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一種應(yīng)用于射頻能量收集系統(tǒng)的寬頻整流器的制作方法

文檔序號:12277478閱讀:393來源:國知局
一種應(yīng)用于射頻能量收集系統(tǒng)的寬頻整流器的制作方法與工藝

本發(fā)明屬于無線能量傳輸?shù)恼骷夹g(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種應(yīng)用于射頻能量收集系統(tǒng)的寬頻整流器。



背景技術(shù):

近年來,各種低功耗電子產(chǎn)品(RFID、手機、藍牙耳機、無電池遙控器等)及無線傳感器設(shè)備在現(xiàn)實生活中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。這些低功耗電子產(chǎn)品主要由電池供電,但是,電池的使用一方面會增大無線設(shè)備的體積,另一方面電池壽命有限,廢舊電池更是容易引起環(huán)境污染。所以亟需一種新的供電技術(shù)為這些產(chǎn)品提供能量。隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展,越來越多的蜂窩移動基站、數(shù)字電視塔及Wi-Fi路由器等射頻功率源的普及,環(huán)境中的射頻功率密度不斷增大。因此,利用環(huán)境中的射頻能量為低功耗電子器件供能成為近些年國內(nèi)外研究的熱點。而利用整流天線技術(shù)將環(huán)境中的射頻能量轉(zhuǎn)換為直流電壓來進行無線能量收集是一種可行的解決方案。整流天線作為射頻能量收集系統(tǒng)中最關(guān)鍵的組成部分,主要由接收天線和整流器構(gòu)成,其中接收天線主要收集環(huán)境中的射頻能量,整流器將天線接收到的射頻能量轉(zhuǎn)換為可用的直流功率。目前,環(huán)境中的射頻功率密度相對比較低,研究者普遍關(guān)注于寬帶接收天線與單頻整流器的研究與設(shè)計,而忽視了與之對應(yīng)的寬頻整流器的研究。在實際應(yīng)用中,寬頻整流器能夠同時對多個頻段的射頻能量整流,以此提高整流天線的功率靈敏度,收集更多的射頻能量,從而解決了單頻整流器因整流頻段單一而供能不足的難題。因此,研究寬頻整流器對于射頻能量收集系統(tǒng)整體性能的提升具有極為重要的意義。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

有鑒于此,本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于射頻能量收集系統(tǒng)的寬頻整流器。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的,一種應(yīng)用于射頻能量收集系統(tǒng)的寬頻整流器,包括接收天線部分、整流器部分、DC-DC升壓器部分和智能管理部分;所述接收天線部分用于接收環(huán)境中的射頻能量,并且完成空間無線電波和導(dǎo)行波之間的轉(zhuǎn)換;所述整流器部分與接收天線部分連接,將天線接收到的交流小信號轉(zhuǎn)換成直流電壓;所述DC-DC升壓器部分與整流器部分連接,用于將整流器部分輸出電壓進行升壓;所述智能管理模塊部分與DC-DC升壓器部分連接,為電池或設(shè)備終端提供穩(wěn)定的輸出電壓。

進一步,所述整流器部分包括并聯(lián)連接的電壓倍壓整流電路I和電壓倍壓整流電路II,所述電壓倍壓整流電路I包括阻抗匹配電路部分I、整流單元部分I和電容器部分I,所述電壓倍壓整流電路II包括阻抗匹配電路部分II、整流單元部分II和電容器部分II,所述整流單元部分I包括二極管D1和二極管D2,所述電容器部分I包括電容C1和電容C2,所述阻抗匹配電路部分I的輸入端與接收天線連接,所述阻抗匹配電路部分I的輸出端與電容C2的一端連接,電容C2的另一端分別與二極管D1的正極、二極管D2的負極連接,二極管D2的正極與電容C1的一端連接,電容C1的另一端與二極管D1的負極連接,二極管D1經(jīng)負載RL接地;所述整流單元部分II包括二極管D3和二極管D4,所述電容器部分II包括電容C3和電容C4,所述阻抗匹配電路部分II的輸入端與接收天線連接,所述阻抗匹配電路部分II的輸出端與電容C4的一端連接,電容C4的另一端分別與二極管D3的正極、二極管D4的負極連接,二極管D4的正極與電容C3的一端連接,電容C3的另一端分別與二極管D3的負極、二極管D2的正極連接,二極管D4的正極接地。

進一步,所述阻抗匹配電路部分I包括扇形開路枝節(jié)I、彎曲短路枝節(jié)和貼片電感I;所述扇形開路枝節(jié)I包括扇形部I和連接部I,扇形部I與彎曲短路枝節(jié)分別位于連接部I的兩側(cè);所述扇形部I的兩條半徑與連接部I具有同樣的角度,所述扇形部I的圓心設(shè)置于連接部I的一端,彎曲短路枝節(jié)連接于連接部I的另一端;所述貼片電感I連接于連接部I的端部。

進一步,所述阻抗匹配電路部分II包括扇形開路枝節(jié)II、直短路枝節(jié)和貼片電感II,所述扇形開路枝節(jié)II包括扇形部II和連接部II,扇形部II與直短路枝節(jié)分別位于連接部II的兩側(cè);所述扇形部II的兩條半徑與連接部II具有同樣的角度,所述扇形部II的圓心設(shè)置于連接部II的一端,直短路枝節(jié)連接于連接部II的另一端;所述貼片電感II連接于連接部II的端部。

由于采用以上技術(shù)方案,本發(fā)明具有以下優(yōu)點:

與現(xiàn)有單頻整流器相比,本發(fā)明應(yīng)用于射頻能量收集系統(tǒng)的寬頻整流器具有以下優(yōu)點:

1.具有更寬的工作帶寬。其工作頻段可覆蓋GSM1800/4G(1850-1900MHz)、UMTS/3G(2150-2200MHz)和WiFi(2400-2450MHz);2.具有更高的功率靈敏度;3.具有更高的RF-DC轉(zhuǎn)換效率。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚,下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述,其中:

圖1為本發(fā)明所涉及的射頻能量收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖;

圖2為本發(fā)明所設(shè)計的整流電路原理圖;

圖3為本發(fā)明所設(shè)計的匹配電路示意圖,其中a為匹配電路I的示意圖,b為匹配電路II的示意圖;

圖4為本發(fā)明所設(shè)計的整流電路ADS仿真版圖結(jié)構(gòu)圖;

圖5為仿真得到的該整流器的反射系數(shù)(S11)隨頻率變化的曲線圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖,對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。

如圖1所示,本發(fā)明所涉及的射頻能量收集系統(tǒng)包括接收天線部分、整流器部分、DC-DC升壓器部分、智能管理部分以及電池或設(shè)備終端部分,

所述接收天線部分最大限度的接收環(huán)境中的射頻能量,并且完成空間無線電波和導(dǎo)行波之間的轉(zhuǎn)換。

所述整流器部分將天線接收到的交流小信號轉(zhuǎn)換成直流電壓;它是能量收集系統(tǒng)的重要組成部分,其損耗和轉(zhuǎn)換效率將決定整個系統(tǒng)的整體效率。

所述DC-DC升壓器部分通常被用來提供一個調(diào)節(jié)電壓或提高電壓。

所述智能管理模塊部分主要為電池或設(shè)備終端提供一個穩(wěn)定的輸出電壓。

如圖2所示,本發(fā)明所設(shè)計的整流器部分包括并聯(lián)連接的電壓倍壓整流電路I和電壓倍壓整流電路II,所述電壓倍壓整流電路I包括阻抗匹配電路部分I、整流單元部分I和電容器部分I,所述電壓倍壓整流電路II包括阻抗匹配電路部分II、整流單元部分II和電容器部分II,所述整流單元部分I包括二極管D1和二極管D2,所述電容器部分I包括電容C1和電容C2,所述阻抗匹配電路部分I的輸入端與接收天線連接,所述阻抗匹配電路部分I的輸出端與電容C2的一端連接,電容C2的另一端分別與二極管D1的正極、二極管D2的負極連接,二極管D2的正極與電容C1的一端連接,電容C1的另一端與二極管D1的負極連接,二極管D1經(jīng)負載RL接地;所述整流單元部分II包括二極管D3和二極管D4,所述電容器部分II包括電容C3和電容C4,所述阻抗匹配電路部分II的輸入端與接收天線連接,所述阻抗匹配電路部分II的輸出端與電容C4的一端連接,電容C4的另一端分別與二極管D3的正極、二極管D4的負極連接,二極管D4的正極與電容C3的一端連接,電容C3的另一端分別與二極管D3的負極、二極管D2的正極連接,二極管D4的正極接地。

整流單元部分I和整流單元部分II分別由整流二極管D1和D2串聯(lián)、D3和D4串聯(lián)而成,實現(xiàn)射頻功率到直流電壓的轉(zhuǎn)換。在本實施方式中,天線接收到的射頻信號通常為正弦信號,以D1和D2組成的整流單元為例,輸入信號的正半周被整流二極管D1整流,能量存儲在C1中。輸入信號的負半周被整流二極管D2整流,能量存儲在電容C2中。電容C2中的能量能夠轉(zhuǎn)移到電容C1中,同理,電容C4中的能量能夠轉(zhuǎn)移到電容C3中,因此,輸出的直流電壓明顯翻倍。

電容器部分I和電容器部分II分別由C1和C2、C3和C4四個電容構(gòu)成,具有儲能作用的同時還可以使整流電路平穩(wěn)地輸出直流波束。其中C2和C4具有低通濾波器的作用,可以抑制整流二極管產(chǎn)生的二次或高次諧波通過天線又輻射到自由空間中去;C1和C3具有直通濾波器的作用,實現(xiàn)直流能量低插損的傳輸?shù)截撦d,對于基頻以及由整流電路產(chǎn)生的二次及以上諧波則起阻礙作用,使得二極管整流后的電壓變的比較平穩(wěn)。

圖3是本發(fā)明所設(shè)計的阻抗匹配電路,其中圖(a)和圖(b)分別對應(yīng)圖2中的阻抗匹配電路I和阻抗匹配電路II,均采用π型匹配結(jié)構(gòu)進行匹配。圖(a)中的匹配電路包括扇形開路枝節(jié)I、彎曲短路枝節(jié)2和貼片電感I,以實現(xiàn)在1.85GHz和2.45GHz頻段負載阻抗與源阻抗之間的阻抗匹配。圖(b)中的匹配電路包括扇形開路枝節(jié)II、直短路枝節(jié)5和貼片電感II,以實現(xiàn)在2.15GHz頻段負載阻抗與源阻抗之間的阻抗匹配。

所述扇形開路枝節(jié)I包括扇形部I1和連接部I3,扇形部I與彎曲短路枝節(jié)分別位于連接部I的兩側(cè);所述扇形部I的兩條半徑與連接部I具有同樣的角度,所述扇形部I的圓心設(shè)置于連接部I的一端,彎曲短路枝節(jié)連接于連接部I的另一端;所述貼片電感I連接于連接部I的端部。

所述扇形開路枝節(jié)II包括扇形部II4和連接部II6,扇形部II與直短路枝節(jié)分別位于連接部II的兩側(cè);所述扇形部II的兩條半徑與連接部II具有同樣的角度,所述扇形部II的圓心設(shè)置于連接部II的一端,直短路枝節(jié)連接于連接部II的另一端;所述貼片電感II連接于連接部II的端部。

其中,扇形開路枝節(jié)相當于1/4波長開路線,在匹配電路中主要起容抗作用。與傳統(tǒng)直形短截線相比,在輸入阻抗相同的條件下采用扇形開路枝節(jié)能將窄帶特性改善為寬帶特性,因此能夠?qū)崿F(xiàn)較寬的工作帶寬。短路枝節(jié)相當于電感或電容,當短路枝節(jié)長度小于1/4波長時,表現(xiàn)為感性;當短路枝節(jié)長度大于1/4波長時,表現(xiàn)為容性。貼片電感L1和貼片電感L2主要功能為確定整流電路的工作頻段。在本實施方式中,短路枝節(jié)呈感性,與電感、扇形開路枝節(jié)共同組成匹配網(wǎng)絡(luò)。當R1增大時,1.85GHz和2.45GHz頻段的諧振頻率向低頻偏移;R2增大時,2.15GHz頻段的諧振頻率向低頻偏移。增大時,整流電路的工作帶寬變窄。當l1、l2增大時,諧振頻率均向低頻偏移。調(diào)節(jié)L1、L2的電感值的大小,整流電路的諧振頻率會向低頻段或高頻段發(fā)生不同程度的偏移。

如圖4所示,本發(fā)明所設(shè)計的整流器結(jié)構(gòu),阻抗匹配電路的線寬均為2mm,其中阻抗匹配電路I的扇形開路枝節(jié)的半徑R1為6.5mm,弧度為100°;彎曲短路枝節(jié)的弧長l1為9.8mm。阻抗匹配電路II的扇形開路枝節(jié)的半徑R2為3.0mm,弧度為90°;直短路枝節(jié)的長度l2為3.5mm。貼片電感L1、L2的感值分別為4.7nH、2.7nH,封裝形式為0805。

所述整流單元部分的肖特基整流二極管的型號為HSMS_285C,其封裝形式為SOT-323。

所述電容器部分的四個貼片電容C1、C2、C3、C4的電容值均為100pF,其封裝形式為0805。

在本發(fā)明中,阻抗匹配電路部分、整流單元部分、電容器部分以及負載設(shè)置于金屬接地板上。

金屬接地板的介質(zhì)基板的材料為Rogers_RT_Duroid5880,其相對介電常數(shù)為2.2,介質(zhì)損耗為0.0009,其長度L為50mm,寬度W為40mm,厚度為0.787mm。所述金屬接地板位于介質(zhì)基板的底部,其尺寸大小與介質(zhì)基板一樣。

所述負載RL為貼片電阻,其阻值為700Ω,其封裝形式為0805。

使用ADS仿真軟件進行仿真實驗。仿真研究表明該整流器具有很好的寬頻整流特性,能夠運用于射頻能量收集系統(tǒng)中。通過軟件優(yōu)化功能得到的各項參數(shù)最佳尺寸如表1所示。

表1各參數(shù)最佳尺寸表

根據(jù)以上參數(shù),運用ADS對本發(fā)明的天線進行仿真計算,得到整流電路的反射系數(shù)(S11)隨頻率變化的曲線如圖5所示。

圖5是仿真得到的該整流電路的反射系數(shù)(S11)隨頻率變化的曲線圖。從圖中可以看出,在S11≤-10dB時,該整流電路工作在3個頻段,分別為1750-1920MHz、2110-2200MHz和2400-2520MHz,覆蓋了GSM1800/4G(1850-1900MHz)、UMTS/3G(2150-2200MHz)和WiFi(2400-2450MHz)頻段。

最后說明的是,以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制,盡管通過上述優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了詳細的描述,但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解,可以在形式上和細節(jié)上對其作出各種各樣的改變,而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。

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