基于射频能量的采集装置

黄宇森 姚奥 龙忠霞

能源问题是人类对能源需求的增长和现有能源资源日趋减少的矛盾。日常环境中存在丰富的射频能量信号源，大部分射频能量的发射具有全向性和全时段特性，会造成大量能量的浪费。因此，本文设计了一种基于射频能量的采集装置，可以将环境中的射频能量转换成直流电能，给低功率无线传感网络或者传感器供电。本文工作主要包括接收天线模块、整流电路模块，具体详述如下：

1总体方案设计

首先天线模块设计一种用于收集环境中频段在2.45 GHz射频信号的微带贴片天线，使得天线的输出阻抗匹配50Ω。其次整流电路模块的设计，通过查阅资料确定使用HSMS2852肖特基二极管为整流二极管设计了整流电路，通过LineCalc进行计算得出微带线的参数，使得整流电路在2.45 GHz，输入功率为0dBm时，能够输出直流电压为3.618 V的直流电能。

2天线模块设计

2.1天线结构设计与优化

环境中的电磁能量多集中在DTV,GMS1800,GMS2100,WIFI等频率。本文选择收集为2.45GHz频段的射频信号，所以设计频率为2.45 GHz的微带贴片天线最为合适。

对于贴片天线的尺寸可以通过公式进行估算，设计该天线的使用的是介质板为Rogers4003C,设板子厚度h=0.814mm,查阅资料得相对介电常数为3.55，损耗正切值为0.0021在介质板材的相对介电常数以及工作的中心频率一定时，套入下列公式计算到贴片天线的尺寸参数。

（公式2.1）

（公式2.2）

（公式2.3）

（公式2.4）

（公式2.5）

通过公式2.1计算贴片的宽度W=40.59mm，公式2.2计算贴片的长度得到L=32.33mm，通过公式2.3计算得到电磁波在介质材料中的波长66.21mm，有效介电常数和等效辐射缝隙长度可分别由公式2.4和公式2.5计算得到分别为3.42和0.39mm。一般来说微带贴片天线的输入阻抗大于100Ω，而与之连接的馈线一般为50Ω，这样的话就与馈线不匹配。通常为了解决此类不匹配的问题都是在微带贴片与微带馈线之间添加一个四分之一波长阻抗变换器，从而使得微带贴片的输入阻抗能够与50Ω的馈线匹配，然而使用这种方法会增加介质板的面积，而且天线的馈电网络的设计也会影响到天线的辐射特性。所以，在设计该微带贴片天线时将天线设计成嵌入式结构不但可以减小阵列的尺寸，同时也可以避免使用微带线网路进行阻抗匹配。

2.1天线参数分析

在完成天线的设计后，可以通过HFSS查看仿真求解结果，图2.1所示的为天线三维增益方向图，得到贴片的最大增益G=4.6dBi，仿真得到的S参数如图2.1所示，在2.45 GHz处的损耗S11=-27.49 dB。

图2.1 天线的S参数

3整流电路模块设计

如图所示的是整流电路的基本框架图，对于一个整流电路来说主要包括匹配电路、整流二极管、滤波电路等，所以对于整流电路的设计应该从这三个具体的部分进行。如图3.1整流电路基本结构所示：

图3.1 整流电路基本结构

3.1整流二极管选型

不同型号的整流二极管在整流电路的产生的效果是不同的，如何选择合适的二极管是十分重要的。由于我们设计接收天线的是工作在频段为2.45GHz时，且以较低的输入功率作为目标，以更好地收集环境中的射频能量，团队通过实验仿真选择HSMS2852的肖特基二极管。

3.2整流电路性能仿真与优化

首先，通过ADS中LineCalc计算可知在中心频率为2.45 GHz板子厚度h=0.814mm,相对介电常数为3.55，损耗正切值为0.0021时阻抗为50Ω，条件下得到微带线的长度为4.06mm，宽度为1.81mm。

在确定使用HSMS2852肖特基二极管为整流二极管，利用ADS建立整流电路原理图如图3.2所示。在原理图中，用于储能的电容C1和C2的大小均为51 pF，其中C2在一定的程度上还起到了滤波的作用。虽然ADS自带的调谐功能可以对电容的大小进行优化，但是考虑到实际中电容值的大小，所以选择了大小为51 pF的电容。

图3.2 整流电路原理图

对整流电路进行仿真，可以得到直流电压输出仿真图，如图3.3所示，从图中可以得知输出电压在3.618V。

图3.3 输出电压

4项目研究中遇到的部分问题及应对思路与措施

对整流电路而言，各个元器件参数的选取十分重要，由于刚开始不懂得一些参数需要进行精准的计算，只是默认选取参数，导致最终仿真得出来的结果始终达不到目标，后来经过查阅资料，去相关论坛寻找答案，发现有部分参数需要去查询相关数据手册，有些参数需要套入公式进行计算才能得出答案，另一部分参数需要通过ADS中LineCalc进行计算，最终修改完各个元器件参数后，整流电路仿真结果达到了要求。

5 总结与展望

本项目研究如何对环境中的能量进行采集，转换为可以利用的直流电能，首先利用HFSS完成微带贴片天线的设计，在仿真优化后加工并测试，得到在频率为2.45 GHz的S11为-27.49 dB，然后利用ADS搭建电路并仿真确定将HSMS2852作为整流二极管，，通过仿真完成了整流电路的设计，使输出电压达到了3.618V，最终实现对环境中射频能量的再利用。

本项目为西北民族大学本科生资助项目 项目编号：XBMU21145

作者简介：黄宇森（2000-），男，湖南常德人，大学本科在读，主要研究方向为电子信息和电气工程。