CN212909121U - 2.4-2.5GHz的RF能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种2.4‑2.5GHz的RF能量收集装置，包括依次连接的天线阵列、阻抗匹配电路、整流电路、超级电容和电源管理电路；还包括与电源管理电路连接的控制电路，以及与控制电路连接的蓝牙模块。所述天线阵列包括结构相同的第一微带天线、第二微带天线、第三微带天线、第四微带天线。阻抗匹配电路包括依次连接的λ/4阻抗变换器和T型结构连接阻抗变换器。整流电路采用倍压电路，包括两组极性相反的格莱纳赫电路。本实用新型实现了天线阵列采集环境中的无线电波，将采集的电能储存在超级电容中，用于对低功耗设备的电源输入。
Description
技术领域
本实用新型属于无线充电领域，具体涉及一种2.4-2.5GHz的RF能量收集装置。
背景技术
随着近几年无线传感网络(Wireless Sensor Networks，WSN)在军事、智能交通、环境监控、医疗卫生等多个领域的日益发展和运用，以及物联网(Internet of Things，IOT)的日渐盛行，低功耗的电子设备得到了越来越广泛的应用。同时由于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)和低功耗电子技术的发展，越来越多低功耗电子设备正加速地进入到我们的日常生产生活中。然而对于某些低功耗设备其电池的维护和更换会成为十分棘手的问题。例如无线传感网络的传感器结点需要大量分布在需要检测的广泛环境之中，如果使用传统的电池，其寿命有限并且进行维护和更换需要耗费大量人力和物力而且容易造成环境污染。
发明内容
本实用新型的目的是解决上述问题，提供一种2.4-2.5GHz的RF(RadioFrequency)能量收集装置，利用天线阵列采集环境中的无线电波，转换为直流电并进行升压，将采集的电能储存在超级电容中，通过电源管理芯片输出直流电，用于对低功耗设备充电供能。
本实用新型的技术方案是2.4-2.5GHz的RF能量收集装置，包括依次连接的天线阵列、阻抗匹配电路、整流电路、超级电容和电源管理电路；所述天线阵列用于采集RF无线电波信号；阻抗匹配电路用于匹配阻抗，提高RF能量传输的效率；整流电路用于将RF无线电波转换为直流电，对超级电容充电；电源管理电路用于将整流电路的直流电进行升压，提供3.0V 电压输出。
进一步地，所述的RF能量收集装置还包括与电源管理电路连接的控制电路，所述控制电路采用STM8L系列微处理器，最低功耗模式的电流为0.30uA。
进一步地，所述的RF能量收集装置还包括与控制电路连接的蓝牙模块，蓝牙模块采用DA14580芯片，睡眠模式的电流为2uA。
优选地，所述天线阵列包括结构相同的第一微带天线、第二微带天线、第三微带天线、第四微带天线。
优选地，第一微带天线选择Rogers RO4003B作为基板材料，基板的宽度为40.2mm，长度为31.6mm，基板的厚度为1.524mm。第一微带天线开有槽，槽的宽度为1mm，长度为10mm。第一微带天线选择的中心频率为2.45GHz。
优选地，阻抗匹配电路包括依次连接的λ/4阻抗变换器和T型结构连接阻抗变换器。
优选地，整流电路采用倍压电路，包括两组极性相反的格莱纳赫电路。
进一步地，电源管理电路采用LTC3108-1芯片，LTC3108-1芯片的13号针脚经电容C5 与T1的4号针脚连接，LTC3108-1芯片的14号针脚经电容C7与T1的4号针脚连接，LTC3108-1芯片的15号针脚与T1的2号针脚连接，T1的1号针脚与整流电路的输出端连接；LTC3108-1芯片的4号针脚与电容C10的一端连接，电容C10的另一端接地；LTC3108-1芯片的5号针脚与电容C6的一端连接，电容C6的另一端接地；LTC3108-1芯片的6号针脚与电容C9的一端连接，电容C9的另一端接地。LTC3108-1芯片提供2.35V、3.3V、4.1V、5.0V 多种电压输出。
相比现有技术，本实用新型的有益效果：
1)本实用新型实现了天线阵列采集环境中的无线电波，转换为直流电并进行升压，将采集的电能储存在超级电容中，用于对低功耗设备的电源输入；在RF能量输入效率比较低的情况下，也可保证持续稳定的输出；
2)天线阵列采用微带天线，对2.4-2.5GHz的无线电波接收效率高；
3)阻抗匹配电路采用的λ/4阻抗变换器和T型结构连接阻抗变换器，减少了能量损耗，可靠性高，适用于2.4-2.5GHz的电波；传输线特性阻抗呈现阶梯型，在传输端入口阶梯的反射会相互抵消掉，阶梯变化的足够缓慢时，能保证匹配宽带；
4)电源管理电路提供多种电压输出供用户选择，输入的超级电容的电压为20mV以上时，电源管理电路即可提供直流电压3.0V输出；
5)本装置可经蓝牙模块与手机连接，便于实时查看用于储能的超级电容的电压。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图1为本实用新型的结构示意图。
图2为实施例的天线阵列的结构示意图。
图3为实施例的阻抗匹配电路和整流电路的结构示意图。
图4为实施例的电源管理电路的电路图。
图5为实施例的控制电路的电路图。
图6为实施例的蓝牙模块的电路图。
具体实施方式
如图1-5所示，2.4-2.5GHz的RF能量收集装置，包括依次连接的天线阵列、阻抗匹配电路、整流电路、超级电容和电源管理电路；还包括与电源管理电路连接的控制电路，以及与控制电路连接的蓝牙模块，蓝牙模块与手机蓝牙连接，用于查看超级电容的电压。控制电路采用STM8L151G2U6芯片，STM8L151G2U6芯片的ADC引脚与超级电容连接，实时测量超级电容的电压。蓝牙模块采用DA14580芯片。超级电容的电容值为1F。
如图2所示，天线阵列包括结构相同的第一微带天线、第二微带天线、第三微带天线、第四微带天线。天线选择Rogers RO4003B作为介质基片材料，RO4000系列高频线路板材料具备高频性能、线路板生产成本低、损耗低等优点。RO4003B的相对介电常数εr为3.66，损耗因子0.0031，选择RO4003B板厚h为1.524mm，选择天线中心频率为f0＝2.45GHz。微带天线的计算公式如下
式中w为微带天线的宽度，c为光速，εr为介质基片的相对介电常数，f0为天线中心频率；
式中l为微带天线的长度，λp为介质波长，h为介质厚度，Δl为受边缘效应影响的长度修正，
计算出微带天线w＝40.11mm，l＝31.6mm，然后通过仿真软件Advanced DesignSystem对天线参数进行优化，比较各参数下的仿真结果得到最佳的微带天线仿真尺寸，确定微带天线的宽度为宽度w＝40.2mm，长度l＝31.6mm。微带天线采用微带线进行馈电，在微带线两侧开对称槽有利于修善频带窄的缺陷。经过多次仿真，确定中间开槽部分的最佳尺寸为宽度w1＝1mm，长度l1＝10mm。天线阵列使用四组微带天线，组成一个高增益的2x2微带天线阵列，如图2 所示。
在高频电路中传输线作为能量传输的载体，微带传输线的阻抗和输入端信号的幅值和频率大小有关，一般情况下，高频信号在传输线某一处的能量由该处的入射波和反射波叠加而成的。能量在介质中传输时，为降低能量在传输过程中的损耗，可以通过改变传输过程中微带线的变化，所以四分之一波长阻抗连接器是最佳的选择。在能量传输使用过程中，四分之一波长阻抗变换器不仅使电路得到匹配，还使传输效率得到提高。传输线选用了四分之一波长的阻抗变换器，同时使用T型结构连接阻抗变换器，传输线特性阻抗呈现阶梯型，在传输端入口阶梯的反射就会相互抵消掉，当阶梯变化的足够缓慢时，就能保证匹配宽带。
图3左部为阻抗匹配电路，阻抗匹配电路包括依次连接的λ/4阻抗变换器和T型结构连接阻抗变换器。
图3右部为整流电路，整流电路采用倍压电路，包括两组极性相反的格莱纳赫电路，输出电压为输入电压的4倍。
对于射频倍压整流电路而言，由于频率较高，周期变化快即电源正负变化较快，所以整流二极管必须要有较高的开关速度。此外由于射频能量采集所收集的都是能量比较微弱、功率比较低的射频信号，就要求所选择的二极管还需要有较低的开启电压和正向导通压降。实施例采用零偏置低阻肖特基二极管HSMS-2852。
如图4所示，电源管理电路采用LTC3108-1芯片，LTC3108-1是一款高度集成的DC/DC 转换器，非常适合于收集和管理来自小型太阳能电池等极低输入电压电源的剩余能量，输入电压可低至20mV，极低的静态电流和高效率设计可确保输出存储电容器尽可能最快的充电，可持续稳定的输出。电压输出可根据设置VS1,VS2的连接方式，按用户自身的需求选择2.5V、 3V、3.7V、4.5V其中之一的电压输出，本实施例输出3V直流电供后续电路板使用。
LTC3108-1芯片的13号针脚经电容C5与T1的4号针脚连接，LTC3108-1芯片的14号针脚经电容C7与T1的4号针脚连接，LTC3108-1芯片的15号针脚与T1的2号针脚连接， T1的1号针脚与整流电路的输出端连接；LTC3108-1芯片的4号针脚与电容C10的一端连接，电容C10的另一端接地；LTC3108-1芯片的5号针脚与电容C6的一端连接，电容C6的另一端接地；LTC3108-1芯片的6号针脚与电容C9的一端连接，电容C9的另一端接地。
如图5所示，STM8L151G2U6芯片的14号针脚分别与电阻R1的一端、电阻R2的一端连接，电阻R1的另一端与储能的超级电容连接，电阻R2的另一端接地；STM8L151G2U6 芯片的7号针脚与LTC3108-1的4号针脚连接。
如图6所示，DA14580芯片的9号针脚与STM8L151G2U6芯片的23号针脚连接，DA14580 芯片的10号针脚与STM8L151G2U6芯片的24号针脚连接。
上述装置的工作原理：天线阵列采集环境中的RF无线电波信号，经阻抗匹配电路输入到整流电路，整流电路将输入的高频RF无线电波转换为直流电，输出到超级电容，对其充电；电源管理电路对整流电路输出的直流电进行升压，输出直流电供用户的用电设备使用；控制电路对超级电容的电压值进行采样，通过蓝牙模块连接用户的手机，输出超级电容的实时电压值。
Claims (9)
1.一种2.4-2.5GHz的RF能量收集装置，其特征在于，包括依次连接的天线阵列、阻抗匹配电路、整流电路、超级电容和电源管理电路；
所述天线阵列用于采集RF无线电波信号；
阻抗匹配电路用于匹配阻抗，提高RF能量传输的效率；
整流电路用于将RF无线电波转换为直流电，对超级电容充电；
电源管理电路用于将整流电路的直流电进行升压。
2.根据权利要求1所述的2.4-2.5GHz的RF能量收集装置，其特征在于，还包括与电源管理电路连接的控制电路，所述控制电路采用STM8L系列微处理器。
3.根据权利要求1所述的2.4-2.5GHz的RF能量收集装置，其特征在于，还包括与控制电路连接的蓝牙模块，蓝牙模块采用DA14580芯片。
4.根据权利要求1所述的2.4-2.5GHz的RF能量收集装置，其特征在于，所述天线阵列包括结构相同的第一微带天线、第二微带天线、第三微带天线、第四微带天线。
5.根据权利要求4所述的2.4-2.5GHz的RF能量收集装置，其特征在于，第一微带天线的基板的宽度为40.2mm，长度为31.6mm，基板的厚度为1.524mm。
6.根据权利要求5所述的2.4-2.5GHz的RF能量收集装置，其特征在于，所述第一微带天线开有槽，槽的宽度为1mm，长度为10mm。
7.根据权利要求1所述的2.4-2.5GHz的RF能量收集装置，其特征在于，阻抗匹配电路包括依次连接的λ/4阻抗变换器和 T型结构连接阻抗变换器。
8.根据权利要求1所述的2.4-2.5GHz的RF能量收集装置，其特征在于，整流电路采用倍压电路，包括两组极性相反的格莱纳赫电路。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的2.4-2.5GHz的RF能量收集装置，其特征在于，电源管理电路采用LTC3108-1芯片，LTC3108-1芯片的13号针脚经电容C5与T1的4号针脚连接，LTC3108-1芯片的14号针脚经电容C7与T1的4号针脚连接，LTC3108-1芯片的15号针脚与T1的2号针脚连接，T1的1号针脚与整流电路的输出端连接；LTC3108-1芯片的4号针脚与电容C10的一端连接，电容C10的另一端接地；LTC3108-1芯片的5号针脚与电容C6的一端连接，电容C6的另一端接地；LTC3108-1芯片的6号针脚与电容C9的一端连接，电容C9的另一端接地。
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|---|---|---|---|---|
| CN113676224A (zh) * | 2021-08-20 | 2021-11-19 | 深圳绅聚科技有限公司 | 射频能量供能的蓝牙模块、系统及制品 |
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