一種應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線能量收集系統(tǒng)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(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線能量收集器的整流電路。該整流電路采用L形結(jié)構(gòu)作為輸入匹配，采用商用肖特基二極管實現(xiàn)整流，仿真結(jié)果表明，本整流電路在2.45GHz具有良好的端口特性，其功率轉(zhuǎn)換效率可以達到58%。該整流電路能夠應(yīng)用到無線能量收集系統(tǒng)實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化，從而實現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的持續(xù)供電，具有較強的應(yīng)用意義。

關(guān)鍵詞：無線能量收集系統(tǒng);整流電路;射頻信號;功率轉(zhuǎn)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(shù)發(fā)展，超低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于健康監(jiān)測、智能建筑、汽車工業(yè)等領(lǐng)域。對于這些超低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量供應(yīng)是其考慮的關(guān)鍵問題。雖然電池能夠較為穩(wěn)定提供能量供應(yīng)，但這些傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)應(yīng)用帶來難以接受成本和環(huán)境污染問題。解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量供應(yīng)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(fā)射電磁波信號或自然界中的電磁波信號實現(xiàn)能量儲存和供應(yīng)從而解決這些超低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量供應(yīng)問題。本文介紹了一款能夠用于無線能量收集系統(tǒng)的整流電路，該電路結(jié)構(gòu)簡單，功率轉(zhuǎn)換效率高，能夠廣泛應(yīng)用于無線能量收集系統(tǒng)用于能量供應(yīng)。

1 45GHz無線能量收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1是2.45GHz無線能量收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[1]，該系統(tǒng)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?shù)碾姶挪ㄐ盘栟D(zhuǎn)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(xiàn)電磁波信號無損耗傳輸?shù)秸麟娐?，整流電路主要用于電磁波信號轉(zhuǎn)換成直流信號，DC-DC電路主要實現(xiàn)將整流電路的輸出信號穩(wěn)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(xù)電路使用或直接供應(yīng)給負載電路提供穩(wěn)定的能量供應(yīng)。

在實際電路設(shè)計中，匹配電路主要是將整流電路的寄生參數(shù)和天線的50歐姆相互匹配，保證信號無反射的傳輸?shù)秸鞴苤校虼似ヅ潆娐泛驼麟娐吠ǔＲ黄疬M行設(shè)計，因此，本整流電路設(shè)計中包含整流電路和匹配電路兩個部分。

2 整流電路設(shè)計

如圖2所示為該整流電流的電路結(jié)構(gòu)圖，其由輸入匹配電路、整流二極管對、輸出濾波電路構(gòu)成。輸入匹配電路采用L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，通過串聯(lián)傳輸線和并聯(lián)的到地傳輸線構(gòu)成了輸入匹配結(jié)構(gòu)。輸出為濾波器結(jié)構(gòu)，通過傳輸線和扇形微帶實現(xiàn)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(jié)構(gòu)，在本電路中采用了HSMS286來實現(xiàn)該并串對管結(jié)構(gòu)。

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(xiàn)信號無反射傳輸?shù)秸鞫O管中。通常，能夠用于輸入阻抗匹配的網(wǎng)絡(luò)有L形、T形、π形、變壓器這幾種結(jié)構(gòu)[2]，在這些結(jié)構(gòu)中，L形具有匹配結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)的特點，T形和π形匹配網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)輸入信號良好匹配，同時其匹配的品質(zhì)因子相對于L形結(jié)構(gòu)的品質(zhì)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(diào)試困難的問題，變壓器匹配結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)電壓變換和阻抗匹配的優(yōu)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(jié)構(gòu)。

對于整流二極管而言，串聯(lián)電阻Rs和非線性電容Cj都是越小越好。這是因為串聯(lián)電阻Rs則會在二極管整流時，對負責(zé)整流的非線性結(jié)電阻Rj進行分壓，降低二極管的整流效率。非線性結(jié)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(yīng)的整流效率越高。同時，在選擇整流二極管時，應(yīng)選擇擊穿電壓Vbr較大，而導(dǎo)通電壓較小的二極管。因為當(dāng)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(dǎo)通電壓，因此，導(dǎo)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(dǎo)通，進入非線性區(qū)域，產(chǎn)生高次諧波和直流能量，電路整流效率會大大提高。但是，當(dāng)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(shè)計中整流二極管選擇采用并聯(lián)-串聯(lián)的對管結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)相對于單一的并聯(lián)或串聯(lián)整流管能夠在更低的入射信號情況下得到良好的功率轉(zhuǎn)換效率。

3 仿真結(jié)果及討論

本整流電流采用微波線路板來實現(xiàn)，該電路線路板為Arlon AD255微波板，其參數(shù)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(shù)。從仿真結(jié)果可以看出該整流電路在2.45GHz呈現(xiàn)出良好的反射特性，其輸入端口反射系數(shù)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(shù)。

整流電路的功率轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率仿真結(jié)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(zhuǎn)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(dāng)輸入信號較大時，此時其功率轉(zhuǎn)換效率呈現(xiàn)下降特性，這是由于當(dāng)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(wěn)定，由公式（1）知道其輸出功率下降。

4 結(jié)論

本文給出了一種可以應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線能量收集系統(tǒng)的整流電路，該整流電路采用簡單L形輸出匹配結(jié)構(gòu)，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(xiàn)良好的端口匹配特性，其功率轉(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)的能量供應(yīng)，從而實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的持續(xù)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(shù)基礎(chǔ)[D].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1994，12.

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