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无线能量收集系统及其测试平台

谢丹彭  
【摘要】:随着无线传感网技术的飞速发展,其节点供电方法的研究受到了广泛关注。通过收集诸如风能、太阳能、动能、热能等环境中的能量,无线节点得以供电。在诸多形式的能量收集技术中,无线能量收集技术通过收集通信基站或广播电视塔所发出的电磁信号进行能量转换,具有供电稳定单、环境友好等特点,在低功耗无线传感节点供电、植入式医疗设备充电等方面表现出广阔的发展前景。本文针对电视信号的无线能量收集技术进行研究,通过理论分析与实验验证,找出提升收集效率的方法,并最终实现了高效能的无线能量收集系统。本文的主要设计包括:从无线信号源辐射分布情况出发,设计了来波检测系统;针对电视信号设计了无线能量收集系统,包括开发了新型高增益无线能量收集阵列天线,探索了多种RF-DC转换电路的设计与实现;为了研究效能评价方法,搭建了模拟电视信号的室内测试平台,提出了无线能量收集系统能效评价指标;最后,在上述单元设计、系统设计、测量平台设计的基础上,又完成了三款高增益无线能量收集天线、多种能量转换实现方式的能效比较,总结出了一般规律,为提高无线能量收集效能、开发适合无线节点的供电系统提供了理论和实验指导。首先,本文介绍了无线能量收集技术的发展,针对收集天线和转换电路进行现状分析,总结提升效能的方法。接着,设计了用于检测信号源最大辐射方向的来波检测系统。给出了该系统的软硬件设计,包括双轴旋转平台、msp430单片机和C#上位机控制界面。借助该系统可以找到信号源的最大来波方向,确保无线能量收集的准确性。然后,搭建了针对电视信号的无线能量收集系统,详细分析了包括新型高增益无线能量收集阵列天线和各种转换电路在内的设计过程,并给出利用CST、HFSS、ADS等仿真软件得到的优化结果、制作了实物并得到了实测数据。接着,介绍了收集系统的效能评估方法,根据无线能量收集系统框架,提出评估整个系统和转换电路的收集效率、转化效率、电路效率三个评价指标。搭建了用于模拟电视塔的室内测试平台,对不同收集天线、射频合路和直流合路两种连接方式进行不同输入功率条件下的测试,最后给出所测系统的评价情况。实验表明天线增益的提升、直流合路和射频合路两种方式都可以有效提升收集效率。最后,在上述分析、设计基础上,优化设计了一套高效能无线能量收集系统。整个系统搭建在距离电视塔1.5km处的楼顶,先使用来波检测系统找到最大来波方向,然后对四款天线进行实测对比,确定收集效率最高的高增益引向振子天线为该系统收集天线。接着进行针对两种合路方法的室外实测,验证直流合路和射频合路对收集效能的提升作用,并总结出两种连接的适用条件。最后采用引向振子天线、六阶整流升压电路搭建的高效能无线能量收集系统,其最大收集电压为3.25V,实现了对电子时钟的持续稳定供电。实验表明该无线能量收集系统具有整体尺寸适中、转换效能高、输出持续稳定等特点,为无线传感节点供电的打下了坚实的理论和实践基础。


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