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能量收集片状天线助力无线传感器

M.S.Jawad博士?? NurzaimahBintiZainol?? Z.Zakaria?? 马来西亚马六甲工艺大学电子与计算机工程学院电信系?? 2015年09月10日 ?? 收藏0
能量收集是给通信系统中包括天线在内的各种射频/微波元器件供电的一种有效方法。通过为自主射频标签(RFID)系统和无线传感器等类似应用收集能量,就能开发出无需额外电池的自我供电解决方案。为了展示这种可能性,本文设计了一种能量收集片状天线阵列,可以用于从周边能源捕获尽可能多的射频能量。

为了尽可能降低成本,天线采用低成本的FR-4印刷电路板(PCB)材料制造。开发的这种矩形片状天线阵列工作在2.45GHz的工业、科学和医疗(ISM)频段,在矩形片状振子上设计了额外的凹槽以提高增益。这个天线设计中还包含了一个导通发光二极管(LED),用于指示捕获到的电压值在0.01Vdc至3.94Vdc间的能量。

采用“智能”技术的光线传感器和其它电子器件已经开始影响许多人的生活。这些传感器可以检测室内的光线明暗程度,然后在光线降低到设定亮度时自动开灯。这种智能系统不仅有助于改善人们的生活质量,而且有利于节省能量和成本。这种对能量的智能使用可以应用于没有电池的遥控器以及采用收集能量工作的移动电话充电器。

研究人员已经开发出各种方法用于从外界提取环境能量,并将它转换为电能供低功耗传感器等应用使用。借助自我供电的无线传感器和自主能量,这种收集到的能量可以催生出许多新的“绿色”电子设备。环境中存在的能量可以从各种源进行复用,包括太阳能、磁能、振动和射频/微波能。后者在开放空间中可以免费获得,并可以通过合适的接收天线捕获到并整流成可用的直流电压。

近年来,随着基于传感器的无线网络和其它应用数量的不断增加,电池供电的使用得到了非常快速的增长,但电池只能提供有限的寿命和固定的能源供给率。而诸如片状天线等能量捕获天线可以从环境中捕获能量,进而替代电池。目前市场上有许多不同的片状天线,包括蛇形线天线(MLA)、线性极化天线和圆形极化天线。本文将讨论这些不同的配置,以求找到适合能量收集的最佳天线拓扑,以及能够将射频信号转换成直流电压以替代电池的电路。

为了最大化覆盖率,大多数通信系统使用全向辐射图案的天线。能量收集系统就是要靠捕获其中一些可用的能量。可用能量的数量是很大的,但只能少部分能被收集到,因为一些能量通过热的形式散发了,或被其它材料所吸收。射频能量收集系统由微波天线、预整流滤波器、整流电路以及将输入电磁(EM)波整流成直流电流的直流低通滤波器(LPF)组成。整流电路可以是多种类型中的任意一种——比如全波桥式整流器或采用单个分流器的全波整流器。

为了实现最优的电力传送,在天线和整流器之间使用了低通滤波器(LPF)进行阻抗匹配。一旦信号经过整流后,就用直流低通滤波器,通过衰减环境中存在的射频信号中的高频谐波,来平滑输出直流电压和电流。在将能量传送给整流二极管之前尽量收集最大的功率,然后抑制由二极管产生、并从天线那里辐射出来作为损失功率的谐波。

有许多因素影响有效的能量收集,包括天线发射功率、天线接收功率、转换效率和转换电路分析。为了提高转换效率,必须实现多种天线设计,包括天线阵列和圆形极化天线。宽带天线可以从各种源接收相对高的射频功率,而天线阵列可以增加提供给二极管进行整流的入射功率。图1显示了硅整流二极管天线的框图。

图1:这张框图显示了在ISM频段使用的硅整流二极管天线。
图1:这张框图显示了在ISM频段使用的硅整流二极管天线。

计算机仿真技术公司开发的CSTMicrowave Studio套件2011版用于设计和仿真高增益能量收集天线,而Keysight Technologies公司开发的高级设计系统(ADS)2011版用于设计和仿真整流电路。天线和整流电路在FR-4 PCB材料上制作,方便实际测量值和仿真结果的比较。图2显示了天线设计过程的流程。

图2:这个系统流程图显示了能量收集天线系统的设计过程。
图2:这个系统流程图显示了能量收集天线系统的设计过程。

图3:这是能量收集天线的侧视图。
图3:这是能量收集天线的侧视图。

图4:这些不同的视图显示了能量收集天线的(a)前视图、(b)底视图和(c)后视图。
图4:这些不同的视图显示了能量收集天线的(a)前视图、(b)底视图和(c)后视图。

这种天线是为ISM频段的应用设计的,并在低成本的电路基板材料上用光刻图案和蚀刻技术进行制造。如图3所示,天线由底部的地平面、FR-4电路基板和微带贴片天线之间的空气间隙以及额外凹槽组成(图4是天线的其他视图)。贴片天线和地平面都是由铜组成的。天线由位于传输线中心的同轴馈电连接器进行激励。当工作在2.45GHz时,可以用以下公式计算微带贴片天线的宽度和长度:

图15

其中:c=光速;f=工作频率(2.45GHz);εr=PCB基板的相对介电常数;εreff=PCB基板的有效相对介电常数。

为了达到良好的隔离效果,天线的相邻振子应相隔至少目标频率对应波长的二分之一(λ/2)。我们分别在天线振子间距为5.8cm(0.4737λ)、6.1cm(0.4982λ)和6.5cm(0.5310λ)时做了隔离性能测试,最后发现间距为6.1cm时可以在优化后提供最佳的性能。

微带天线不仅经常被用作单振子元件,而且也被用作阵列——尤其是在需要创建单振子天线无法实现的图案时。微带阵列的馈电网络可以用梯形传输线将100Ω天线贴片振子匹配到50Ω输入端口或四分之一波长阻抗转换器来实现。

当前设计采用了锥形线和天线阵列,其中的天线阵列由位于最厚传输线中间的探针以SMA兼容的50Ω阻抗馈电。对于Z0 = 50 Ω的特征阻抗,分到两条馈电线的阻抗是100Ω。

整流电路的设计基于的是对该电路的传输线计算。用于能量收集系统的基本整流器设计由一个二极管和一个电容组成。选择这种简单设计的原因是尽量减小二极管损耗。为了实现快速开关速度和低压降的目的,本文选择了Keysight公司的型号为HSMS-286B二极管。

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