一種一體化混合環(huán)境能量收集裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種一體化混合環(huán)境能量收集裝置，包括平面方形螺旋整流天線、薄膜太陽能電池和永磁體薄片。平面方形螺旋整流天線包括微帶接收天線和寬帶整流升壓電路，薄膜太陽能電池直接貼在微帶接收天線的上下表面，微帶接收天線的PCB板為中空的，永磁體薄片位于所述中空位置中間，并通過非金屬彈簧在四個方向與雙層PCB板連接。本發(fā)明可同時采集射頻電磁波能量、太陽能和機械振動能量，具有成本低、體積小、便于攜帶、適用環(huán)境廣等特點，可應用于無線傳感網(wǎng)絡、RFID等低功耗電子設備在多種環(huán)境情況下的供能，以擺脫電池的束縛。
【專利說明】一種一體化混合環(huán)境能量收集裝置
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于環(huán)境能量采集領域，具體涉及一種一體化混合環(huán)境能量收集裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能、射頻電磁波能量和機械振動能量是三種普遍存在的環(huán)境能量資源。太陽光照射下的太陽能電池的典型功率為mW級別。在太陽光直射時，典型的薄膜太陽能電池接收的能量為50-100mW/cm2。在陰天或者在室內(nèi)的情況下，接收到的功率將下降到WV級另O。薄膜太陽能電池比如氫化非晶硅，對光能的典型轉(zhuǎn)換效率為10-20%。薄膜太陽能電池要在提高轉(zhuǎn)換效率的同時降低材料和制造成本，這是目前第三代太陽能電池研發(fā)中的主要挑戰(zhàn)。除了努力研究開發(fā)低成本和高效的太陽能電池，還要努力提高低功率DC/DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的最大功率點跟蹤能力，用來優(yōu)化太陽能收集系統(tǒng)的性能。
[0003]相比于太陽能，環(huán)境中射頻電磁波的平均功率的水平顯著較低。測量結(jié)果顯示，環(huán)境中射頻電磁波的平均功率的最大值為0.l-ww/cm2。由于很多低功耗傳感器在無線環(huán)境中工作，這就意味著它們可以通過收集射頻電磁波能量來供電，而這就需要使用到天線。這些天線不僅可以用在無線通信方面，還可以用來收集射頻電磁波能量給自身供電。近年來，射頻無線輸能越來越受到人們的重視，而整流天線是其中一項關鍵技術(shù)。整流天線由接收天線、濾波電路和整流電路等部分組成，它通過接收環(huán)境中的電磁波，將接收到的電磁波轉(zhuǎn)換成直流電能輸出。目前，整流天線中接收天線的形式主要有單級子天線、偶極子天線和微帶天線3種形式。微帶天線因其具有體積小、重量輕、接收面積大、極化方式靈活、方便組陣、易集成和易加工等優(yōu)點，近年來被廣泛用于整流天線中接收天線的設計。
[0004]機械振動能量收集有壓電式和電磁感應式的工作方式，這兩種方式都能得到微瓦到毫瓦的能量輸出。電磁感應原理研制的振動能量收集器，結(jié)構(gòu)多樣、工藝簡單，與壓電式能量收集器相比能得到更大的電流。電磁感應型能量收集器存在的主要問題是功率密度受至IJ永磁體尺寸、線圈匝數(shù)以及工藝的限制，且輸出電壓較低，需要專門的電壓變換電路。盡管電磁感應型能量收集器存在這些固有缺陷，但隨著工藝條件的進步以及新電磁能量變換結(jié)構(gòu)的涌現(xiàn)，近年來，國際國內(nèi)在振動能量收集方面開展了廣泛的研究工作，該類型的能量收集器研究獲得了較大的進展，并出現(xiàn)了成熟的商業(yè)化產(chǎn)品。
[0005]常見的RFID的天線大多呈平面環(huán)形或者平面螺旋形，且天線中心區(qū)域為空，未被利用。因此考慮在天線中心用非金屬彈簧固定一個永磁體薄片，當天線震動的時候，永磁體薄片上下、前后左右運動，螺旋天線環(huán)路切割磁感線，產(chǎn)生低頻交變電流，利用了簡單的電磁感應現(xiàn)象。
[0006]由于單一的環(huán)境能量是有限的，比如單一的射頻電磁波能量或者機械振動能量常常滿足不了無線電子設備的供能需求；另外考慮到環(huán)境的多樣性，工作在室內(nèi)或者陰天下雨的時候，薄膜太陽能電池采集的能量將大大降低，所以需要采用混合能量收集系統(tǒng)為無線電子設備提供能源。將薄膜太陽能電池和天線做在一起，既不降低薄膜太陽能電池的效率，也不降低天線輻射效率，這個設想最早是1994年在美國航天器供能研究中提出的，在后來的研究中得到了進一步的發(fā)展。本發(fā)明將薄膜太陽能電池、振動能量收集器和微帶接收天線都做在一起，使三種采集能量的模塊可以同時工作也可以單一工作，三種能量轉(zhuǎn)換效率不會相互干擾。有效的解決了低功耗無線電子設備在各種環(huán)境中工作時的供能問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種一體化混合環(huán)境能量收集裝置，可實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡、RFID等低功耗電子設備在多種環(huán)境中的供能，以擺脫電池的束縛。本發(fā)明成本低、體積小、便于攜帶，而且適于大規(guī)模的應用。
[0008]為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下:
一種一體化混合環(huán)境能量收集裝置，其特征在于包括:平面方形螺旋整流天線、薄膜太陽能電池和永磁體薄片；薄膜太陽能電池覆蓋于中空的方形環(huán)狀雙層PCB板上；永磁體薄片位于所述中空位置，并通過非金屬彈性部件在四方向與雙層PCB板連接；永磁體薄片的尺寸小于中空尺寸；所述平面方形螺旋整流天線包括微帶接收天線和與微帶接收天線相連的寬帶整流升壓電路組成；微帶接收天線為平面方形螺旋微帶線，由附于PCB板頂層的銅層構(gòu)成；PCB板底層的銅層為地平面；微帶接收天線工作頻率在2.4-2.5 GHz ；
寬帶整流升壓電路由二極管D1、二極管D2、電容Cl、電容C2和電感LI構(gòu)成；電容Cl和電感LI并聯(lián)構(gòu)成并聯(lián)元件，并聯(lián)元件的一端連接寬帶整流升壓電路的輸入端，另一端連接二極管Dl的陽極和二極管D2的陰極；二極管Dl的陰極接地，二極管D2的陽極連接電容C2的一端然后接輸出端，電容C2的另一端接地；電容Cl容值為Ι-lOnF，電容C2容值大于IKF ;由于電容Cl容值比較小，因此對于電磁感應產(chǎn)生的低頻交變電流容抗很大，因此在電容Cl上并聯(lián)合適的電感LI，拓寬工作帶寬，實現(xiàn)對低頻信號的整流升壓。
[0009]二極管D1、二極管D2為肖特基二極管；電感LI為貼片疊層電感。
[0010]所述永磁體薄片為圓柱形。所述彈性部件為非金屬彈簧。
[0011]本發(fā)明的工作過程如下:
微帶接收天線采用平面方形螺旋形狀設計，微帶接收天線使用雙層金屬介質(zhì)板構(gòu)成，微帶線結(jié)構(gòu)的天線采用頂層的銅層實現(xiàn)，底層的銅層為地平面。微帶接收天線中心為鏤空，介質(zhì)板為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，即整個板子是中空的。由于2.45GHz的環(huán)境射頻電磁波能量最強，設計的微帶接收天線工作中心頻率在2.45GHz。首先根據(jù)微帶接收天線工作頻段、介質(zhì)的介電常數(shù)、厚度等參數(shù)估算微帶接收天線的尺寸，然后通過Agilent公司的ADS仿真優(yōu)化獲得微帶接收天線的版圖，根據(jù)此版圖的尺度制作微帶接收天線實物，然后對實物進行測試改進，最終得到需要的微帶接收天線。
[0012]寬帶整流升壓電路，對于高頻電磁波信號，電感LI可以當做開路，當輸入端電壓為IV,上正下負時；二極管Dl導通,輸入端電壓給電容Cl充電，電壓極性左正右負，電容Cl峰值電壓可達到IV;當輸入端電壓上負下正時，二極管Dl截止，二極管D2導通，輸入端電壓和電容Cl給電容C2充電，電壓極性下正上負，電容C2峰值電壓可以達到2V，可以看出，輸出電壓是輸入電壓的兩倍，達到整流升壓的目的。由于電容Cl容值為Ι-lOnF，比較小，因此對于電磁感應產(chǎn)生的低頻信號容抗很大，因此在電容Cl兩端并聯(lián)合適的電感LI降低電抗，拓寬工作帶寬，實現(xiàn)對低頻信號有效的整流升壓。電容C2要選用容值大于IPF的儲能電容。和傳統(tǒng)的整流升壓電路相比，該整流升壓電路在不增大版圖尺寸的情況下，兼顧對低頻和高頻信號的同時整流，有效提高了帶寬，能夠?qū)崿F(xiàn)從20Hz-2.5GHz的寬頻帶范圍工作。
[0013]寬帶整流升壓電路和微帶接收天線之間采用直接共軛匹配，傳統(tǒng)的方法是在整流升壓電路和微帶接收天線之間采用阻抗匹配網(wǎng)絡進行匹配，該方法會降低無線能量的轉(zhuǎn)換效率。直接共軛匹配不僅能降低制作的復雜度，還可以抑制高次諧波的再輻射，提高轉(zhuǎn)換效率。直接共軛匹配在PCB設計上將二極管和微帶接收天線直接相連，但是焊接點的位置是通過電磁仿真優(yōu)化得到的最佳位置。
[0014]永磁體薄片位于微帶接收天線中空位置，此混合環(huán)境能量收集裝置振動時，永磁體薄片可以相對于微帶接收天線上下抖動，相當于線圈在切割磁感線，這樣在微帶接收天線回路中就產(chǎn)生了低頻的交變電流，經(jīng)過整流就得到了直流輸出。由于在微帶接收天線上產(chǎn)生的交變電流頻率很低，而且永磁體薄片和彈簧都是非金屬的，所以幾乎不會影響微帶接收天線收集高頻電磁波信號的效果。
[0015]薄膜太陽能電池直接貼在微帶接收天線上下表面，選用的非晶硅薄膜太陽能電池，非晶硅薄膜太陽能電池由薄膜太陽能電池層，和上下兩層玻璃基板層組成，總厚度和一張A4紙厚度差不多，厚度為50-150 μ m。薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率為10_20%，太陽光直接照射下接收到的能量為50-1OOmW/cm2，在陰天或者在室內(nèi)的情況下，接收到的功率將下降到KW級別。薄膜太陽能電池在光照下可以直接輸出直流電，使用很方便。
[0016]本發(fā)明具有有益效果
本發(fā)明通過將薄膜太陽能電池直接貼在微帶接收天線上下表面，將永磁體薄片固定于微帶接收天線中空位置使其振動時磁生電，在不增加環(huán)境能量收集裝置尺寸的前提下，實現(xiàn)射頻電磁波能量、太陽能和機械振動能量三種不同環(huán)境能量的收集一體化；通過將三種能量收集模塊協(xié)調(diào)設計于一體，實現(xiàn)了根據(jù)不同的環(huán)境情況，三種能量收集模塊可以同時工作也可以單一工作，三種能量轉(zhuǎn)換效率不會相互干擾；通過在電容Cl上并聯(lián)合適的電感LI，改進了常用的高頻整流升壓電路，拓寬了工作帶寬，可以同時對高頻電磁波和電磁感應產(chǎn)生的低頻信號進行整流升壓。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明原理框圖。
[0018]圖2為本發(fā)明俯視圖；
圖3為本發(fā)明中心的剖面圖；
圖4為微帶接收天線饋電邊緣附近的剖面圖；
圖5為本發(fā)明寬帶整流升壓電路原理圖。
[0019]圖中:1薄膜太陽能電池，2聚四氟乙烯FR4，3微帶接收天線，4非金屬彈性部件，5永磁體薄片，6過孔，7饋電處，8地平面。
【具體實施方式】
[0020]如圖1所示，本發(fā)明一種一體化混合環(huán)境能量收集裝置，由薄膜太陽能電池、微帶接收天線、寬帶整流升壓電路以及振動能量收集模塊共同組成。微帶接收天線和振動能量收集模塊的輸出接寬帶整流升壓電路，寬帶整流升壓電路的輸出接后級的電源管理模塊，薄膜太陽能電池的輸出直接接到后級的電源管理模塊，最終后級的電源管理模塊輸出穩(wěn)定的直流電。
[0021]以雙層金屬印制電路板PCB為制造工藝，PCB板的剖面圖如圖4所示。從剖面圖可以看出，微帶接收天線共有3層，不包括薄膜太陽能電池層，頂層和底層均為銅質(zhì)材料，其中頂層的銅層作為微帶接收天線，接收不同頻段輻射信號的天線尺寸不同；底層的銅層為地平面；中間層材料為聚四氟乙烯FR4作為介質(zhì)。這樣就構(gòu)成了一個微帶接收天線。
[0022]從圖5的寬帶整流升壓電路原理圖來看，寬帶整流升壓電路由二極管D1、二極管D2、電容Cl、電容C2和電感LI構(gòu)成，電容Cl和電感LI并聯(lián)構(gòu)成并聯(lián)元件，并聯(lián)元件的一端為寬帶整流升壓電路的輸入端，并聯(lián)元件的另一端連接二極管Dl的陽極和二極管D2的陰極，二極管Dl的陰極接地，二極管D2的陽極連接電容C2的一端然后接輸出端，電容C2的另一端接地。電容Cl、電容C2采用漏電很低的貼片電容，電容C2要選用容值大于IPF的儲能電容，二極管Dl、二極管D2采用肖特基二極管，型號為HSMS-2852，電感LI采用貼片疊層電感。
[0023]微帶接收天線和寬帶整流升壓電路都是采用微帶線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，其物理尺寸全部由Agilent公司的ADS軟件進行計算和仿真優(yōu)化后獲得，雙層PCB板的介質(zhì)采用聚四氟乙烯FR4，介質(zhì)厚度為1.6mm，介電常數(shù)為4.28。
[0024]采用常用的非晶硅薄膜太陽能電池，貼在微帶接收天線正反表面，如圖3和圖4所示。薄膜太陽能電池在光照下可以直接輸出直流電，為了增大輸出電壓，所有的薄膜太陽能電池串聯(lián)相接，輸出端接電源管理模塊。
[0025]考慮到金屬會影響微帶接收天線福射場，永磁體薄片選用非金屬的。永磁體薄片有一定的重量，由四個非金屬彈簧固定在微帶接收天線中央的中空處，如圖2所示。當有晃動時，永磁體薄片會相對微帶接收天線平面上下或前后左右抖動，微帶接收天線回路切割磁感線，在微帶接收天線回路中產(chǎn)生低頻的交變電流，然后經(jīng)過寬帶整流升壓電路得到直流輸出。
【權(quán)利要求】
1.一種一體化混合環(huán)境能量收集裝置，其特征在于包括:平面方形螺旋整流天線、薄膜太陽能電池和永磁體薄片；薄膜太陽能電池覆蓋于中空的方形環(huán)狀雙層PCB板上；永磁體薄片位于所述中空位置，并通過非金屬彈性部件在四方向與雙層PCB板連接；永磁體薄片的尺寸小于中空尺寸；所述平面方形螺旋整流天線包括微帶接收天線和與微帶接收天線相連的寬帶整流升壓電路組成；微帶接收天線為平面方形螺旋微帶線，由附于PCB板頂層的銅層構(gòu)成；PCB板底層的銅層為地平面；微帶接收天線工作頻率在2.4-2.5 GHz ； 寬帶整流升壓電路由二極管D1、二極管D2、電容Cl、電容C2和電感LI構(gòu)成；電容Cl和電感LI并聯(lián)構(gòu)成并聯(lián)元件，并聯(lián)元件的一端連接寬帶整流升壓電路的輸入端，另一端連接二極管Dl的陽極和二極管D2的陰極；二極管Dl的陰極接地，二極管D2的陽極連接電容C2的一端然后接輸出端，電容C2的另一端接地；電容Cl容值為Ι-lOnF，電容C2容值大于W。
2.如權(quán)利要求1所述的一種一體化混合環(huán)境能量收集裝置，其特征在于:所述永磁體薄片為圓柱形。
3.如權(quán)利要求1所述的一種一體化混合環(huán)境能量收集裝置，其特征在于:所述彈性部件為非金屬彈簧。
【文檔編號】H02K35/02GK103856149SQ201410099575
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月18日
【發(fā)明者】徐雷鈞, 王昌碩, 白雪, 趙不賄 申請人:江蘇大學