应用于ISM频段的双频整流器系统设计

李建雄 ，梁 振 ，郭翠娟 ，王学静 ，杨 光

（1.天津工业大学 电子与信息工程学院，天津 300387；2.天津工业大学 天津市光电检测技术与系统重点实验室，天津 300387）

目前，在现实生活中微型低功耗设备和便携式无线通信设备的使用越来越频繁.这些设备都采用电池供电，然而电池会占用一定的体积，得定期更换，会对环境造成污染.为此，相关研究人员也正致力于寻求新的方法来为这些设备供电[1].现在微电子技术发展得越来越快，一些电子设备的功耗达到了微瓦量级，这就使得这些设备可以收集环境中的能量来为自身供电[2-3].相比于环境中的风能、振动能量、太阳能等能量源，射频能量不受环境和时间因素的限制，可以持续不断地免费提供能量.ISM频段是免许可证的工业、科学、医疗频段，主要包含0.915、2.4和5.8 GHz频段，在日常生活中被广泛应用.环境中的ISM频段、手机通信基站、无线电广播等射频信号分布广泛，且功率密度随着无线通讯设备的持续增加还会不断提高，这让射频能量收集技术在便携的低功耗无线传感器、生物遥测、RFID标签等领域具有广阔的应用前景.因此，射频能量收集技术以绿色环保、持续不间断的方式为低功耗设备供电也被广泛地关注.

在环境中0.915 GHz和2.4 GHz频点处，射频能量的最高功率密度为-15 dBm/m2[4]，分别对应蜂窝网络和WLAN.在电磁能量收集系统发射源选择方面一般有两种方案，分别对应环境中的射频发射源和特定的发射源；在收集功率方面，电磁能量收集系统一般能收集处在微瓦量级[5]水平的功率，并且系统的入射功率灵敏度一般能够达到-20 dBm[6].尽管国内外对能量收集技术持续展开研究，但与其他能量收集方式相比（如机械振动、应力等），目前研究还是不够充分，主要体现在天线宽频化、小型化、宽带匹配网络和整流电路等方面.

针对以上问题，本文设计了一种由宽频带天线和双频匹配网络构成的射频整流系统，该系统工作在0.915 GHz和2.4 GHz双频带内，能够收集环境中频率为0.9～0.915 GHz和2.4～2.45 GHz的射频信号能量.在该系统中，宽频带共面波导天线相比于工作在半波长的微带天线，尺寸缩小了近1/3，有利于天线小型化设计；采用的阻抗匹配方法不同于传统的T型和π型匹配方法，而是将高低特征阻抗的微带线交替排列，并与集总元件相结合进行阻抗匹配设计，这样可以使系统同时匹配多个频点，收集不同频带处的能量，有利于宽带整流电路的研究.

1 相关原理介绍

1.1 基本结构

电磁能量收集系统的基本结构如图1所示.该结构由接收天线、阻抗匹配单元、RF/DC整流电路和负载组成.其中，RF/DC整流电路多采用电压倍增电路来提高输出直流电压值.这种结构具有系统简单、成本低并允许相对独立的天线和整流器设计等优点，并且能够提高功率灵敏度，适用于低输入功率的系统.

图1 电磁能量收集基本结构Fig.1 Basic structure of electromagnetic energy collection

1.2 工作原理

1.2.1 入射功率

电磁能量收集过程利用的是电磁波的远场传播原理，接收天线接收空间中发射天线发出的电磁辐射能量.电磁波传播满足Friis传播公式[6]：

式中：Pt、Pr分别为发射的射频功率和接收到的射频功率；R为两天线的间距；Gt、Gr分别为发射天线的增益和接收天线的增益；λ为波长.由式（1）可知，接收到的射频信号功率反比于距离的平方.

1.2.2 系统效率

衡量电磁能量收集系统的一个标准是系统效率，如式（2）所示：

式中：Pin为入射功率即图1中接收天线接收到的RF信号的功率，也相当于式（1）中的接收到的射频功率Pr；Pdc为输出功率即图1中负载上的功率；RL为负载电阻即图1中的负载；Vo为输出电压即图1中负载两端的电压.

2 系统设计

2.1 天线设计

在电磁能量收集系统研究方面，接收天线有棒状天线[7]、单极子天线[8]、偶极子天线[9]、微带贴片天线[10]等.微带贴片天线以其容易加工、体积小、造价低廉等特性多被用作接收天线，然而微带贴片天线的频带较窄，不适用于宽频能量收集.

相比于传统的微带贴片天线，共面波导天线具有以下几个优点：制造加工简单、更容易与有源或无源器件进行串并联、频带较宽.所以，本文采用如图2所示的共面波导天线.共面波导主要分为2种结构[11]：背面无金属底板覆盖的共面波导和背面有金属底板覆盖的共面波导.本文采用背面无金属底板覆盖的共面波导，共面波导由介质基片和三条导带构成，中间是薄的金属贴片信号带；两侧平行金属导带是接地带.图2所示两边灰色直角梯形部分是2条接地导带，中间灰色部分是信号带.介质基片采用环氧玻璃纤维板（FR-4）材质，其介电常数εr=4.4，损耗角正切值为tan δ=0.02，长度和宽度分别为L1和L2，厚度为1.6 mm.在信号带中间宽度为1 mm的三叉戟部分为馈电端，采用这种馈电方式可以使贴片电流分布地更加均匀，并且3个馈电点相互作用可以使输入阻抗更加稳定，进而可以使天线的工作带宽[12]变得更宽.本文设计的这款工作在0.8～2.8 GHz的共面波导天线，能够接收0.915 GHz和2.4 GHz频点处的射频能量信号.经过使用HFSS软件对天线参数不断优化，得出最佳数值：L1=140 mm，L2=122 mm，L3=130 mm，L4=37 mm，L5=69 mm，L6=3 mm，L7=67.5 mm，L8=53 mm，L9=3 mm，L10=2 mm，L11=12 mm.

图2 宽带共面波导天线Fig.2 Broadband coplanar waveguide antenna

表1所示为是否采用三叉戟方式馈电时天线的回波损耗性能比较.

表1 不同馈电方式时的天线回波损耗参数比较Tab.1 Comparison of antenna return loss parameters with different feeding modes

由表1可知，采用三叉戟结构馈电时天线在0.915 GHz和2.4 GHz频点处的回波损耗参数S11性能有明显的提高，从而更大限度地将能量传输给整流电路部分，进而可以提高整个系统的效率.由图2可以看出，该天线的长度L3为130 mm，与工作于半波长的微带天线的长度187.5 mm相比，天线长度缩小了近60 mm，即缩小了近1/3，有利于天线小型化设计.天线实物如图3所示.

图3 天线实物图Fig.3 Antenna physical map

用网络分析仪E5070B对天线实物进行实测，回波损耗参数S11实测值和仿真值结果如图4所示.

图4 共面波导天线S11参数Fig.4 S11parameters of coplanar waveguide antenna

由图4可知，在整个频带内天线的回波损耗参数S11实测值和仿真值的变化趋势相近，都在-10 dB以下，并且在0.915 GHz和2.4 GHz频点处实测值分别达到了-21 dB和-23 dB，效果很好.

在XOZ面上天线增益辐射方向的仿真图如图5所示.由图5可见，天线在0.915 GHz和2.4 GHz频点处的增益分别为0.22 dBi和3.8 dBi.

图5 天线XOZ面辐射方向图Fig.5 Radiation pattern of antenna XOZ plane

2.2 整流电路设计

2.2.1 整流电路拓扑结构

整流电路的作用就是将天线接收到的射频能量转换成直流电能供负载使用.整流电路的模型有很多种，而且整流效果也不尽相同，图6所示为几种常见的拓扑结构[13].

图6 各种能量收集电路拓扑Fig.6 Various energy-harvesting circuit topologies

由图6可见，图6中的结构（a）半波整流器只利用了半个周期的交流信号能量，而（b）、（c）、（d）、（e）4 种结构是全波整流，使用了整个周期的交流信号能量，其中结构（b）是结构（d）的一阶结构.全波整流的原理[14]如下所述：在图6所示的结构（b）中射频（RF）全波峰值电压信号（Vin）经过整流电路时（D1和C1组成电压钳位电路；D2和C2组成峰值整流器），在入射信号的负半周期内，电压为Vin-，当D1达到它的阈值电压Vth1时，存储在电容C1上的电压为VC1，则有VC1=Vin--Vth1；同理，在正半周期内电压为Vin+，D2的阈值电压为Vth2，最终有输出电压Vo=2Vin-Vth1-Vth2.采用全波整流拓扑结构可以使能量利用地更加充分，在以上（b）、（c）、（d）、（e）4 种全波整流拓扑结构中，有相关文献[15]指出Cockcroft-Walton电荷泵结构和Dickson电荷泵结构并无显著的差别，并且可以采用高阶结构获得更高的输出直流电压[16]来满足实际中特殊的应用场合.然而当Cockcroft-Walton电荷泵结构电路的级数增加时，相应的输出阻抗也会随之增加，进而很难实现阻抗匹配最大化，影响功率传输效率.所以，本文选择Dickson结构作为整流拓扑结构.为了得到较大的直流输出电压，需要采用高阶结构，但是在相同低的输出能量等级下采用的阶数越多，需要通过每个二极管的能量就会越多，二极管的总体损耗就变大，导致整流效率下降.因此，本文采用二阶Dickson结构作为本次设计的整流电路模型.

二极管关键参数中低结电容Cj和低串联电阻Rs可以使输入射频功率降得更低，使转换效率变得更高.表2所示为3种不同型号的二极管参数.

表2 二极管型号及基本参数Tab.2 Model and basic parameters of diode

由表2以及二阶Dickson整流电路模型可知，二极管应该选择HSMS2862，它的结电容Cj和串联电阻Rs最小，并且该二极管在0.915 GHz和2.45 GHz频点处分别有高达50 mV/μW和35 mV/μW的检测灵敏度，非常适合收集该频段的能量.

2.2.2 阻抗匹配网络

为了使宽带天线接收到的能量最大限度地传递给整流电路，就得使宽带天线的阻抗与整流电路的阻抗进行良好匹配.宽带天线的阻抗是随着频率变化的，因此，在整个频带内都匹配到50 Ω不太可能实现.现在宽带天线的匹配网络还没有统一有效的设计方法和完整的理论分析，在宽带匹配网络的设计方面尚存在较大难度[10].

目前一般的匹配网络设计思路是进行50 Ω的电路匹配，即天线的阻抗要匹配到50 Ω，整流电路的阻抗也要匹配到50 Ω，这种设计适合单一频点和多个频点的匹配.因此，本文采用的宽带阻抗匹配方法是在主要频点周围进行良好匹配，并且使在主要频点周围的匹配带宽越宽越好.在此匹配网络采用集总元件和分立元件相结合的方法，这种方法可以有效减少匹配网络的尺寸，进而可以减少整个链路的能量损耗.

图7所示为整流电路拓扑和匹配网络的示意图，其中 1、2、3、4、5 和 C5构成匹配网络部分；电容 C1、C2、C3、C4和整流二极管 D1、D2、D3、D4构成整流部分.

图7 整个整流结构示意Fig.7 Schematic diagram of entire rectifier structure

由图7中的阻抗匹配部分可以看出，该匹配结构采用的是将高低特征阻抗的微带线交替排列并与集总元件相结合的设计方法，该种方法类似于阶跃阻抗低通滤波器的设计方法，并且不同于传统的T型和π型匹配方法，它可以同时匹配许多个频点.图7中1部分为50 Ω微带线并与特性阻抗为50 Ω的SMA接头相连，2部分主要用来匹配0.915 GHz频段，4部分主要用来匹配2.4 GHz频段，3、5部分和C5主要用来微调.整流部分设计地比较对称，相比于非对称结构，能够有效降低能量在线路中的损耗，进而可以提高整体效率.图8所示为整流电路实物图.

图8 整流电路实物Fig.8 Physical diagram of rectifier circuit

将二阶整流电路拓扑和匹配网络的版图连接起来进行ADS整体仿真，并进行实物测试，其回波损耗参数S11如图9所示.

图9 整流电路的回波损耗Fig.9 Return loss of rectifier circuit

由图9可知，在0.915 GHz频点处的回波损耗参数S11仿真值和实测值均小于-10 dB，两者偏差不大，并且在该频点周围处的实测匹配带宽达30 MHz，可以有效覆盖0.9～0.915 GHz频段内的射频信号；在2.4 GHz频点处的回波损耗参数S11仿真值和实测值均小于-10 dB，此外在2.4 GHz频点周围处的S11实测匹配带宽达100 MHz，可以有效覆盖2.4～2.45 GHz频段内的射频信号.由此说明，该宽带匹配网络设计良好.

当负载为500 Ω时，在不同输入功率条件下对整流电路进行谐波仿真，整流电路的效率仿真和输出电压仿真结果如图10所示.

图10 整流电路效率和输出电压仿真Fig.10 Rectifier circuit efficiency and output voltage simulation

由图10可以看出，整流电路的效率不是随着输入功率的增大而增大，整流效率在输入功率为10 dBm时最高.输出直流电压随着输入功率的增大而增大.

3 整体测试与分析

将天线和整流电路连接起来，再接个500 Ω的负载进行实测，图11为其示意图.

图11 整流电路系统实测示意Fig.11 Schematic diagram of rectifier circuit system

由图11可见，该实测系统由一个阅读器、发射天线和自己设计的双频带整流器系统构成.0.915 GHz频点处的测试条件为：阅读器工作在0.915 GHz，输出功率为20 dBm；发射天线的增益为5 dBi；测试距离为50 cm.图12为整流电路系统的实测图.

图12 0.915 GHz整流电路系统实测图Fig.12 Measured diagram of rectifier circuit system at 0.915 GHz

由图12测试可知，该系统在0.915 GHz频点处收集到的输出直流电压为201 mV.通过改变发射天线和接收天线之间的距离，测试输出直流电压值，结果如图13所示.

图13 实测输出电压和发射接收天线间距的关系Fig.13 Relation diagram between measured output voltage and transmit receive antenna spacing

接下来对2.4 GHz频点进行测试，实测图如图14所示.测试条件为：路由器工作在2.4 GHz，发射功率小于100 mW，该路由器发射天线增益为3 dBi，将自己设计的接收天线和路由器发射天线平行放置，距离为10 cm.测试结果显示输出直流电压稳定于约33 mV.

图14 2.4 GHz整流电路系统实测图Fig.14 Measured diagram of rectifier circuit system at 2.4 GHz

由实测结果可知，此系统对频率为0.915 GHz的信号整流效果较好，对频率为2.4 GHz的信号整流效果相对较差.这主要是由于二极管HSMS-2862对0.915 GHz信号的灵敏度较高，达到50 mV/uW，而对2.4 GHz信号的灵敏度只有35 mV/uW；并且路由器天线增益小且全向辐射，所以传输到整流天线上的能量密度低，接收到的能量相对较少，整流后的直流电压就相对较小.

4 结束语

本文设计了一种能够收集环境中频率为0.915GHz和2.4 GHz射频能量的超宽带共面波导天线和一种对称结构的二阶Dickson电荷泵整流电路，并设计了能够同时匹配2个频段的新型阻抗匹配网络，最后对整流器整体进行了测试.结果显示，该系统与工作在0.915 GHz、输出功率为20 dBm的阅读器相距50 cm时，可以有效收集到201 mV的直流电能；与工作在2.4 GHz、输出功率小于100 mW的路由器相距10 cm时，可以有效收集到33 mV的直流电能.这说明了该双频带整流器系统可以很好地收集环境ISM频段（0.915 GHz和2.4 GHz）处的射频信号能量，对于收集环境中的能量具有很好的参考价值.