)用價值顯著。特別是現(xiàn)代移動通信技術(shù)的發(fā)展，獲得了更快的數(shù)據(jù)傳遞速率。日本學(xué)者進(jìn)行了FSK、16QAM、QPSK等信號對系統(tǒng)的研究工作[6-8]，而學(xué)術(shù)界還幾乎沒有研究移動通信中的信號形式對能量采集系統(tǒng)的影響。

圖1 射頻能量收集系統(tǒng)

1 RF-DC整流電路設(shè)計

RF-DC整流電路利用二極管的單向?qū)ㄌ匦?，截取射頻信號。本文設(shè)計的整流電路是經(jīng)典的倍壓整流電路，包含2個二極管、1個直流截斷電容和1個平滑電容。選取二極管時要注意，二極管的起始工作功率越低越好[9-12]，且要求整流電路輸出端電壓越高越好。所以，在本文研究的能量收集系統(tǒng)中，主要使用的是HSMS285C。圖2是設(shè)計的經(jīng)過匹配的整流電路原理圖，圖3是制版后的實物圖，大小是20 mm×43 mm。射頻整流的轉(zhuǎn)化效率為：

圖2 射頻能量收集系統(tǒng)電路原理

圖3 整流電路實物版圖

2 移動通信信號的能量轉(zhuǎn)化率

2.1 GSM信號

2G通信系統(tǒng)中的GSM信號，分布的頻段為900 MHz和1 800 MHz。本文主要研究GSM信號的波形對系統(tǒng)性能的影響，因此為降低頻率帶來的影響，將GSM信號的載波頻率設(shè)置為2 GHz。GSM信號的頻譜如圖4所示，可知GSM信號的帶寬約為550 kHz。

圖4 GSM信號的頻譜

在電路原理圖中設(shè)置-30～30 dBm的掃描計劃且步長為1 dBm，然后進(jìn)行諧波平衡仿真，得到在GSM信號作為輸入信號時系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率和輸出電壓隨輸入功率變化的曲線，如圖5、圖6所示。

圖5 能量轉(zhuǎn)化效率vs輸入功率

圖6 輸出直流電壓vs輸入功率

從圖5可知，匹配整流器的轉(zhuǎn)換效率因輸入功率的增加而遞增，輸入功率在2 dBm時轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值約66.2%，隨后因輸入功率的增加而下降。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是二極管的非線性特性，當(dāng)輸入功率低于-30 dBm時，轉(zhuǎn)換效率幾乎為零，此時二極管處于非導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)高于2 dBm時，因輸入功率過大致使二極管擊穿，導(dǎo)致系統(tǒng)中的電流急劇增大[13-20]。正是因為二極管的非線性特征，使得系統(tǒng)的輸出電壓隨輸入功率的增加具有非線性關(guān)系，如圖6所示。輸入功率在0 dBm時，輸出電壓約為1.78 V；當(dāng)達(dá)到13 dBm時，輸出電壓達(dá)到最大值，值約為3.5 V；隨后，電壓的大小幾乎保持不變。

2.2 WCDMA信號

3G信號中的WCDMA信號，頻率主要分布在1 940～1 955 MHz和2 130～2 145 MHz的頻段范圍內(nèi)，采用QPSK調(diào)制方式，碼片速率為3.84 Mb/s。本文主要研究WCDMA信號的波形對系統(tǒng)性能的影響，因此將WCDMA信號的載波頻率設(shè)置為2 GHz。WCDMA的頻譜圖和CCDF特性曲線分別如圖7、圖8所示。從圖7可知，WCDMA的信號帶寬約為5 MHz，而CCDF特性曲線用于描述任意功率與平均功率之比，橫坐標(biāo)表示低于或高于平均功率的值（以dB為單位），縱坐標(biāo)表示大于等于任意功率出現(xiàn)的概率[13]。從圖8可知，WCDMA信號大于等于平均功率的概率約占51%，僅有1%的概率高于平均電平2.6 dB表示信號的峰均比為2.6 dB。

圖7 WCDMA頻譜

圖8 WCDMA的CCDF曲線

通過在電路原理圖中設(shè)置-30～30 dBm的掃描計劃且步長為1 dBm，然后在ADS中進(jìn)行諧波平衡仿真，得到WCDMA信號對匹配整流器的轉(zhuǎn)換效率和輸出電壓隨功率變化的曲線，如圖9、圖10所示。從圖9可知，匹配整流器的轉(zhuǎn)換效率因輸入功率的增加而遞增，輸入功率在4 dBm時轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值約65.1%，隨后因輸入功率的增加而下降。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是二極管的非線性特性，當(dāng)輸入功率低于-30 dBm時，轉(zhuǎn)換效率幾乎為零，此時二極管處于非導(dǎo)通狀態(tài)；高于4 dBm時，由于輸入功率過大致使二極管擊穿，導(dǎo)致系統(tǒng)中的電流急劇增大。正是由于二極管的非線性特性，使得系統(tǒng)的輸出電壓隨輸入功率的增加呈非線性關(guān)系，如圖10所示。輸入功率在0 dBm時，輸出電壓約1.22 V；當(dāng)達(dá)到16 dBm時，輸出電壓達(dá)到最大值，值約為3.5 V；隨后，電壓的大小幾乎保持不變。

圖9 能量轉(zhuǎn)化效率vs輸入功率

圖10 輸出電壓vs輸入功率

2.3 CDMA2000信號

CDMA2000信號主要分布在1 920～1 935 MHz和2 110～2 125 MHz頻率范圍內(nèi)，采用QPSK調(diào)制方式[21]，碼片速率為1.228 8 Mb/s。本文主要研究CDMA2000信號的波形對系統(tǒng)性能的影響，因此將CDMA2000信號的載波頻率設(shè)置為2 GHz。CDMA2000的信號帶寬約為1.5 MHz，CDMA2000信號大于等于平均功率的概率約占49%，僅有1%的概率高于平均電平3.1 dB表示信號的峰均比為3.1 dB。

從圖11中可以看出，匹配整流器的轉(zhuǎn)換效率隨著輸入功率的增加而增加，在-1 dBm時達(dá)到最大值，約為65.7%，隨后因輸入功率的增加而減小[22]。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是二極管的非線性特性，當(dāng)輸入功率低于-30 dBm時，轉(zhuǎn)換效率幾乎為零，此時二極管處于非導(dǎo)通狀態(tài)；在高于-1 dBm時，由于輸入功率過大致使二極管擊穿，導(dǎo)致系統(tǒng)中的電流急劇增大[23-26]。正是由于二極管的非線性特性，使得系統(tǒng)的輸出電壓隨輸入功率的增加呈非線性關(guān)系，如圖12所示。輸入功率在0 dBm時，輸出電壓約為2.32 V；當(dāng)達(dá)到10 dBm時，輸出電壓達(dá)到最大值，值約為3.5 V；隨后，電壓的大小幾乎保持不變。

圖11 能量轉(zhuǎn)化效率vs輸入功率

圖12 輸出電壓vs輸入功率

3 分析與結(jié)論

本節(jié)將分析WCDMA和CDMA2000信號波形對轉(zhuǎn)換模塊的性能影響，并與CW信號進(jìn)行對比分析。在第2章節(jié)和第3章節(jié)中，將WCDMA和CDMA2000信號作為轉(zhuǎn)換模塊的輸入信號，負(fù)載取值為4.3 kΩ，仿真分別得出在不同信號下轉(zhuǎn)換模塊的功率轉(zhuǎn)換效率和輸出電壓隨輸入功率遞增而變化的趨勢。現(xiàn)將WCDMA、CDMA2000和CW的轉(zhuǎn)換效率和輸出電壓整理后比較，結(jié)果如圖13、圖14所示。

從圖13可知，輸入不同的信號波形，不會提高轉(zhuǎn)換模塊的最大轉(zhuǎn)換效率，但會降低轉(zhuǎn)換模塊達(dá)到最大轉(zhuǎn)換效率的輸入功率。不同的信號對匹配整流器的轉(zhuǎn)換效率趨勢一致，均隨著輸入功率的增加呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢[25]。在低輸入功率情況下，CDMA2000的轉(zhuǎn)換效率為三者最佳，比最差的WCDMA高出約13%；在高輸入功率情況下，CDMA2000的轉(zhuǎn)換效率最先開始下降，但是三種信號的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值時的輸入功率不同[26]。WCDMA信號在4 dBm時轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值約為65.1%，CW信號在2 dBm時轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值約為66.2%，CDMA2000信號在-1 dBm時轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值約為65.7%。可見，三個信號為最佳轉(zhuǎn)換效率時，輸入功率依次降低3 dBm。

圖13 不同信號的能量轉(zhuǎn)化效率

圖14 不同信號的輸出電壓

從圖14可知，輸入不同的信號波形，不會提高轉(zhuǎn)換模塊的最高輸出電壓，但會降低轉(zhuǎn)換模塊達(dá)到最大輸出電壓的輸入功率。不同的輸入信號對應(yīng)的輸出電壓的趨勢一致，即隨著輸入功率的增加，輸出電壓的對數(shù)先與輸入功率成正比，而后達(dá)到最大值時保持不變[27-30]。在低輸入功率情況下，CDMA2000的輸出電壓是三者中最高的，CW次之，WCDMA最低。在輸入功率為-10 dBm時，三者的輸出電壓分別為0.629 V、0.418 V和0.248 V。在高輸入功率情況下，三種信號的輸出電壓均保持不變，不同的是CDMA2000先達(dá)到最大值，WCDMA最后達(dá)到，到達(dá)時的輸入功率分別為10 dBm、13 dBm和16 dBm。

為了分析產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因，下面分析不同信號作為輸入信號時匹配整流器的S11參數(shù)，如圖15所示。S11參數(shù)隨輸入功率的變化趨勢一致，不同之處在于每個信號的S11參數(shù)的最小值所對應(yīng)的輸入功率不同。CDMA2000在輸入功率為-3 dBm時取得最小值，CW在0 dBm，而WCDMA在3 dBm。從這里可以側(cè)面解釋為何CDMA2000信號在低輸入功率時匹配整流器的轉(zhuǎn)換效率和輸出電壓最好，而WCDMA信號的最差。

圖15 不同信號波形的S11參數(shù)

從圖16、圖17、圖18中可以得出，CDMA2000信號的輸入功率譜最大，其次是CW信號，WCDMA信號最小。其中，CDMA2000信號比CW信號高約3 dBm，CW信號比WCDMA信號的功率譜高約3.8 dBm。從輸入功率譜的大小可以得出，CDMA2000信號的轉(zhuǎn)換效率和輸出電壓最大，WCDMA信號的最小。

圖16 0 dBm輸入下，CW的輸入功率譜

圖17 0 dBm輸入下，WCDMA的輸入功率譜

圖18 0 dBm輸入下，CDMA2000的輸入功率譜

另一方面，文獻(xiàn)[31]的研究表明，具有較高峰均比的信號波形，可獲得較高的轉(zhuǎn)換效率。WCDMA信號和CDMA2000信號的峰均比分別為2.6 dB和3.1 dB，而CW信號為正弦信號，其峰值為均值的1.4倍，可知WC信號的峰均比為1.4 dB。因此，在低輸入功率下，理應(yīng)得出CDMA2000信號優(yōu)于WCDMA信號，CW信號最差[32-34]?？梢?，僅根據(jù)峰均比得出的結(jié)論與仿真結(jié)果不符。文獻(xiàn)[35]的研究表明，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率會隨信號的碼片速率增大而降低。本文設(shè)置的WCDMA信號和CDMA2000信號的碼片速率分別為3.84 Mb/s和1.228 8 Mb/s，而CW信號可以理解為載波頻率并沒有傳輸數(shù)據(jù)，因此其碼片速率最小。由此可知，WCDMA信號因受較高碼片速率的影響，使得功率轉(zhuǎn)換效率有所降低，導(dǎo)致在低輸入功率情況下CW信號優(yōu)于WCDMA信號。此外，信號的帶寬也會對整流器的性能有所影響[36]，即隨帶寬的增加，性能緩慢下降。綜上所述，在移動通信信號作為轉(zhuǎn)換模塊的輸入信號時，系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換效率將受到信號的峰均比、碼片速率以及信號帶寬的共同影響。