【摘要】：近年來,射頻(RF)能量收集技術(shù)作為一種人工成本低、對環(huán)境友好、可持續(xù)的供電方式,已經(jīng)成為解決能量問題的新途徑。該技術(shù)在諸如物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。射頻能量收集的能量源是日常生活環(huán)境中廣泛分布的電磁波能量,將這些能量收集起來,作為無電池設(shè)備的能量源,或者作為輔助電源對充電電池進行供電,大大提高了小型電子設(shè)備的續(xù)航能力。射頻能量收集系統(tǒng)主要通過整流天線實現(xiàn)能量的接收與傳輸。由于環(huán)境中射頻能量分布微弱,接收天線接收到的能量較小,整流電路從接收天線接收到的的輸入能量較低,導(dǎo)致整流天線輸出電壓很小,難以得到有效利用。因此,如何在低功率輸入條件下提高整流天線的能量轉(zhuǎn)換效率是本文研究的關(guān)鍵。本文針對傳統(tǒng)雙頻整流天線能量轉(zhuǎn)換效率不高的問題,提出了用于射頻能量收集的新型雙頻整流天線。其工作頻段為GSM 1.75GHz和WLAN 2.45GHz,主要由接收天線、雙頻阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、二倍壓整流電路和負載組成。本文主要研究內(nèi)容和貢獻有:(1)針對小型化設(shè)備應(yīng)用場景,考慮到環(huán)境中射頻信號頻段的分布情況,設(shè)計了工作于1.75GHz和2.45GHz的雙頻微帶貼片天線。首先,對微帶貼片天線理論及工作原理進行分析,并且引入了地板開槽的設(shè)計。然后,利用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件(HFSS)對天線進行仿真,對影響天線性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行分析,得出天線的最佳尺寸。最后,對天線進行實物的制作與測量,分析了實測結(jié)果。該天線結(jié)構(gòu)簡單,可以有效降低整流天線的大小。(2)針對傳統(tǒng)整流天線能量轉(zhuǎn)換效率低的問題,提出了新型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)實際整流電路的需要進行了整流二極管的選型,分析了阻抗匹配的基本原理。在雙頻條件下,天線和二倍壓整流電路之間采用堆疊雙支帶架構(gòu)設(shè)計新型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。該阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)采用集總參數(shù)元件以減小電路尺寸并降低功率損耗。使用先進設(shè)計系統(tǒng)仿真軟件(ADS)對整流電路進行了仿真與優(yōu)化,得出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)元器件的最優(yōu)參數(shù)值。依據(jù)元器件選型對雙頻整流電路進行了實物加工與測試。實測結(jié)果顯示,與傳統(tǒng)雙頻整流電路相比,本文設(shè)計的新型整流電路在具有較小尺寸的同時取得了較高的整流效率。(3)改善了實際整流天線應(yīng)用性能較差的問題。對整流天線進行了實物制作與實驗分析。在普通室內(nèi)環(huán)境中,對能量轉(zhuǎn)換效率隨輸入功率的變化趨勢進行了掃描分析,輸入功率范圍為-30dBm到-5dBm。實測結(jié)果顯示,當輸入功率為-10dBm時,該整流天線取得射頻-直流(RF-DC)能量轉(zhuǎn)換效率最佳值,即GSM1.75GHz頻段和WLAN 2.45GHz頻段上最大RF-DC能量轉(zhuǎn)換效率分別為65.34%和54.3%。測試結(jié)果表明,該新型整流天線可以在物聯(lián)網(wǎng)低功耗設(shè)備中得以應(yīng)用。
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN820

【參考文獻】

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本文編號：2728533