微小功率电磁能量采集关键技术研究

摘要

传感器网络供电和小型电子设备续航是现今尚未解决的问题。面对大规模传感器网络。微波能量采集技术因为微波的墙面穿透力、微波在空间中传播衰减小和微波能够不受雨雪等天气的影响等特点，符合传感器网络和小型电子设备的续航需求。在未来发展中，随着无线充电、智能标签等微波输能方面技术的发展，微波能量采集将有着更加广阔的前景。但在整流天线的设计过程中，为了获得更高的整流效率对匹配结构中微带线参数的微调占据研究者大量的时间。其次，至今为止虽然整流结构各个部分的改进使得电路取得了越来越高的整体效率，但是在设计过程中，关于如何减少能量损耗，如何达到最大整流效率，在0dBm及以下输入功率条件下，少有系统且具体的整流电路设计规范。 本文首先设计了新型π型匹配结构和四枝节匹配结构，并使用协同仿真进行了匹配电路设计。相对于传统的匹配结构，π型匹配结构与四枝节匹配结构能够取得更好的匹配效果，同时，推导出了这两种新型匹配结构的明确计算公式。在匹配电路设计流程中，加入了Matlab与ADS的协同仿真流程。使用协同仿真解决了传统微波能量采集系统设计中，二极管非线性特性对匹配电路设计的干扰，节约大量对匹配结构的微调进行的时间。并且此协同仿真流程也能够应用在其他匹配电路的设计过程中，具有较高的使用价值。 其次本文中对低功率整流电路进行了对比分析。通过设计和仿真不同匹配结构、整流结构和负载情况下的整流电路。分别分析π型匹配结构与四枝节匹配结构;半波整流、倍压整流和四倍压整流结构;以及多种不同的输入阻抗对整流效率与仿真计算等方面的影响。在对比分析之后，得出不同整流结构情况的最佳负载阻抗值，以及低功率整流电路选取规则和匹配电路选取原则等结论。 最后依据文中总结的设计原则，设计了一款微小功率双频整流电路。该整流电路可同时工作于3.6GHz和4.9GHz，在输入功率为0dBm的情况下，在两个频点上都取得了67％的整流效率，并且在工作频点上有1V电压输出，而在3.4GHz～5GHz频带内输出电压大于3.8V。与其他论文中的整流电路相比，该整流电路具有更高的整流效率，并且在通带内也有很好的整流效果。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外发展现状

1．2．2 微波能量采集研究进展

1．3 本文主要研究内容与创新点

1．3．1 本论文创新点

1．3．2 本论文的主要研究内容

2 微波能量采集原理

2．1 微波能量采集系统结构

2．2 整流天线效率计算

2．3 二极管整流原理

2．4 本章小结

3 基于新型四枝节匹配理论的整流电路设计

3．1 四枝节匹配整流电路结构

3．2 四枝节匹配整流电路设计理论

3．3 四枝节匹配整流电路设计流程

3．4 本章小结

4 基于改进π型匹配理论的整流电路设计

4．2 π型匹配整流电路设计理论

4．3 π型匹配整流结构设计流程

4．4 本章小结

5 微小功率整流电路设计结果与分析

5．1 微小功耗整流电路优化设计

5．1．1 负载阳抗对比分析

5．1．2 匹配结构对比分析

5．1．3 整流结构对比分析

5．2 高性能微小功率整流电路设计与结果分析

5．3 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢