一种基于三工天线的高效率无线能量接收系统

1.本发明属于无线能量收集领域，特别涉及一种基于三工天线的高效率无线能量接收系统。


背景技术：

2.无线能量收集技术，也称为weh，是将自由空间中的低能量密度电磁信号进行收集，转化可供能量功耗设备使用的直流能量。作为绿色无线通信技术发展的重要策略之一,为无线信息和能量协同传输思想提供了可行性，在充分利用自由空间能源、延长设备运行时间、降低设备维护开销等方面具有着重要意义，广泛应用于智能交通系统、医疗和环境监测、无线传感器网络、工业自动化等领域。
3.无线设备之间的无线通信，如无线电信基站和移动电话等，使得周围环境中充满着射频能量。因此，可以收集环境中被浪费的射频能量，并重新利用，来供各种低功耗设备工作。环境中微波的频率分布比较广泛，主要分布在900mhz(gsm 900)、1.8ghz(dcs1800)、2.1ghz(umts2100)、2.4ghz(wifi)等频段，具有低功率密度和多频谱分布的特点，因此如何提高射频整流的效率成为研究的难点。天线和射频整流器作为将收集到的微波能量转化为直流必须要用的器件，是实现weh技术的关键，为了给设备供给持续稳定的能量，它需要实现低输入功率和高能量转换效率等性能，以达到收集更多能量的目的。
4.为了提高空间射频能量收集效率，越来越多的工程师对能量收集系统进行设计，目前公开文献所涉及到的提高能量利用率的方案主要分为两大类：1、将能量收集系统可以收集的频率的范围尽可能增大，即拓宽频带范围，主要是通过增大输入功率来达到提高能量利用效率的目的。2、降低能量收集系统的能量传输损耗，简单来说，就是针对确定的几个频点设计多频能量收集系统，主要是通过提高转换效率来达到提高能量利用效率的目的。为了能够吸收周围空间更多频段的电磁能量，宽带能量收集系统一般要求其工作频段主要为500mhz-2.5ghz，包含无线电、无线移动通信以及无线局域网等分布射频能量较多的频段，这些电磁能量具有能量量级较小、频段较多的特点，并且整流二极管在低能量密度下对高频信号整流性能较差，天线与整流器之间的匹配电路设计难度比较大。相对来说，由于环境中微波的频率是确定的，多频能量收集系统在牺牲少部分空间能量收集的前提下提高转换效率是有重要意义的。gerikipolaiah在“triple-band modified square slotted antenna with enhanced gain for rf energy harvesting”中将三频开槽天线与整流器相连实现能量收集，通过阻抗匹配网络，只使用一个整流器即实现三频能量收集，降低了电路尺寸但是同时也大大降低了能量传输效率，效果不佳。学者minh q.dinh和minh thuy le在“triplexer-based multiband rectenna for rf energy harvesting from 3g/4g and wi-fi”采用四元天线阵列和三个窄带整流器连接构成能量收集系统。虽然每个窄带整流器效率较高，但是由于三工器由三个滤波器构成，不仅体积增大，而且引入了额外的损耗，使得整体效率降低。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种结构简单、成本低、体积小且损耗小、效率高的基于三工天线的高效率无线能量接收系统。
6.实现本发明目的的技术解决方案为：
7.一种基于三工天线的高效率无线能量接收系统，包括三工天线模块、整流模块、电源管理模块、能量存储模块和负载模块；
8.所述三工天线模块与整流模块连接，整流模块与电源管理模块连接，电源管理模块与能量存储模块连接，能量存储模块与负载模块相连接；
9.所述三工天线模块用于接收rf信号，并将信号输出至整流模块，整流模块将电磁信号转换成直流信号后通过电源管理模块进行升压，并输出至能量存储模块进行存储，以供负载模块使用。
10.所述三工天线模块包括三个输出端口，并分别与整流模块的三个输入端口相连接，整流模块将三种频率的信号转化为直流能量后通过三个输出端口分别输入至电源管理模块进行分别升压。
11.本发明与现有技术相比，其显著优点为：
12.(1)本发明的多工天线在保持体积小，元件数量少、节约成本、降低干扰、高隔离度等优点的同时，不同端口对应了不同频率，与宽带匹配相比，此方法可以有效降低整流电路匹配设计的难度；
13.(2)本发明的无线能量接收系统采用三个整流电路对不同频率进行匹配，利用史密斯圆图匹配，在频点确定带宽很窄的前提下可以达到小于0.5db的损耗，大大提高了转换效率。
14.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
附图说明
15.图1为本发明基于三工天线的高效率无线能量接收系统总体结构示意图。
16.图2为本发明中三工天线模块的结构示意图，其中图2(a)为介质基板的一面结构示意图，图2(b)为介质基板的另一面结构示意图。
17.图3为本发明的实施例中的整流电路示意图。
18.图4为本发明的实施例中的升压电路示意图。
具体实施方式
19.一种基于三工天线的高效率无线能量接收系统，包括三工天线模块、整流模块、电源管理模块、能量存储模块和负载模块；
20.所述三工天线模块与整流模块连接，整流模块与电源管理模块连接，电源管理模块与能量存储模块连接，能量存储模块与负载模块相连接；
21.所述三工天线模块用于接收环境中的射频rf信号，并将信号输出至整流模块，整流模块将电磁信号转换成直流信号后通过电源管理模块进行升压，并输出至能量存储模块进行存储，以供负载模块使用。
22.所述三工天线模块包括三个输出端口，并分别与整流模块的三个输入端口相连
接，整流模块将三种频率的信号转化为直流能量后通过三个输出端口分别输入至电源管理模块进行分别升压。
23.三工天线模块接收环境中的rf信号时，分别从三个输出端口输出不同频率的信号输入整流模块，整流模块将电磁能量转化为较小的直流能量后通过电源管理模块内的三个升压电路得到可供使用的直流输出电压，直流输出电压由能量存储模块存储以供负载使用。
24.所述三工天线模块采用六角形天线与缝隙天线相结合的结构，包括介质基板1、辐射贴片、微带贴片和微带馈电线；
25.所述辐射贴片、微带贴片和微带馈电线设置在介质基板1上。
26.所述辐射贴片包括矩形辐射贴片2、第一六角形辐射贴片4和第二六角形辐射贴片5；所述微带贴片包括第一矩形微带贴片7、m形微带贴片9、第一矩形微带贴片10和y形微带贴片13；所述微带馈电线包括y形微带馈线14、v形分叉微带馈线11，第一矩形微带馈线8、第二矩形微带馈线12；
27.所述介质基板1一面设置矩形辐射贴片2，矩形辐射贴片2上开设六角形宽槽辐射面3，六角形宽槽辐射面3内部设置第一六角形辐射贴片4；
28.所述介质基板1的另一面中心处设置第二六角形辐射贴片5，第二六角形辐射贴片5以中心点对称开设6个矩形缝隙6，缝隙围绕中心60
°
旋转分布，第二六角形辐射贴片5的一角与第一矩形微带贴片7的一端相连接，第一矩形微带贴片7的另一端连接第一矩形微带馈线8的一端，第一矩形微带馈线8的另一端与介质基板1的边缘连接，此为三工天线模块的其中一个输出端口；
29.介质基板1的另一面还设置m形微带贴片9，m形微带贴片9的中心处与第一矩形微带贴片10的一端连接，第一矩形微带贴片10的另一端与v形分叉微带馈线11的一端连接，v形分叉微带馈线11的另一端与第二矩形微带馈线12的一端连接，第二矩形微带馈线12的另一端与介质基板1的边缘连接，此为三工天线模块的其中一个输出端口；
30.介质基板1的另一面还设置y形微带贴片13，y形微带贴片13的下端与y形微带馈线14的一端连接，y形微带馈线14的另一侧与介质基板1的边缘连接，此为三工天线模块的其中一个输出端口。
31.本发明中的三工天线模块在保持体积小，元件数量少、节约成本、降低干扰、高隔离度等优点的同时，将通信的几个固定频点的有效划分可以降低整流电路匹配设计的难度并减少传输损耗。
32.进一步的，所述第二六角形辐射贴片5与第一六角形辐射贴片4在介质基板1两侧的位置重合；
33.所述m形微带贴片9与六角形宽槽辐射面3的边缘在介质基板1两侧的位置相重合；
34.所述y形微带贴片13与六角形宽槽辐射面3的边缘在介质基板1两侧的位置相重合。
35.进一步的，所述介质基板1采用fr4板材，其厚度为1.6mm，相对介电常数为4.4，tanδ＝0.02。
36.进一步的，所述整流模块包括三个相同的整流电路，每个整流电路对应三工天线模块的三个输出端口，每个整流电路包括扇形结构微带线m1、矩形串联微带线m2、第一电容
c1、第二电容c2、第一二极管d1、第二二极管d2；
37.所述扇形结构微带线m1的一端与三工天线模块输出的射频信号的一端连接，扇形结构微带线m1的另一端与矩形串联微带线m2的一端连接，矩形串联微带线m2的另一端与第一电容c1的一端连接，第一电容c1的另一端分别与第一二极管d1的负极和第二二极管d2的正极连接，第二二极管d2的负极与第二电容c2的一端连接，第二电容c2的另一端与第一二极管d1的正极均接地，三工天线模块输出的射频信号的另一端接地。
38.进一步的，所述第一二极管d1和第二二极管d2采用肖特基二极管hsms2860。
39.整流模块中的三个整流电路分别对三个射频频点在史密斯圆图中对电路进行阻抗匹配，结合圆图匹配结果的基础上实现高传输参数，在二倍压整流电路结构的基础上构建匹配网络下的整流电路，肖特基二极管的结电容cj和串联电阻rs对整流电路的效率影响大，需要选择较小的cj和rs的二极管以提高整流效率。整流输入阻抗最关键的整流参数是输入阻抗zinr，其值取决于射频输入功率引脚、工作频率、第二电容c2，为了确保输入阻抗zinr随射频输入功率变化相对稳定，应选择电容值较大的电容。
40.进一步的，所述电源管理模块包括三个相同的升压电路，三个升压电路对应整流模块的三个输出端口，每个升压电路包括振荡器o1、第一电感l1、第三二极管d3、第一三极管bjt1、第三电容c3、端部负载rl；
41.整流电路输出的直流信号vin分别与与第一电感l1的一端和振荡器o1的输入端连接，振荡器o1的输出端与第一三极管bjt1的基极连接，第一电感l1的另一端分别与第一三极管bjt1的集电极和第三二极管d3的正极连接，第三二极管d3的负极分别与第三电容c3的一端、端部负载rl的一端连接，第一三极管bjt1的发射极、振荡器o1的接地端、第三电容c3的另一端和端部负载rl的另一端接地。
42.升压电路原理为电磁转换，振荡器和npn三极管bjt1组成开关电路，振荡器的占空比决定输出电压vout。当开关电路开路时，电流通过第三二极管d3对第三电容c3充电，多个周期后第三电容c3电压升高，当端部负载rl电压降低时，第三电容c3放电使得输出电压vout高于输入电压vin。
43.为了提高工作效率、隔离交流信号，建议使用较大电感l1，正向导通电压低、反应时间快的肖特基二极管d3。
44.进一步的，所述第三二极管d3采用肖特基二极管1n5817或1n5819或1n5822。
45.进一步的，振荡器可采用精度高的石英振荡器，三极管bjt1具体采用npn8050。
46.进一步的，能量存储装置04使用超级电容来存储能量。
47.进一步地，负载模块的负载在一定范围内越大，能量收集系统的转换效率越高。
48.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
49.实施例
50.如图1所示，一种基于三工天线的高效率无线能量接收系统，包括三工天线模块、整流模块、电源管理模块、能量存储模块和负载模块；
51.所述三工天线模块与整流模块连接，整流模块与电源管理模块连接，电源管理模块与能量存储模块连接，能量存储模块与负载模块相连接；
52.所述三工天线模块用于接收环境中的射频rf信号，并将信号输出至整流模块，整流模块将电磁信号转换成直流信号后通过电源管理模块进行升压，并输出至能量存储模块
进行存储，以供负载模块使用。
53.所述三工天线模块包括三个输出端口，并分别与整流模块的三个输入端口相连接，整流模块将三种频率的信号转化为直流能量后通过三个输出端口分别输入至电源管理模块进行分别升压。
54.三工天线模块接收环境中的rf信号时，分别从三个输出端口输出不同频率的信号输入整流模块，整流模块将电磁能量转化为较小的直流能量后通过电源管理模块内的三个升压电路得到可供使用的直流输出电压，直流输出电压由能量存储模块存储以供负载使用。
55.如图2所示，所述三工天线模块采用六角形天线与缝隙天线相结合的结构，包括介质基板1、辐射贴片、微带贴片和微带馈电线；
56.所述辐射贴片、微带贴片和微带馈电线设置在介质基板1上。
57.所述辐射贴片包括矩形辐射贴片2、第一六角形辐射贴片4和第二六角形辐射贴片5；所述微带贴片包括第一矩形微带贴片7、m形微带贴片9、第一矩形微带贴片10和y形微带贴片13；所述微带馈电线包括y形微带馈线14、v形分叉微带馈线11，第一矩形微带馈线8、第二矩形微带馈线12；
58.所述介质基板1一面设置矩形辐射贴片2，矩形辐射贴片2上开设六角形宽槽辐射面3，六角形宽槽辐射面3内部设置第一六角形辐射贴片4；
59.所述介质基板1的另一面中心处设置第二六角形辐射贴片5，第二六角形辐射贴片5以中心点对称开设6个矩形缝隙6，缝隙围绕中心60
°
旋转分布，第二六角形辐射贴片5的一角与第一矩形微带贴片7的一端相连接，第一矩形微带贴片7的另一端连接第一矩形微带馈线8的一端，第一矩形微带馈线8的另一端与介质基板1的边缘连接，此为三工天线模块的其中一个输出端口；
60.介质基板1的另一面还设置m形微带贴片9，m形微带贴片9的中心处与第一矩形微带贴片10的一端连接，第一矩形微带贴片10的另一端与v形分叉微带馈线11的一端连接，v形分叉微带馈线11的另一端与第二矩形微带馈线12的一端连接，第二矩形微带馈线12的另一端与介质基板1的边缘连接，此为三工天线模块的其中一个输出端口；
61.介质基板1的另一面还设置y形微带贴片13，y形微带贴片13的下端与y形微带馈线14的一端连接，y形微带馈线14的另一侧与介质基板1的边缘连接，此为三工天线模块的其中一个输出端口。
62.本发明中的三工天线模块在保持体积小，元件数量少、节约成本、降低干扰、高隔离度等优点的同时，将通信的几个固定频点的有效划分可以降低整流电路匹配设计的难度并减少传输损耗。
63.进一步的，所述第二六角形辐射贴片5与第一六角形辐射贴片4在介质基板1两侧的位置重合；
64.所述m形微带贴片9与六角形宽槽辐射面3的边缘在介质基板1两侧的位置相重合；
65.所述y形微带贴片13与六角形宽槽辐射面3的边缘在介质基板1两侧的位置相重合。
66.进一步的，所述介质基板1采用fr4板材，其厚度为1.6mm，相对介电常数为4.4，tanδ＝0.02。
67.进一步的，所述整流模块包括三个相同的整流电路，每个整流电路对应三工天线模块的三个输出端口，本实施例中整流电路的电路图如图3所示。
68.每个整流电路包括扇形结构微带线m1、矩形串联微带线m2、第一电容c1、第二电容c2、第一二极管d1、第二二极管d2；
69.所述扇形结构微带线m1的一端与三工天线模块输出的射频信号的一端连接，扇形结构微带线m1的另一端与矩形串联微带线m2的一端连接，矩形串联微带线m2的另一端与第一电容c1的一端连接，第一电容c1的另一端分别与第一二极管d1的负极和第二二极管d2的正极连接，第二二极管d2的负极与第二电容c2的一端连接，第二电容c2的另一端与第一二极管d1的正极均接地，三工天线模块输出的射频信号的另一端接地。
70.进一步的，所述第一二极管d1和第二二极管d2采用肖特基二极管hsms2860。
71.整流模块中的三个整流电路分别对三个射频频点在史密斯圆图中对电路进行阻抗匹配，结合圆图匹配结果的基础上实现高传输参数，在二倍压整流电路结构的基础上构建匹配网络下的整流电路，肖特基二极管的结电容cj和串联电阻rs对整流电路的效率影响大，需要选择较小的cj和rs的二极管以提高整流效率。整流输入阻抗最关键的整流参数是输入阻抗zinr，其值取决于射频输入功率引脚、工作频率、第二电容c2，为了确保输入阻抗zinr随射频输入功率变化相对稳定，应选择电容值较大的电容。
72.进一步的，所述电源管理模块包括三个相同的升压电路，三个升压电路对应整流模块的三个输出端口，本实施例中升压电路的电路图如图3所示。
73.每个升压电路包括振荡器o1、第一电感l1、第三二极管d3、第一三极管bjt1、第三电容c3、端部负载rl；
74.整流电路输出的直流信号vin分别与与第一电感l1的一端和振荡器o1的输入端连接，振荡器o1的输出端与第一三极管bjt1的基极连接，第一电感l1的另一端分别与第一三极管bjt1的集电极和第三二极管d3的正极连接，第三二极管d3的负极分别与第三电容c3的一端、端部负载rl的一端连接，第一三极管bjt1的发射极、振荡器o1的接地端、第三电容c3的另一端和端部负载rl的另一端接地。
75.升压电路原理为电磁转换，振荡器和npn三极管bjt1组成开关电路，振荡器的占空比决定输出电压vout。当开关电路开路时，电流通过第三二极管d3对第三电容c3充电，多个周期后第三电容c3电压升高，当端部负载rl电压降低时，第三电容c3放电使得输出电压vout高于输入电压vin。
76.为了提高工作效率、隔离交流信号，建议使用较大电感l1，正向导通电压低、反应时间快的肖特基二极管d3。
77.进一步的，所述第三二极管d3采用肖特基二极管1n5817或1n5819或1n5822。
78.进一步的，振荡器可采用精度高的石英振荡器，三极管bjt1具体采用npn8050。
79.进一步的，能量存储装置04使用超级电容来存储能量。
80.进一步地，负载模块的负载在一定范围内越大，能量收集系统的转换效率越高。