图1 空间环境能量收集器的组成结构
徐 庶,张 瑜
(河南师范大学电子与电气工程学院,河南新乡453007)
摘 要:基于频率可重构原理设计的五频段天线,通过调节寄生单元和馈电线的长度来改变天线的局部结构,从而获得不同的工作频段。该天线可在470～770 MHz,800～930 MHz,934～960 MHz,1 854～1 892 MHz,2 407～2 509 MHz五种频段之间实现可重构,覆盖了无线通信系统工作频段,各个状态具有较好的特性。在此基础上,搭建的能量收集器可以对接收到的信号能量进行收集,环境能量收集器系统包括可重构天线、匹配网络和整流升压。通过仿真软件ADS和HFSS对收集器各部分优化、仿真,仿真结果显示各部分性能良好,该收集器的灵敏度较高。最后经过实测,佐证了收集器的整体效率较高,最大收集效率可达58.6%。
关键词:多频段;可重构天线;能量收集;效率
近年来,随着无线通信技术的快速发展,越来越多的基站、信号发射塔等信号发射设备被建立在人们周围环境中,这些射频发射源发出的能量充斥在人们生活环境中。因此,利用周围空间中的射频能量为一些低功耗电子器件供能慢慢成为一种趋势。为了对周围空间中信号分布频谱和强度有一个直观的认识,Pinuela等对伦敦北郊地铁站外的输入功率进行了测试,其结果表明环境信号能量中很大一部分是可以被收集的[1]。查阅资料可知[2]:数字电视频带(DTV)的频带范围大致为470～770 MHz,全球移动通信系统(GSM)的频带范围为934～1 892 MHz,其中GSM900频带范围为934～960 MHz,GSM1800频带范围为1 854～1 892 MHz,3G频带范围为2 205～2 315 MHz,WiFi频带范围为2 407～2 509 MHz。
随着硅微电子技术在超低功耗方面取得突破,越来越多的微瓦级电子器件相继出现并被运用在生活中。例如,无线传感器网络在军事、环境监测、建筑物状态监控和大型企业的安全监测等诸多领域得以应用[3]。考虑到作为无线传感器网络主要能量来源的电池在体积、使用寿命等方面有很大缺陷,不利于减小系统的体积和长久为系统供电,所以采用电池为多种传感器节点供电是不现实的[4]。倘若这些传感器本身具有获取空间能量的能力,就可以为自身工作提供能量。经过十多年的研究和发展,国内外射频能量收集技术已取得了一定的成果[3,5-6]。在灵敏度方面,文献[5]报道了空间环境能量收集器灵敏度可以达到-20 dBm,效率为18%;在整流电路方面,文献[6]报道了射频倍压整流电路采用50级超低阈值管整流器的情况下,可以将-32 dBm的射频信号整流到1 V;在天线设计方面的成果有小型化双频段接收天线、双槽波纹喇叭天线、宽频带多频微带天线等[7-9];尽管如此,目前天线、灵敏度和效率仍然是环境中射频能量收集面临的难题。在天线技术方面,主要表现在天线的宽带化、小型化、阵列化、集成化和智能化等方面。减小天线尺寸的方法之一就是选用高介电常数的材料;阵列化需要利用多个天线,通过能量叠加或者变相增加接收信号的频带宽度;宽频带就需要设计频带较宽的天线。目前,在天线带宽设计方面主要集中在2.45 GHz附近。结合射频信号密度分布图,设计出了五频段的可重构天线,5个频段正好与射频信号密度分布图中5个频带范围相对应,经过仿真、测试,得出设计的多频段可重构天线具有较好的特性。在此基础上,提出了一种基于可重构天线的能量收集器。
空间环境能量需要经过天线才能接收,也就是说天线的工作频率必须与所接收到信号的频率相同,射频信号通过天线接收后经过匹配网络,匹配网络可以对天线阻抗进行匹配,使得从天线中流出的高频电流,最大可能经匹配网络流进RFDC整流器,RF-DC整流器可以将RF信号转换为DC信号,从而将获取的信号能量为负载提供能量来源,或者将能量经能量存储装置存储起来。空间环境能量收集器组成图如图1所示。
从图1可以看出,整个能量收集器包括3部分:天线、匹配网络和整流升压(负载、存储装置等辅助设计不是本文的考虑重点,这里不再赘述)。其中,接收天线是五频段接收天线,匹配网络主要由电容、电感组成,整流升压部分包含电容、肖特基二极管。
图1 空间环境能量收集器的组成结构
天线的结构如图2所示。选用的介质板材料为环氧树脂,其厚度为1.6 mm,介电常数εr=4.4。该多频接收天线包括寄生单元、馈电线和矩形接地面,设计的接收天线总尺寸较小,仅为38 mm×35 mm×1.6 mm。其中,寄生单元长度的计算方法是:先由天线有效电长度(寄生单元长度与相应馈电带线长度之和)得到寄生辐射单元的初始长度,再由电磁仿真软件对参数进一步优化。而天线的有效电长度约等于天线谐振时对应工作波长的一半,其计算可以参考以下经验公式[10]:
式中:Leff为接收天线有效电长度,单位mm;fres为谐振频率,单位GHz;εeff为有效介电常数;c为真空中的光速,单位m/s。
图2 天线的结构图
天线的工作状态与导通开关的关系如下:D3,D4接通时,天线工作在470～770 MHz;D5,D6接通时,天线工作在2 205～2 315 MHz;D7,D8,D9和D10接通时,天线工作在1 854～1 892 MHz;D9,D10,D11,D12,D13和D14接通时,天线工作在934～960 M Hz;D1,D2,D15和D16接通时,天线工作在2 407～2 509 MHz。图3为天线测试环境图。
图3 天线测试环境
用安捷伦公司E8364B对设计的多频段天线进行测试,为验证和测量简单考虑,文中用铜箔的连接与断开来代替开关。图4给出了天线在不同工作模式下回波损耗的测量值。
图4 不同工作状态下天线的回波损耗
从测量结果可知,天线的回波损耗S11在-10 dB以下的频谱有:470～770 MHz,934～960 MHz,1 854～1 892 MHz,2 205～2 315 MHz,2 407～2 509 MHz,即接收天线可以在以上5个频段实现可重构,验证了设计的天线具有很好的特性。
匹配网络是射频能量收集系统必不可少的部分,它是超宽带接收天线与整流升压电路的纽带和桥梁,可以使得电流无损耗地从超宽带天线经匹配网络流进整流升压电路,减少在匹配网络中的能量损耗,对提高射频能量收集系统的整体转换效率起着不可小觑的作用。
结合图1,具体工作过程为:从接收天线流出的高频电流流进匹配网络,高频电流经结点1流进电感L1和可调电容VC1,在电感L1的通直流阻交流、可调电容VC1的通交流阻直流的作用下对其进行第一次频率筛选,选出频率范围为1.75～2.95 GHz的高频电流;此时经过第一次频率筛选的高频电流,经结点2流进电感L2和可调电容VC2,在电感L2的通直流阻交流、可调电容VC2的通交流阻直流的作用下,进行二次筛选,从结点3流出的是经过二次频率刷选的高频电流。
整流升压是射频能量收集系统较为重要的环节,包括4个电容(C1,C2,C3,C4)和4个二极管(D1,D2,D3,D4)。当端点3处电压为正时,二极管D2,D4导通,D1,D3截止,电容C1～C4起到通交流阻直流、通高频阻低频的作用,每经过一个二极管电压就增加一倍,最后输出电压为原来的4倍;当端点3处电压为负时,二极管D1,D3导通,D2,D4截止,电容C1～C4起到通交流阻直流、通高频阻低频的作用,每经过一个二极管电压就增加一倍,最后输出电压为原来的4倍。
整流升压电路的整流效率为
式中,Vdc为负载Rl两端的电压,Pav为负载末端的功率。
利用ADS软件,对整流升压电路在不同工作状态下的整流效率进行了仿真,仿真原理图如图5(a)所示,图5(b)是不同工作状态下天线的效率曲线图。该曲线大致描绘出了整流升压电路在不同工作状态下的效率变化。
从图5(b)可以看出,该整流升压电路在不同工作状态下的整流效率变化较小,最大整流效率均达到70%,说明整流升压电路在5个不同工作状态下均有较高的整流效率。
灵敏度和转换效率是空间环境能量收集的关键,针对灵敏度的难题,本文进行了数据的计算,在此基础上进行了ADS软件的仿真和测试。图6为能量收集测试原理框图,图7为收集器系统测试环境图。在仿真中,频率选择2.45 GHz,选取输入功率为1～15 m W,共15个点进行仿真。得出该能量收集器的效率,即在不同灵敏度下的系统效率,如图8(a)所示;选取输入功率为7 m W、频率范围在0.5～2.5 GHz的条件下进行仿真。得出能量收集器效率与频率之间的关系曲线,如图8(b)所示。
图5 ADS仿真图和不同工作状态下天线的效率
由图8(a)可知,在输入信号强度为1 m W时,其效率达11.6%,在输入信号能量在1～3 m W时,系统的转换效率有较明显的上升趋势,这是由于输入功率增加直接影响了能量收集器中各个元器件的效率接近13%;输入信号功率在3～8 m W之间时,效率增加趋势不再明显;当输入信号功率达到8 m W时,效率达到最大的34.8%。此后,效率随功率增大变化甚微。即随着输入信号能量的不断增强,系统的效率始终保持在34.8%左右;图8(b)中曲线图显示了频率对系统效率的影响,在频率在0.75,0.95,1.85和2.45 GHz频率点上时,效率都有一个峰值,在这几个频率上效率有极值,表明在此频率上能量收集器收集到的能量较多。
利用仿真软件仿真得出能量收集器的系统效率;将该能量收集器在测试环境中进行实测,得出其仿真曲线。现将得出的仿真效率曲线与实测效率曲线进行对比,如图9所示。
由图9可知,收集器系统的仿真曲线与实测效率曲线基本吻合,效率在设定的频段内保持在35%～58%,曲线变化较明显,是由于在不同频段,收集器中二极管阈值、匹配网络等内部因素制约。此外,多频可重构天线与2.45 GHz的单频天线相比,可以有效提高可收集射频信号的频带(覆盖多个频段),也就是在多个频段内可以收集能量。
图6 能量收集器测试原理框图
图7 收集器系统测试
图8 输入功率、频率与效率曲线图
图9 系统仿真效率对比图
本文提出了一种基于可重构天线的能量收集器。文中设计的是覆盖DTV,GSM900,GSM1800,3G和WiFi信号5个频段的可重构天线,通过仿真、测试,检测出天线具有在不同工作状态下较高的特性;各不同工作状态的切换依靠寄生单元与馈电线的连接状态。在此基础上,由可重构天线、匹配网络和整流升压组成的环境能量收集器系统,在仿真软件上对匹配网络、整流升压进行仿真验证和优化,通过仿真结果可以看出,整个环境能量收集器在灵敏度方面有了较大的提高。实测结果再次证明,该能量收集器在低输入功率(信号强度较低)的环境中具有较强的使用价值和应用前景。
参考文献:
[1]PINUELA M,MITCHESON P D,LUCYSZYN S.Ambient RF Energy Harvesting in Urban and Semi-Urban Environments[J].IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques,2013,61(7):2715-2726.
[2]王安国,陈彬,冷文,等.一种小型化五频段可重构蝶型天线的设计[J].电波科学学报,2013,28(1):87-91.
[3]韦保林,韦雪明,徐卫林,等.环境射频能量收集技术的研究进展及应用[J].通信技术,2014,47(4):359-364.
[4]PARADISO J A,STARNER T.Energy Scavenging for Mobile and Wireless Electronics[J].IEEE Pervasive Computing,2005,4(1):18-27.
[5]MIKEKA C,ARAI H,GEORGIADIS A,et al.DTV Band Micropower RF Energy-Harvesting Circuit Architecture and Performance Analysis[C]∥IEEE International Conference on RFID-Technologies and Applications,Sitges:IEEE,2011:561-567.
[6]OH S,WENTZLOFF D D.A-32dBm Sensitivity RF Power Harvester in 130 nm CMOS[C]∥IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium,Montreal,QC:IEEE,2012:483-486.
[7]徐雷鈞,杨晓东,白雪,等.一种基于缝隙结构的小型双频段射频能量接收天线[J].通信技术,2014,47(1):106-110.
[8]赵秋颖,何辉文,张海奇.一种Ka波段双槽波纹喇叭天线的设计[J].雷达科学与技术,2016,14(2):202-205.
[9]潘勇,熊江,李潘.一种新型宽频带多频微带天线设计[J].电讯技术,2015,55(4):390-394.
[10]王国安,蔡晓涛,冷文.带寄生贴片的圆盘形方向图可重构天线设计[J].电波科学学报,2011,26(6):1181-1186.
Characteristics of an Energy Harvester Based on Reconfigurable Antenna
XU Shu,ZHANG Yu
(College of Electronic and Electrical Engineering,Henan Normal University,Xinxiang453007,China)
Abstract:A five-band antenna designed on the basis of the principle of frequency reconfigurable antenna can gain different working frequencies by adjusting the parasitic unit and the length of the feeder line,to change the local structure antenna.The antenna is reconfigurable between five frequency bands covering the working frequencies of wireless communication system.In each state it has good characteristics.On this basis,an energy harvester is set up,which can collect the
receivedsignals.It contains the reconfigurable antenna,matching network and rectifying booster.Through the simulation softwares HFSSand ADS,all parts of the harvester are optimized and simulated.The simulation results show good performance of each part and the high sensitivity of the harvester.Finally,the actual measurements verify that it has high overall efficiency and the largest harvest efficiency can reach 58.6%.
Key words:multiband;reconfigurable antenna;energy harvesting;efficiency
中图分类号:TN710
文献标志码:A
文章编号:1672-2337(2017)02-0203-05
DOI:10.3969/j.issn.1672-2337.2017.02.016
收稿日期:2016-08-20;
修回日期:2016-10-18
基金项目:国家自然科学基金(No.61077037)
作者简介:
徐 庶男,1988年出生,河南商丘人,硕士研究生,主要研究方向为射频能量收集技术理论与应用研究。
E-mail:749199678@qq.com
张 瑜男,1963年出生,河南沁阳人,1986年毕业于西安电子科技大学电磁场与微波技术专业,2005年前为中国电波传播研究所高级工程师,现为河南师范大学物理与信息工程学院教授,曾先后主持国家863计划、国家自然科学基金和国防预研项目5项,省部级研究项目9项,参与研究项目数十项,在不同的学术刊物上发表论文100多篇,获部、省、市科技成果奖多次,目前主要从事电磁波与微波技术理论与应用研究工作。