一种双频段射频能量获取系统

摘要

能量获取电路在代替电池作为电源供电方面具有广泛的应用前景。如何高效地获取环境中的能量已经成为人们研究的一个热点。能量获取电路可以应用于无线传感器节点网络（WSN）中，提高其使用寿命，降低制造成本。同时，能量获取电路还可以应用于可穿戴设备中，提高可穿戴设备的续航以及使用寿命。射频（RF）能量由于具有分布范围广泛，稳定的特点，已经被用于射频识别（RFID）芯片中。相对于其它形式的能量获取，RF能量获取是一个难点。
　　本文根据环境中射频能量的分布特点，设计了一个双频段能量获取系统。该能量获取系统可以获取环境中900MHz频段和2.4GHz频段的射频能量，并将其转换为可用的直流电压给后级电路供电。相对于以往的单一频段的RF能量获取，该双频段能量获取可以增加获得的输入功率，提高了RF能量的利用效率。本文还详细地介绍了传统的阈值自补偿整流器的结构以及优缺点。在传统的阈值自补偿整流器的基础之上，本文将利用PMOS（P型场效应晶体管）源极和衬底之间的微弱正偏去降低晶体管的阈值电压，通过将阈值自补偿结构和衬底偏置效应结合起来，整个 RF-DC（射频—直流转换）电路在低输入功率下的性能得到了极大的提升。为了进一步研究如何设计RF-DC电路的参数，本文还分别研究了晶体管的宽长比，整流器的级数，补偿阶数，以及阻抗匹配网络的增益对整个RF-DC电路性能的影响。并且给出了粗略估算射频整流器输出电压的表达式。同时根据各个频段的带宽的特点，对双频段的RF-DC电路的性能进行了单独的优化。
　　为了降低整个RF能量获取在充电阶段的功耗，本文使用无电阻结构的带隙基准源以及偏置电流源，这大大降低了整体的功耗以及芯片的面积以及充电阶段整个电路的功耗。同时本文还提出了一种新型的电压检测电路，该电压检测电路在充电阶段只有一个低功耗比较器消耗能量，使用这个低功耗比较器检测电压的上升，而另一个高速比较器只有在电压的下降阶段才正常工作，通过使用低功耗的基准电路，偏置电路，电压检测电路，该 RF能量获取在充电阶段的功耗降低到了97nA。为了提高芯片的集成度，本文还使用了DFC(Damping-Factor-Compensation)补偿的无电容LDO（低压差线性稳压器），该LDO通过使用DFC补偿，将主极点移到第一级的输出，不需要利用输出电容的ESR(等效串联电阻)零点就可以达到稳定。通过对整个RF能量获取系统进行仿真，整个RF能量获取在900MHz频率处的最低输入功率可以低达-20dBm。

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第一章 绪论

1.1能量获取的研究背景

1.2射频能量获取的研究现状

1.3论文结构

第二章 RF能量获取的结构以及基本原理

2.1 RF能量获取的结构

2.2 RF-DC转换的基本原理

2.3功率管理单元的介绍

2.4本章小结

第三章 双频段RF能量获取系统的设计

3.1混合阈值自补偿整流器的设计

3.2双频段RF-DC转换电路的设计

3.3功率管理电路的设计

3.4本章小结

第四章 RF能量获取系统的性能仿真

4.1 RF-DC电路的性能仿真

4.2功率管理电路的性能仿真

4.3本章小结

第五章总结与展望

5.1设计总结

5.2 RF能量获取技术的展望

参考文献

致谢

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