应用于双频段射频能量获取倍压整流器的设计

摘要

本文基于微功耗无线传感网络节点中对无电池电源系统的要求，设计了一个可获取环境中低能量密度的射频能量，并将其转化为直流电压的双频段射频整流器。主要能够获取环境中广泛存在的915MHz及2.4GHz射频能量，并根据环境中实际射频信号的能量密度，分别设计了适用于不同频段的整流器结构。由于环境中射频能量密度较低，整流器的功率转换效率以及升压倍数直接决定了后级电路能否正常工作以及其工作范围，因此本文也从各个方面对整流器的性能进行了改进。另外，考虑到实际应用中射频整流器与天线的匹配问题，对于射频整流器的天线进行了详细的讨论和研究。由于整流器的匹配网络不仅涉及到天线接收到的能量能否最大限度得传输给整流器，而且还可实现一定的升压效果，提高了整流器的转换效率。而匹配网络的设计又需考虑整流器本身的输入阻抗，从而决定了匹配网络的升压倍数，进而影响了整流器的转换效率，因此，将整流器与匹配网络相结合进行优化得出的性能更具有实际意义。电路基于TSMC65nm工艺，采用Cadence Spectre软件进行仿真，得到对于915MHz射频能量可以在负载Rload?4M?时，-22.4dBm的输入能量密度下，整流器的功率转换效率（PCE）可达12.1％，且输出电压达到1.67V。在低至-23.15dBm的输入能量密度下，负载Rload4M时，输出电压也能达到1.13V，符合后级DC/DC电路的工作条件。而对于2.4GHz射频能量，在-15.19dBm的输入能量密度下的最高功率转换效率可达31.7%。在-21.37dBm的输入能量密度下，负载loadR?5M?时，功率转换效率为3.33%，输出电压可升至1.1V，符合后级电路的工作要求。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

插图索引

符号对照表

缩略语对照表

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 整流器的研究现状与趋势

1.3 论文结构

第二章 射频整流器的基础理论

2.1 Dickson倍压整流器基础理论

2.2 MOS管倍压整流器的工作原理及性能优化

2.3射频整流器的匹配

2.4 本章小结

第三章 双频段射频能量获取整流器的设计

3.1 电路性能指标确定

3.2倍压整流器的电路结构选择及其性能优化

3.3射频整流器总体电路结构

3.4 本章小结

第四章 双频段射频能量获取倍压整流器电路仿真

4.1 整体电路性能仿真

4.2 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

作者简介