CN110138103A - 一种基于三频段整流天线的射频微能量采集装置 - Google Patents

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宫大为
王斌
叶红
张朔烨
赵鑫
洪雅楠
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    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/20—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using microwaves or radio frequency waves
    • H02J50/27—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using microwaves or radio frequency waves characterised by the type of receiving antennas, e.g. rectennas

Abstract

本专利公开了一种基于三频段整流天线的射频能量采集装置，所述装置包括：三频段微带天线；微带天线介质基板使用FR‑4；所述微带天线通过开槽实现了在三个密集频段的低回波损耗，有效拓展了天线收集射频能量的范围；应用宽频带匹配电路理论为接收天线设计了一款三频段整流器，使整流器对天线三个频率的输出都有很好的整流效果；采用基于bq25504芯片的电源管理模块，该模块能够在整流天线低能量输出的条件下持续运行。经实物测试，该能量采集装置能够收集环境中低至‑15.6dBm的射频能量，灵敏度非常之高。

Description

一种基于三频段整流天线的射频微能量采集装置
技术领域
本发明属于能量采集技术领域，涉及到一种收集自由环境中微弱射频能量的方法及装置。
背景技术
现如今，人们对使用大规模传感器网络、物联网等技术建设一个智能社会的需求不断增长，其中最紧迫的问题是缺乏可持续的电源让这些传感器和设备能够自主运行。传统的自动设备严重依赖于原电池，而原电池只能为设备供电一定的时间。一旦传感器设备耗尽了电池中存储的能量，更换电池所带来的成本消耗会随着系统中传感器设备数量的增加而显著增加。为了避免这种维护成本问题，实现物联网和智能城市等低消耗智能系统的自给自足，发展环境能量采集技术是很有必要的。
射频能量具有来源稳定、分布广泛、不受天气影响和对环境友好等诸多优点，但其能量密度较低的缺点也尤为明显，采集过程中如何提高灵敏度、降低能量损耗、提高转换效率是射频能量采集技术的关键。近年来随着可穿戴式电子设备、物联网(IOT)、无线传感器网络(WSN)、射频识别(RFID)和生物医学植入式设备等技术的飞速发展，无线通信设备密度快速增长，环境中开始分布着大量的超高频(300MHz至3GHz)射频能量。尤其是在大都市中，射频能量非常丰富。
综上所述，射频能量采集技术具有巨大的开发潜力和广阔的应用前景，但具体如何实施还鲜有人提。
发明内容
本发明的目的在于提供一种灵敏度高、宽频带、能够收集自由空间中低密度射频能源的能量采集装置，用于解决类似传感器网络中的节点等小型独立装置自主供电的问题。
本发明是这样实现的，包括一种三频段的开槽微带天线、匹配网络、整流器和基于bq25504芯片的电源管理模块，其结构示意图如图1所示。微带天线通过在辐射贴片上开槽使天线在1.8GHz、2.1GHz、2.4GHz三个频段都有很好的反射系数，这意味着天线对这三个频段的射频能量均有着很好的接收效果。整流器和微带天线之间通过匹配网络连接，经过阻抗匹配后天线的功率输出才能很好地传输至整流器中而不至于因反射而损耗掉。匹配网络由三个LC电路并联组成，其在1.8GHz、2.1GHz、2.4GHz三个频段形成三个谐振点，从而使整流器在这三个频率的反射系数降低。天线输出经整流器整流后变成直流电能，输入由bq25504芯片构成的电源管理模块进行升压及存储。经实物测试，该装置能够收集低至-15.6dBm的射频能量，并在200s内将220μF的电容充电至2.7V。
附图说明
图1为能量采集装置的系统整体结构图
图2为三频段天线的结构示意图
图3为三频段匹配网络的结构示意图
图4为二阶倍压整流电路原理图
图5为电源管理模块原理图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的应用原理做出详细介绍。如图2所示为天线结构图。天线介质基片使用FR-4材料，相较于Rogers具有成本低的优势，价格不到其10％。通过改变天线槽1的参数可以调节天线中频反射系数，改变槽2的参数可以调节天线高频反射系数，改变槽3的参数可以调节天线低频反射系数。经过参数调节后天线在1.8GHz、2.1GHz、2.4GHz三个频率的反射参数均小于-20dB，对射频能量有良好的接收性能。天线通过SMA射频接头进行同轴线馈电，通过调整馈电位置可以调节天线整体输入阻抗。
如图3所示是匹配网络的结构图，根据宽频匹配电路理论，通过串联三个LC并联谐振电路产生三个谐振点，分别对应天线的三个工作频段。同时利用ADS先进设计系统对匹配网络和整流电路进行联合仿真，调节器件参数，使整流电路阻抗和微带天线阻抗达到匹配。
能量采集装置的整流电路采用二阶倍压整流电路，其示意图如图4所示。因为射频能量普遍密度低，频率高，因此采用开关速度快，导通压降低的型号为HSMS286C的肖特基二极管。为尽可能降低电路带来的能量损耗，本发明所用电容为日本村田公司的GRM18-X系列，电感采用的是村田公司的LQW18系列，封装均为0603。
电源管理模块由TI公司的bq25504芯片和用于设定各种阈值的电阻组成，如图5所示。该电源管理模块能在输入低至80mV的条件下持续工作，非常适合用于收集能量密度很低的射频能源。为了能够成功从系统前端的能量收集器收集电能，首先需要使用外部电阻对三种不同的阈值电压进行设定，即欠压阈值(UV)、电池良好阈值(VBAT_OK)和过电压阈值(OV)。三个阈值电压决定了bq25504模块的工作区域。最初，CSTOR电容器由低效率冷启动电路充电。当CSTOR电容器充电到1.8V时，主电容器打开。CSTOR电容器电压持续上升，并穿过欠压阈值，此时，引脚11(VSTOR)和引脚14(VBAT)之间的内部开关打开。当充电继续时，CSTOR电容器达到VBAT_OK_LH阈值，VBAT_OK信号变高。最后，当CSTOR电容器达到过电压阈值时，充电停止。视应用场景的不同，通过调节电源管理模块外围电路的参数可以输出不同的电压。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则内所作的任何修改、同等替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于三频段整流天线的射频微能量采集装置，其特征在于，所述装置包括：三频段微带天线，用于接收环境中微弱射频能量；基于RCN技术的匹配网络，用于天线和整理电路之间的阻抗匹配；整流电路，用于将天线输出的交流电能转换为直流电能；电源管理模块，用于调整装置输出电压及电能管理。
2.一种基于三频段整流天线的射频微能量采集装置，其特征在于，接收天线通过在辐射单元上结合U型槽、I型槽和T型槽实现了在多个频段的低回波损耗，从而拓展了天线接收射频能量的范围，有效解决了自然环境中因射频能量密度较低带来的不便收集的问题；且通过改变U型槽的分支参数以及在其分支末端不断引进矩形条带进行叠加可以改善天线整体的阻抗匹配问题。
3.如权利要求1所述的基于三频段整流天线的射频微能量采集装置，其特征在于，通过在匹配网络中加入6组LC分支，有效改善了整流器在天线三个工作频段的反射系数，使天线输出的射频能量能够有效输入后级的倍压整流电路中，不会因电磁反射而损耗；且在此基础上应用了RCN技术，使上面3组分支在天线的三个工作频率上的相位分别为φ1、φ2、φ3，与其对应的下面3组分支在三个频段的相位分别为-φ1、-φ2、-φ3，这样有效改善了整流器的阻抗特性，使其在不同的负载情况下阻抗基本不变，增加了其在不同条件下的实用性。
4.如权利要求1所述的基于三频段整流天线的射频微能量采集装置，其特征在于，通过外围电路的设计，使基于bq25504芯片的电源管理模块的储能电容CSTOR两端电压达到1.8V后，在整流器的输出低至80mV的条件下依旧能够正常工作，改善了整个装置收集微弱能量的灵敏度；通过调节外围电路的参数，可以使电源管理模块输出2.7V～5.3V之间的任意值。
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