Wi-Fi能量收集装置设计外文翻译资料

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摘要－自从电力供应问题涉及到低功耗，位于不可抵达的地方或者维护成本很高的装备，人们对无限能量传输系统的兴趣越来越大。本篇论文我们将展示一款为基于2.45GHz能量收集系统建模设计的天线。拟建天线系统包含一个3X3增益高达9.25dBi的接收天线阵，以及一个使用HSMS 2820肖特基二极管的二倍压整流电路，该整流电路提供了达78%的整流效率，直流输出有13.6V，在最佳负载950欧时可以提供24dBm的输出能量。

一、介绍

今天，为了实现低成本低能耗的传感器供电，微波无线能量传输技术受到了特别的关注。当前无线通信系统的趋势是开发低成本、轻重量的整流天线，如图1所示，整流天线可以从周围环境中捕捉到很宽范围的微波能量，进而将其转化为直流。因此大多数整流天线以及整流天线阵是设计为频率低于15 GHz，经调查，不同工作频率和不同的输入功率，仍具有体积小巧，系统效率更高的长距离传输优点。然而，传统的微波功率传输的组件集中在2.45GHz，最近上升到5.8GHz，其天线孔径面积却依然小于2.45GHz。两个频率具有相当低的空气损耗，并且根据记录有较高的转换效率。

在文献中已经提出了诸如任意极化，双极化，线性极化（LP），圆极化（CP）和宽频化。最终圆极化天线比线性极化天线具有更多的衰落抗性，并且发射机和接收机的旋转取向不会降低极化损耗。那么直流天线系统的主要目的是提高效率并降低转换损耗，因此这只能通过使用天线阵列来实现。

在本文中，我们将介绍一种具有高性能的微波功率传输（MPT）的天线设计。 开发的整流天线旨在在2.45GHz的ISM频带上捕获RF能量的自由空间。它由接收天线形成，其是由包含具有圆极化的新天线阵列构成，由一个肖特基二极管HSMS2820的单级倍压器电路构成RF-DC微带整流器，输出直流通过滤波器到达负载电阻。当输入电压为13.6V，RF-DC转换效率可达到78％以上，输入RF功率电平为24dBm时，最佳负载为0.95。

二、天线阵的设计过程

在WPT中，建议通过长距离的无线链路满足发射功率的需求，因此有必要设计具有非常高的方向性的天线，这只能通过增加天线的电气尺寸来实现。此外，与非平面天线相比，平面圆极化天线是普遍的，因为它可以具有低的亮度，重量轻并且非常灵活地与有源器件集成，我们在本节中介绍了天线阵列设计，其由3X3方形贴片天线 安装在FR4基板的顶层上，厚度为1.58mm，介电常数为4.4，切线损耗为0.025。 所提出的天线的总体尺寸约为23.7times;13cm 2，沿天线阵列参数的几何形状如图2所示。

然后，为了实现圆极化属性，我们在阵列的每个元素中引入了一个倾斜槽，这种技术可以减少天线的尺寸，并避免天线性能的恶化。此外，我们选择了一种新的布置方式，可以最大限度地减少阵列元件之间的相互耦合的影响，以避免产生更高的模式，同时保持贴片尺寸和天线性能，与相同数量的元素。T结功率分配器和四分之一波长阻抗变换器用于匹配和耦合每个元件的功率进而辐射。然后通过使用全波模拟器CST Microwave Studio 进行几个优化过程，直到我们获得天线阵列的所需性能。下表1显示了所提出的天线阵列的各种优化参数。 另外的表2列出了微带线的特征阻抗，其用于馈送阵列的各种元件。参数和设计步骤的更多细节见参考文献[20]。

同时，该天线阵列的模拟S11（反射系数）如图3所示。很明显，所提出的设计提供了良好的阻抗匹配以及输入阻抗，在2.45GHz的工作频率下具有-21.46dB的良好的回波损耗，并且在2.439GHz至2.459GHz具有20MHz的带宽，因此在实践中，该天线可以捕获这个频带的射频能量，并将其传输到整流电路。虽然图4所示的模拟电压驻波比（VSWR）在2.45 GHz的工作频率下具有1.18的值，这意味着天线在工作频率上匹配良好。

轴比（AR）是圆极化运行的重要标准，必须保持在3dB以下。 最终，如图5所示，天线阵列参数的最佳值在2.45GHz的工作频率下给出更好的轴比，最小值为1.67dB。可以注意到，在回波损耗和轴比方面的天线性能受到槽尺寸的影响很大，然后较长的槽可以降低工作频率; 由各种天线片之间的距离也由选择的馈线进行匹配的，以使2.45GHz使所有天线单元匹配好。

同样重要的是，必须考虑到开发阵列的辐射模式，以提高所提出的天线阵列用于微波功率传输系统的能力。

图6给出了在2.45 GHz工作频率下开发的圆极化天线阵列的模拟辐射图的3-D和2-D视图。上述结果显然，天线在E平面（XZ平面）和H平面（YZ平面）中的方向性行为接近于全向行为，其中最强的方向性可以达到约9.4dBi。通过这种方式，上述结果表明，所提出的设计具有所需性能和良好的性能，这是由于其针对高功率密度的整流天线系统具有较强的方向性和良好的轴比。

三、2.45GHz微带整流器设计

为了提高转换效率，并简化了全波整流电路，我们使用了在用于设计接收天线的相同FR4基板上蚀刻的整流电路的倍压器。正如我们在图中提出的整流器设计的布局中可以看到的。 如图7所示，它至少包括三个基本组件：基于零偏置肖特基二极管HSMS 2820的单级倍压器电路与具有短端的T型微带线形式的输入匹配电路相关联，该短路线可匹配 电路的输入阻抗为50欧，以及直通滤波器。然后，该整流电路可以通过使用在负半波处充电并在正半波处放电的第一电容器来显着增加输入电压。作为整流电路中的主要元件，当二极管由于其非线性特性而导致信号时产生高阶谐波，因此我们在阻性负载之前应用了一个新的低通（LPF）来阻止所有的 整流产生的谐波频率为2.45GHz至9.8GHz，如图8所示。已经使用的DC-LPF具有1.7GHz的截止频率，并且由两个相似的折叠四分之一波长的开路短片和T形形状组成。为了预测电路的性能，还有直流输出电压，我们通过使用ADS软件应用了一种分析方法，该软件恰当地使用了谐波平衡（HB）方法和大信号散射仿真。此外，进行了负载电阻的调整以增强并获得高的RF到DC转换效率。所提出的整流器的模拟回波损耗（S11）与输入功率的关系如图9所示。 结果表明，所提出的整流器在2.45GHz（S11 lt; - 45dB），输入功率约为21dBm，匹配良好，并且在-3-28dBm范围内获得小于-15dB的良好的回波损耗。此外，为了提高诸如整流器在MPTS中的使用能力，RF-DC转换效率是必须考虑的重要参数。 由于二极管的特性，输入功率电平是影响整流器转换效率的主要因素之一，（）被定义如下：

其中PR在天线接收功率，PDC是在整流天线的负载电阻RL下产生的直流功率，V L是RL上的输出直流电压。

在图10中示出了作为三个电阻负载的-30至30dBm的输入功率的函数的模拟值。

由于在微带整流器设计中使用的HSMS 2820二极管的较高的击穿电压（Bv = 15V），所以图10所示的上述结果很明显，所提出的整流器可以对高输入功率进行整流。在这方面，我们还可以看到，转换效率随入射功率的增加小于-5dBm而增加，并且在24dBm处可达到最大值78％，其中电阻负载为950欧。虽然电阻负载的值增加到950 Q时，虽然降低，但是在输入功率范围内，在20-28dBm范围内，转换效率也可以稍微变化70％-78％。

然后在图2中，我们绘制了整流器的输出直流电压，对于三个电阻负载，输入功率从-30到30 dBm。 在950欧的最佳负载下，具有78％的最佳RF至DC转换效率，其中输入功率为24dBm左右的输出直流电压为13.6V。

四、总结

已经提出并分析了使用模拟方法对其组件进行全局分析的2.45GHz的微波功率传输系统的有效整流天线设计。 开发的设计提供了良好的功能，使其成为WPT使用的合适候选者。该设计提供了其接收天线的高方向性，其由于获得的良好的轴比而保持圆极化，并且具有大约78％的微带线整流器的增强的Rf-DC转换效率，其显示出13.6V的输出DC电压，其中输入 功率水平约为24 dBm，最佳负载为950欧。因此，上述结果和分析，开发的设计显示了在高功率密度下使用微波功率传输的电源的能力和潜力。

摘要：无线电力传输（PT）是一种有前途的技术，用于远程激励无线通信电路中的低功率电子设备。 在本文中，我们提出了一种高效整流天线（整流器 天线）设计，这是微波功率传输系统的关键部分。 开发的设计包含一个新的3X3天线阵列，其工作频率为2.45 GHz，具有圆极化和高增益，开发的结构已通过使用CST Microwave Studio进行建模和实施，该天线阵列与RF到DC 微带整流器提供65.8％的高转换效率和7.02V的直流输出电压，对于20dBm的给定输入功率电平和7500欧的最佳负载电阻可以达到。

一、介绍

高效整流天线（直角天线）的发展已成为一个热点和重要的研究课题。 实际上，代表EM“电磁”能量采集和无线电力传输“WPT”应用的关键要素的整流天线，因此设计用于收集与传播的EM波相关的能量并将其转换为直流（DC）功率。

最近在文献中提出了几种整流天线装置，研究了几种操作方式。微波功率传输的组件传统上一直集中在2.45GHz，最近上升到5.8GHz，天线孔径面积小于 2.45 GHz。 这两种情况都具有相当低的大气损失，廉价的零部件可用性和报告的高转换效率。

图1中示出了天线的基本结构框图。 射频（RF）/微波EM能量由天线收集并通过整流电路（整流器）转换为直流电力。为了改善整流器RF-DC转换，天线和整流器之间，也可以在整流器和负载电阻之间分别添加两个块，此外还需要进一步降低传输损耗并增加输入电压 的整流电路。这些块同时作为过滤和匹配部分，它们应该进行优化，以便同时实现以下功能：

将天线和负载匹配到整流器;

为了保护天线，必须对整流器产生的高阶谐波进行过滤;

以保护由肖特基二极管产生的高次谐波的任何RF信号的负载（为此，整流器和负载之间的块应该是直流通过。

最近报道了许多类型的天线，包括线性[7-1O]和圆极化[11-15]。圆极化（CP）整流天线在线性极化的优点在于可以实现几乎恒定的直流输出， 在天线接收时可以实现显着的功率级别。然而，文献中存在的大多数引用的作品和其他文献都包含具有线性偏振的单个天线或天线阵列，研究重点是互连许多直角以实现高直流输出（功率和/或电压），结果 全球系统的规模可以增加，这使得它难以集成到电子系统中。

在这一点上，我们在本文中提出了一种具有高性能的新型天线设计，结合了具有圆极化的新型天线阵列。 必须使用开发的系统才能整合2.45GHz的大量输入功率。这里的整流天线包括3X3天线阵列的接收天线和用于高功率应用的零偏置肖特基二极管整流器。 整流电路构成单个肖特基二极管和与负载电阻相关联的输出直流通过。 输入电压为7.02V，RF-DC转换效率可达65.8％，输入RF功率电平为20dBm，最佳负载电阻为0.75 千欧。

二、天线阵设计过程

在天线应用中，有必要设计具有很高指令特性的天线，以满足长距离链路的需求。由于目的是使用整流天线通过无线链路长距离传输直流电力，这只能通过增加天线的电气尺寸来实现。我们在本节介绍天线阵列设计，其中包括在FR4基板上蚀刻的3X3方形贴片天线（ = 4.4，厚度= 1.58 mm，= 0.025），我们已经应用了两种方法，第一个是中心的倾斜槽以获得圆极化，我们选择了这种技术，以避免天线尺寸的增加或修改，第二个是每个天线的核心处的V形槽为了提高2.45GHz的工作频率带宽，图2显示了天线阵列的几何形状，这种新的布置可以最大程度地减少阵列元件之间的互耦作用，并避免产生更高的模式;可以占用相同数量的元件的这种天线阵列的减小的面积。我们精湛地优化了天线尺寸，并且使得天线阵列结构具有2.45 GHz的谐振频率。 使用全波模拟器CST Microwave Studio进行优化。下面的表1显示了所提出的天线阵列的各种优化参数。 此外，用于馈送阵列的各种元件的微带线的特征阻抗如表2所示。

评估圆极化天线阵列的性能，如回复损耗，电压驻波比（VSWR）以及开发阵列的轴比和方向性。 可以注意到，这些性能受到各种贴片之间的插槽尺寸和距离的影响，也被选择为匹配谐振效应时所有元件的馈线所影响。 图3和图4描绘了所提出的CP天线阵列的模拟回波损耗和VSWR。

从图中可以清楚，所提出的天线布雷的反射系数（S11）（dB）提供了良好的匹配输入阻抗，在2.45 GHz的工作频率下具有-37.48dB的良好的返回损耗和1.02的VSWR，并且具有 16 MHz的带宽，为2.441至2.457 GHz。 除了实现圆极化操作之外，轴比必须保持在3dB以下。 最终，如图5所示，所提出的天线阵列参数的最佳值在2.45GHz的工作频率下具有更好的轴比，最小值为1,36dB。

此外，考虑到辐射模式，以提高开发阵列在无线电力传输中的能力。

在图6中，开发的圆极化天线阵列的模拟辐射图在XZ和YZ平面上显示，工作频率为2.45 GHz。 圆极化天线阵列的辐射方向靠近E平面中的全向，H平面中的方向接近，其中增强的增益可以达到9,14dBi的“模拟增益”，theta;分量的角宽度（3dB） 29.6°，主瓣方向约为49.0°。

从上述结果可以看出，所提出的设计具有所需的性能和对于天线系统的潜力。

三、微带整流器

微波整流器可以采取几种配置，但单串联和分流配置是最常用的，除了提高输出直流电压外，还有一个倍压器也可以使用。

2.45GHz微波整流电路基于HSMS-2820肖特基二极管构建，并印刷在FR4基板上。 整流器由短端T型微带线匹配网络，肖特基二极管和输出低通滤波器组成。 正如我们在图7中提出的整流器的布局中所看到的，输入的T型微型线匹配网络已经被应用于将电路的输入阻抗与儿子的输入阻抗匹配。 然后其阻抗在HSMS-2820肖特基二极管之间匹配，其模型在

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