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2.45/5.8GHz射频能量收集器设计

张凯  
【摘要】:本文设计了一种工作在2.45GHz和5.8GHz双频段的射频能量收集器,该射频能量收集器主要由接收天线、匹配网络和整流电路构成。接收天线主要用于接收来自射频能量发射器的信号或者捕获周围环境中的射频能量,从而为整流电路提供输入功率;匹配网络的作用是使整流电路和接收天线之间达到共轭匹配,使接收天线收集到的能量能被整流电路充分利用,实现最大整流效率;整流电路的功能是通过肖特基二极管将接收到的射频信号整流成直流信号为负载供能。本文主要从以下几个方面具体展开对射频能量收集器的设计工作。1.了解和分析国内外射频能量收集技术的研究现状以及当下需要解决的技术难题和发展新方向。基于射频能量收集系统的构成和工作原理,探讨了接收天线的设计方法。通过对比分析常见的几种整流电路,选择合适的整流电路结构。2.利用天线的曲流技术引入倒L型和Hilbert曲线结构,提出了一种中心频率为2.45GHz和5.8GHz的小型化双频单极子微带天线。天线采用FR4材质,其尺寸为18.9mm×15.4mm×1.6mm。仿真结果表明:天线在两个中心频点的带宽(S_(11)≤-10dB)分别为50MHz(2430~2480MHz)和360MHz(5630~5990MHz)。针对天线低频处增益低和工作带宽窄等问题,设计了一款改进型的小型双频单极子微带天线,该天线在2.45GHz和5.8GHz频点处的增益分别为1.66dBi和4.03dBi,低频相对带宽为8.57%(2.37~2.58GHz),高频相对带宽为15%(5.46~6.33GHz)。3.设计了扇形直通滤波器、多阶肖特基二极管整流电路以及双频阻抗匹配电路。通过ADS软件仿真二极管的工作特性,研究了二极管类型、整流结构、电容、负载以及整流电路阶数对整流电路整流效率和输出电压的影响。仿真结果表明:输入功率为10dBm时,整流电路在2.45GHz和5.8GHz处的最大整流效率分别为60.4%和35.5%。4.完成了整流天线的实物焊接、调试以及电路的性能测试。在输入功率为10dBm时,测试出倍压整流电路在2.45GHz和5.1GHz处的输出电压分别为4.69V和1.94V,最大整流效率分别为27.5%和4.7%。文末总结了本设计存在的不足,并提出了未来改进方向。
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