射頻-環(huán)境光混合微能量采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

發(fā)布時(shí)間：2020-05-25 10:02

【摘要】：現(xiàn)如今,隨著人們對(duì)發(fā)展一個(gè)智能社會(huì)的需求不斷增長,大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)和智能皮膚等技術(shù)被廣泛應(yīng)用,怎樣提供可靠的電力供應(yīng)來維持這些設(shè)備的自主運(yùn)行成為了目前最緊迫的問題。傳統(tǒng)的設(shè)備嚴(yán)重依賴于原電池,但隨著時(shí)間的推移原電池總會(huì)耗盡存儲(chǔ)的能量,大規(guī)模更換電池必定會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)成本的增加。為避免這種維護(hù)成本問題,環(huán)境能量采集技術(shù)開始受到研究界的密切關(guān)注。自由空間中種類眾多、含量巨大的環(huán)境能量有著各自無法避免的缺點(diǎn),單獨(dú)情況下往往無法持續(xù)有效地為設(shè)備供電。為了克服這一限制,本文設(shè)計(jì)了一種能夠同時(shí)采集自然環(huán)境中射頻能和太陽能的復(fù)合式能量采集系統(tǒng)。首先,本文設(shè)計(jì)并制作了能量采集系統(tǒng)的能量采集器。先是設(shè)計(jì)了一款工作頻率為2.4GHz的圓極化微帶天線,通過微調(diào)尺寸參數(shù)和饋電點(diǎn)位置,該天線在2.4GHz處實(shí)現(xiàn)了良好的傳輸性能和圓極化特性。通過加工和測試,實(shí)物數(shù)據(jù)基本和仿真數(shù)據(jù)符合,并分析了造成兩者細(xì)微差距的原因。然后以樟樹葉為原料制作了一款染料敏化太陽能電池,并測試了其光電性能。然后,設(shè)計(jì)了接收天線的整流器和系統(tǒng)的電源管理模塊。整流器由二階倍壓電路和單頻匹配網(wǎng)絡(luò)組成。通過對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)中分立元件的優(yōu)化,使整流器在2.4GHz與天線達(dá)到良好的阻抗匹配。制作出實(shí)物后和天線進(jìn)行聯(lián)合測試,在射頻輸入能量為-13.6dBm條件下能夠輸出80mV的電壓。電源管理模塊主要采用TI公司的bq25504芯片,通過在其外圍電路設(shè)置合理的電阻電容值,整個(gè)模塊在啟動(dòng)過后能夠收集低至80mV的微弱能量。為了提高天線的接收效率,增大天線的輸出電壓,本文通過開槽技術(shù)設(shè)計(jì)了一款工作頻率覆蓋了1.8GHz、2.1GHz和2.4GHz三個(gè)頻段的三頻段微帶天線,并為其設(shè)計(jì)了專門的三頻段整流器。進(jìn)行實(shí)物加工后進(jìn)行測試,結(jié)果顯示在多個(gè)頻率同時(shí)輸入條件下,整流器效率會(huì)顯著提升。而后提出了一種優(yōu)化染料敏化太陽能電池性能的方法,即在制作光陽極時(shí)在TiO_2粉末中摻雜比例為100:1的石墨烯粉末。經(jīng)測試后太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率提高了1.3倍,效果顯著。最后,本文搭建了整個(gè)能量采集系統(tǒng),并測試其在4種不同輸入條件下的輸出性能。結(jié)果表明,相較于單一的能量源輸入,復(fù)合能量源輸入條件下,系統(tǒng)采集能量的效率顯著提高,且能量收集的靈敏度更高。
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