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从环境场或馈源收集微波能量的策略

摘要

利用微波电磁支持证明了无线能量传递。 在大尺寸系统的情况下报告了显着的效率。 许多嵌入式系统需要小的电源，但是在标准的非接触式能量传输技术效率低的情况下具有很大程度的集成。 在这样的系统中，使用整流天线电路对RF输入能量进行整流。 后面的电路针对给定的输入RF功率进行了优化，并且不能适应两种可能的能量传输方式：专用传输（高功率）或环境能量收集（低功率）。 本文介绍了一种可调谐的900 MHz-2.45 GHz工作的新型整流天线架构，能够处理-30至 30 dBm（dBmiliwatt）范围内的RF输入功率，峰值效率为80％

索引条例 –

接触式能源供应，能量收集，硅整流二极管天线，开关。

引言

在过去十年中，其特点是大量开发便携式电子设备，智能手机等消费类设备以及无线传感器网络等工业应用[1] - [3]。 这些设备提供许多功能，但由于电池在尺寸和功率密度方面的权衡，它们的自主性受到限制。 电池需要定期充电。 大多数情况下，充电依赖于墙上插座充电器，这会以某种方式限制无线设备的便携性。 无线供电系统应该改善便携式电子设备的可用性，可靠性和用户友好性.

有几种不同的无线供电方法。 近场感应耦合在非常小的距离上工作，通常限制在几厘米，但其特点是效率非常高[4]，[5]。 该方法广泛用于对诸如电动牙刷或无线鼠标之类的消费品的内部电池进行无线充电

两个结构（通常是圆形线圈）之间的磁共振耦合允许在近场区域中的能量传递。 发射器和接收器非常大[6] - [8]，能量只能在与发射器和接收器尺寸相同数量级的距离上传输。 只有在最佳工作点附近才能实现高效的能量传递[9]。 在小于1米的距离内，发射器 - 接收器效率可以达到70％，但是墙到负载效率低于20％

也可以基于辐射高频（HF）场（通常高于1GHz）传输能量。 已经实现了几公里的高功率传输，效率有时超过70％[10]，但由于健康和安全法规以及大型天线的影响，这些功率级别的可行应用数量往往有限。

这种技术更常用于使用HF无线电波[13] - [15]以超过10米的距离提供超高频射频识别（UHF RFID）设备[11]，[12]。 还可以应用无线能量传输的概念，以便提供诸如工业传感器或传感器网络的低功率电子设备。 这些设备既可以由微波束[16]，[17]的能量提供，也可以由可以远程充电的电池提供[18]。 不幸的是，壁面到负载效率非常低（1％范围）。

将UHF电磁波用于功率传输应用与系统小型化兼容，但是在天线尺寸和功率传输效率之间经常需要权衡。 通过Friis方程[19]评估发射机到接收机的功率传输效率。 高增益天线提高了能量传输效率，但更高的增益通常意味着更大的天线。 在小型小型系统中，天线尺寸有限，但仍然可以设计具有相对良好的方向性和增益的相当小的天线[20]。 在小型接收器天线的情况下，解决方案是使用高方向性发射器天线或更高的发射功率电平，以确保接收器级别的所需能量密度（以mW / cm2为单位）。然后重点是优化RF- 接收器级的直流能量转换效率

电磁能量接收器和转换器的基本工作原理如图1所示。入射电磁能量由接收天线捕获并以HF正弦波的形式馈送到RF-DC整流器。整流器将能量转换成直流电压和电流。接收天线和RF-d​​c整流电路的关联目前被称为整流天线（整流天线）。它是微波能量传递系统的关键要素。整流天线的直流电压输出电平通常太低，无法确保电子电路的直接供电或电池充电，特别是在距离电力变送器的距离很重要时。通常使用升压电路来提供必要的直流电压[21]，[22]和最大功率通常使用点跟踪（MPPT）dc-dc转换策略确保整流天线与天线之间的最佳功率传输加载[23]，[24]。此外，继小型化趋势之后电子设备，新型微型可充电固态电池正在开发并且可以代表可行的能量微型隔离传感器的来源，可以无线充电 [25]，[26]

整流天线电路的主要限制是它设计用于非常明确的工作点。对于给定的输入功率电平，中心频率和特定的负载阻抗，可以获得良好的RF-DC转换效率。超出这些限定的范围，能量转换效率急剧下降[27]。如果通常通过MPPT dc-dc转换器解决负载匹配，则功率匹配更加精细，因为每个整流天线结构的本质特征是转换效率最大的最佳输入功率水平，但整流天线很快变得低效在另一个权力水平。这通常被视为应用中的主要限制，其中入射功率水平可以显着变化。一个例子是提供移动设备或通过不断变化的环境。在另一个上下文中，输入功率水平在设备的有意供应和收集供应设备的局部环境能量之间可能非常不同。

典型的应用如图2所示。目的是为放置在难以接近的区域的电池供电的传感器供电，如[28]和[29]。一旦电池电量变低，电池就可以定期充电。对于相同的传感器，示出了三种可能的情况。第一种情况包括故意从远距离高增益发射天线发射射频能量，通常为抛物线形状[30]，[31]。对于5 m的1 W发射功率，可以收集大约10 mW的功率并通过紧凑的高增益接收天线提供给传感器[32]，[33] [见图2（a）]。第二种再充电方案是通过在传感器方向上放置一个与传感器区域接触的更紧凑的发射器来提供近距离无线能量传输[见图2（b）]。估计有20％的发射能量（100 mW）可能在接收器级别恢复，远高于之前的情况。第三种情况利用了我们环境中不断增加的电磁辐射量，主要是由于无线通信的大量发展[见图2（c）]。最常遇到的频带位于900 / 1800MHz，2GHz和2.45GHz附近，分别对应于诸如GSM / DCS，UMTS和WLAN的标准。测量活动表明，从GSM基站25-100米的典型功率水平达到几mu;W/ cm2，特别是在城市地区[34]。从WLAN接入点检测到大约相同的功率电平。在某些条件下，这些低能级可为普遍存在的设备提供替代电源，并可用于从周围环境持续获取能量，以提高设备电池的寿命[35]，[36]。

图1.基于整流天线和MPPT升压级的电磁能量接收器的示意图。

图2.供应远程传感器的无线能量传输方案（a）远程充电。 （b）接近充电。 （c）环境能量收集。

图3.整流天线电路的基本原理图。

由于入射RF功率水平的高不确定性，将单个整流天线装置用于这种无线能量传输系统将不是理想的。 整流器极有可能在其最佳功率范围之外工作，因此能量转换效率会很低

为了克服这些限制，本文提出了一种新型可重构电磁收集装置，能够适应入射功率水平，从而确保在很宽的输入功率水平范围内实现最佳的能量转换效率。 第II节描述了不同的整流天线拓扑结构的性能和细节，这些拓扑结构将被组合起来以创建收获系统。 第III节描述了新的可重构整流天线架构。 最后一节详细介绍了实验结果并进行了讨论。

II RF-DC整流器拓扑

整流天线通常由接收天线，输入HF滤波器，二极管整流器和直流输出滤波器组成（见图3）。 输入滤波器用作天线和二极管整流器之间的阻抗匹配。 输出低通滤波器抑制非线性二极管行为产生的谐波。 输出负载代表任何直流负载。

整流天线的RF-DC转换效率受二极管功率损耗量，天线与整流器之间以及整流器与负载之间的阻抗匹配以及天线效率的影响。 对于整流天线，RF-DC转换效率通常定义为输出到负载的总功率与接收天线在完美匹配电路中可注入的功率之比

公式XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

其中Rload是负载电阻，Zair是空气特性阻抗，E是接收器位置的电场效率值，G是接收器天线增益，lambda;是波长。

二极管的特征在于阈值电压，结电容和串联电阻。 结电容对二极管切换时间有影响; 快速二极管应具有小的结电容。 阈值电压是一个非常重要的因素，特别是当要收获低功率水平（低于1 mW）时。 在这些条件下，重要的阈值电压会在二极管中产生大量损耗，因为输入信号太弱而无法克服二极管的阈值。 当重要的功率水平可用时，阈值电压不是问题。 在这种情况下，由于二极管内阻引起的电阻损耗会降低整流效率[37]。

微波整流器具有不同的拓扑结构，具体取决于HF二极管的位置和数量。 最简单和最常见的配置是串联或并联安装的单个二极管。 对于非常低的入射功率水平，它们是一个很好的选择[38]，[39]。 对于更高的功率水平，桥式整流器和整流天线协会提供更好的性能，主要是因为它们具有更高的功率处理能力[40]

接下来介绍三种整流天线拓扑结构。 第一个针对低功率水平（低于1 mW或0 dBm）进行了优化，第二个针对中等入射功率水平进行了优化（分别为1到100 mW或0到20 dBm），第三个针对低功率水平进行了优化 高入射功率水平（高于100 mW或20 dBm）。 这三种结构的中心频率为1.8 GHz，但中心频率不是限制因素。

a系列安装二极管

串联二极管的基本结构如图4（a）所示。 由于该结构专用于低功率水平，因此可以交换功率处理能力以实现高灵敏度。选择使用具有低功率处理能力但低阈值电压（150 mV）和低结电容（0.18）的零偏置肖特基二极管（0.18pF）。

Rectenna电路具有高度非线性行为，主要是因为二极管整流过程。 独立设计子部件是不切实际的，因为它们彼此高度相互作用。 输入滤波器的负载取决于二极管和二极管末端的输出滤波器。

图4. Rectenna电路拓扑结构。 （a）单串联二极管。 （b）单分流安装二极管。 （c）二极管桥。

图5.用于测试各个RF-DC整流器的实验装置。

因此，必须使用全局电路优化技术来确定滤波器元件的无源元件的尺寸。 这些优化是使用Agilent Technologies的ADS（带Momentum）软件完成的。 模拟还考虑了金属互连线的影响，从RF的角度来看，金属互连线也影响电路匹配。

图5显示了用于测试每个单独整流器的实验装置。 使用HF信号发生器产生输入功率，以精确控制进入整流器的准确功率量。

采用安捷伦分立器件HSMS2850制造的串联二极管整流天线。 2.4kOmega;负载可获得最大效率。 需要MPPT模块来跟踪最高效率运行条件（见图1）。 这里不讨论这个问题，因为MPPT现在是一个经典函数。

图6描绘了作为入射RF功率水平的函数的RF-DC能量转换效率的演变。 已经调整了整流天线负载以获得给定输入功率水平的最大功率点效率。 在-5和0 dBm（1 mW）的入射功率之间达到大约50％的最大转换效率。 在较低功率水平下，效率较低，因为二极管的阈值电压与入射信号的幅度相当。 对于高功率水平，由于二极管串联电阻，内部二极管损耗变得显着。

图6.用于2.4kOmega;负载的串联二极管整流天线的模拟和测量的最大效率和测量输出电压。

单个串联安装的二极管整流器的输出直流电压电平在-15 dBm时为400 mV，在0 dBm时为2.1 V，在10 dBm的入射功率时为3.75 V.

b分流二极管

第二个整流天线结构设计用于0-20 dBm功率输入范围。 二极管分流安装，如图4（b）所示

在这些功率水平下，阈值电压对电路性能的影响较小。 主要目标是降低整流二极管固有的内部损耗并提高功率处理能力。 用于该结构的二极管具有350mV的阈值电压电平（Agilent的HSMS2860）。 内部电阻为6Omega;，击穿电压为7 V.输入和输出滤波器的尺寸使用与前面提到的相同的优化技术

对于输入功率为 15 dBm，该结构的最大转换效率为70％，如图7所示。已考虑MPPT工作条件， 15 dBm输入功率的最佳负载为750Omega;

与单个串联安装的二极管相比，这种结构在低功率水平下具有较低的效率。 作为比较，在这种情况下达到10％效率水平约-10dBm，而对于先前的结构，这发生在-23dBm的入射功率。 对于高于15 dBm的功率水平，由于内部二极管欧姆损耗，效率会迅速下降。 直流电压输出电平在0 dBm时为335 mV，在10 dBm时为1.45 V，在20 dBm时为4 V。 串联或并联安装的二极管整流天线的组合是降低内阻效应的解决方案。 这个问题将在下一节中讨论。

图7.模拟和测量的RF-DC能量转换效率和分流器安装的二极管整流天线的测量输出电压，用于750Omega;负载

图8.模拟和测量的RF-DC能量转换效率和二极管桥式整流天线的测量输出电压，用于200Omega;负载。

c桥式整流器

桥式整流器拓扑结构广泛应用于低频交流 - 直流转换[41]。 其结构如图4（c）所示。

在桥式拓扑中，使用全波整流，正半波和负半波都必须克服两个二极管阈值电压。 这就是为什么这种结构不适合低功率水平的原因[40]。 然而，如果考虑高击穿电压二极管（HSMS2820由Agilent，15 V，6Omega;串联电阻器件），它具有高功率处理能力。

桥式整流器的RF-DC转换效率的演变如图8所示。已经考虑了MPPT工作条件。 输入功率为23 dBm时达到78％的峰值，之后转换效率迅速下降。 对于 23 dBm输入功率，最佳负载为200Omega;。 0 dBm达到10％的效率水平。 直流电压输出在10 dBm时为1.1 V，在20 dBm时为4.2 V，在30 dBm时分别达到9.3 V.

图9.串联整流天线输入功率为-5 dBm时的效率与负载相比，分流整流天线为13 dBm，桥结构整流天线为25 dBm。

不同的RF-DC整流器拓扑在有限的功率范围内提供良好的性能。 在系统的情况下，可以容易地确定一个或另一个的使用，其中入射功率水平被完美地确定并且不受变化的影响。 实际上，接收器的可用功率受许多因素的影响。 周围环境可以改变，障碍物可以干扰传播的功率信号的路径，或者与发射器的距离可以变化。 结果

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