基于高增益阵列天线的射频能量收集系统*

黄七杰，李 亮，张小帅，李民权

（1.安徽大学 电子信息工程学院，安徽 合肥 230601；2.国网安徽省电力有限公司建设分公司，安徽 合肥 230022）

0 引 言

近年来，无线通信技术得到了飞速发展，越来越多的移动电话基站、电台、电视信号发射塔等设备被建，大大方便了人们的生活。但是，随之而来，越来越多的无线射频能量残留在环境中。随着微电子技术的发展，电子系统的功耗越来越低，出现了微瓦级功耗的电子系统，使得系统从周围环境中收集能量供自身持续工作成为可能。越来越多的电子微系统相继出现，极大地推动了射频能量回收的进展[1]。通过将残留在环境中的射频能量回收作为“电池”为低功耗系统进行供电，可以使能量有效循环。经过多年研究，射频能量收集技术取得了一定成果，特别是天线多频带、天线小型化和宽频带技术[2-4]的研究，促进了射频能量收集的发展。但是，目前的射频能量收集仍然存在接收效率和输出电压低等问题。本文在分析射频能量收集系统的基础上，对接收天线、匹配电路和倍压整流电路进行研究，设计了由天线阵列、射频匹配网络等组成的高效射频的能量收集系统，为空间射频能量的有效收集提供借鉴。

1 系统结构

系统由接收天线、阻抗匹配电路和整流倍压电路组成。接收天线接收的射频信号经匹配电路送入整流倍压电路，匹配电路减小信号的反射，使得射频能量最大效率流入整流倍压电路。整流倍压电路对传来的射频信号整流、升压，然后用所获得的直流电压供给负载或存储[5]。具体结构如图1所示。

图1 系统结构

1.1 高增益天线阵列设计

本文设计的天线单元结构如图2所示，将天线做成阵列如图3所示。采用FR4_expoxy介质板，工作频率为2.45 GHz，天线阵元参数L1=18.7 mm、W1=21.6 mm、W2=6.2 mm、W3=2 mm、L2=2 mm、H=1.6 mm。采用高频仿真软件HFSS仿真优化，天线S11和方向图如图4、图5所示。做成阵列后，天线工作在2.45 GHz时，天线最大增益达到12.67 dBi。

图2 天线贴片

图3 阵列天线

图4 天线回波损耗

图5 天线方向图

1.2 阻抗匹配电路

匹配电路是射频能量收集系统中必不可少的部分，连接着接收天线和整流升压电路，将两部分电路阻抗形成共轭匹配，使射频能量最大限度地从天线经匹配网络流进整流升压电路。根据整流电路设计原理的不同，阻抗匹配网络所用的方法也不同。常用的匹配方法有枝节匹配、在波节点处接入λ/4微带线阻抗匹配、采用λ/4和λ/8阻抗变换线进行匹配等方式。本文采用微带线阻抗匹配，匹配电路参数如图6所示。

1.3 整流倍压电路

考虑到倍压级数和二极管阈值电压均影响倍压电路的输出电压，当输入信号的幅值小于二极管阈值电压时，电路无电压输出，且接收天线从环境中收集的射频信号较为微弱。为保证系统输出电压值能够满足要求，这里选用阈值电压较小、转换速度较快的肖特基二极管HSMS-2852。它的等效电阻为25 Ω，阈值电压为0.15 V，击穿电压为3.8 V，结电容为0.18 pF。倍压级数选择6级，电容选择1 μF。整流倍压电路如图7所示。

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图6 阻抗匹配电路参数

当流入倍压电路的幅值和功率分别为Vin、Pin时，其输出电压和整流效率为[6]：

Vth为二极管的阈值电压，R为接入电路的负载。采用ADS软件进行仿真优化，当输入信号功率为-30～30 dBm时，输出直流电压及整流效率的仿真及测试结果如图8所示。

对所设计的天线及匹配电路，整流倍压电路进行加工测试，测量结果如图8所示，电路实物如图9所示。当输入信号为-30 dBm时，仿真及实际整流效率都为0。当输入功率在-10～20 dBm时，效率呈上升趋势，在20 dBm时效率达到14.53%，但实际的效率只有8.07%。此后，再增大输入功率，仿真效率与实际效率都下降。对于输出电压，在输入功率为-30～-10 dBm时，输出电压都基本为0；输入功率在-10～30 dBm时，输出电压呈上升趋势，仿真曲线最大值达到8.1 V，而实测电压为6.5 V。

图7 六阶维拉德倍压电路原理

图8 整流效率及输出电压随入射功率变化情况

当将电路应用于实际时，它的整流效率和输出电压都远小于仿真值，这是因为仿真时用的电容、二极管和环境情况都是理想的。实际上，电容和二极管本身也存在消耗且有个体差异，环境条件也非理想情况。此外，发射天线与接收天线之间的距离也会影响输出电压。总体而言，实际的传输效率和输出电压基本满足需求。

2 结 语

图9 电路实物图

为了实现高效率和高输出电压的射频能量收集，本文设计了一种使用高增益天线阵列的射频能量收集系统。经过仿真优化与实物测试，证明了其可行性。测试结果显示，当输入功率在-10～20 dBm时，其在2.45 GHz可提供0.022～4.2 V的输出电压。能够对空间射频能量进行有效收集。