多基站多频段移动通信射频能量收集系统的设计

摘要

随着射频和传感技术的飞速发展，使无线传感器网在许多领域得到了很好的应用。但目前电池仍是其节点的主要供电方式，而且废旧的电池会造成环境污染，因此电池的维护和更换成为无线传感应用所面临的技术瓶颈。无线能量收集技术是一种将自由空间中的电磁波收集转换成可用电能的技术，可以辅助甚至代替电池给低功耗设备供电，是实现传感节点无源化的一个很好的选项。而随着移动通信的频段不断增加，无线能量收集应该考虑多频段问题；同时，蜂窝结构越来越小，移动通信基站越来越密集，形成多个来波方向。为了尽可能多地从移动通信系统收集到更多的能量，如何寻找最大来波方向以及如何进行多个基站同时高效收集RF能量等问题，是本文重点要开展的研究领域。
　　针对移动通信基站分布特点，本文提出并设计了一套多基站多频段协同无线能量收集系统，该系统包括双频能量收集天线和转换电路、一套来波自动侦测定位系统以及一套多基站无线能量天线架设装置。设计并研究了双频无线能量收集天线以及转换电路；提出并设计了基于零点对准技术的来波检测自动定位系统，可以实现来波方向的准确定位；提出并设计可以方便调整的多基站无线能量收集天线架设装置，能够架设多个天线以实现多个移动通信基站能量的同时收集。本文主要内容如下：
　　首先，介绍了无线能量收集技术的背景与研究意义，对国内外研究现状进行分析，给出移动通信频段无线能量收集的系统总体设计框图。
　　其次，在分析研究无线能量收集天线与普通收发天线异同点的基础上，设计了一款双频无线能量收集天线用于收集移动通信频段的射频能量；为了提高收集效能还提出了立体交叉组阵方式，设计了易于组阵的花朵状偶极子天线，并实验验证其可行性。
　　然后，分析了无线能量转换电路中二极管的选择、匹配电路的设计、电路的形式，深入研究了分频转换电路和谐振转换电路，对比这两种双频能量转换电路，总结了各自优缺点。
　　接着，针对移动通信多基站分布的特点，开发设计了一套来波检测自动定位系统，基于零点对准技术设计了零点对准定位天线，搭建了由两个步进电机构成的天线旋转平台，开发下位机Msp430的控制软件和基于C＃的上位机界面软件。系统测试表明，利用该系统进行零点对准，可以找到了最大来波方向，确保能量收集方向的准确性。
　　最后，完成了无线能量收集系统的效能评估测试平台，实现了收集效率、转换效率和整流效率的测试分析；为了实现多基站无线能量的同时收集，设计了多天线架设装置，制作了三路由无线能量收集天线、转换电路以及电池管理电路组成的无线能量收集系统。最终在实际环境中测试，利用所设计的无线基站能量收集系统得到稳定的电压输出。
　　总之，本文针对移动通信频段无线能量分布特点，在利用设计的来波检测自动定位系统找好基站分布的基础上，实现了多基站多频无线能量收集。实测结果表明，所设计的系统是可行的，为无线传感节点无源供电提供了一条新的途径。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的主要内容

第二章 无线能量收集天线的设计

2.1 能量收集天线的概述

2.2 移动通信频段的特点

2.3 能量收集天线的设计

2.4 本章小结

第三章 无线能量转换电路的设计

3.1 能量转换电路的概述

3.2 二极管的选择

3.3 匹配电路的设计

3.4 转换电路的设计

3.5 本章小结

第四章 来波检测自动定位系统

4.1 零点对准天线的设计

4.2 转台的设计

4.3 下位机的设计

4.4 上位机的设计

4.5自动定位测试

4.6 本章小结

第五章 移动通信频段无线能量收集

5.1无线能量收集效能评估

5.2多基站能量收集装置的设计

5.3无线能量收集实测

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢