用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置的制作方法

1.本发明涉及物联网传感供能领域，特别是一种用于物联传感供能的射频一直流倍压整流装置。


背景技术：

2.随着物联网的发展，能量收集技术的应用愈发广泛，可以用于分布式无线传感节点、嵌入式和可植入式的医疗设备、新能源汽车、智能家居等。传统的电池供电会大大增加设备尺寸，且由于电池寿命有限，设备需要定期更换电池，造成一定的环境污染。ct取能利用电磁感应原理获取电能，对于原边的电流幅值要求较高(一般＞5a)，且存在输出电压不稳、受电流影响较大、发热高、ip防护较差等问题。深表面波(saw)的稳定性及抗干扰性较差，且目前落地的成本较高。对比之下，射频能量收集具有可控、可预测以及稳定的特性，且自然界中存在的射频能量分布广泛，不受地域和环境的限制，如果能够被收集并加以利用，将大大提高设备工作的持续性，最终实现传感节点的免电池运行，提升我国对无线传感网络研究深度和应用水平，对于双碳背景下节能物联网的建设具有重要意义。
3.在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的不足或缺陷，提供了一种用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置，以肖特基二极管组件作为倍压整流电路的基础器件，通过瞬态性能优化确定整流电路阶数，在此基础上通过谐波平衡优化和lssp测试优化确定了电路的最优输入功率、匹配电阻以及阻抗匹配网络，大大提高了倍压整流电路的转换效率，在实际测试中装置的稳态输出电压为3.5v，转换效率最高可达78.6％，满足双碳背景下节能物联网低功耗、零污染的要求。
5.用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置包括，
6.天线，其发出信号；
7.第一端子，其连接所述天线以接收所述信号；
8.全波二阶倍压整流电路，其连接所述第一端子以输出正负双极性电压，所述全波二阶倍压整流电路由正向二阶倍压整流电路与负向二阶倍压整流电路以地端为公共端首尾串联而成，正向二阶倍压整流电路与负向二阶倍压整流电路分别包括封装的串联肖特基二极管组件；
9.阻抗匹配网络，其连接所述全波二阶倍压整流电路以调节天线和全波二阶倍压整流电路之间的传输功率，使得射频-直流倍压整流装置转换效率最高达78.6％，
10.第二端子，其连接所述全波二阶倍压整流电路以输出电压。
11.所述的用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置中，封装的串联肖特基二极管组件包括两个串联的分立二极管。
12.所述的用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置中，肖特基二极管组件包括，
13.阴极金属，
14.n

阴极层，其层叠于所述阴极金属上；
15.n型基片，其层叠于所述n

阴极层上；
16.n-外延层，其层叠于所述n型基片上；
17.阳极金属，其层叠于所述n-外延层上，所述阳极金属的上表面设有凹槽；
18.二氧化硅层，其环绕所述阳极金属外表面且填充于所述凹槽的底部。
19.所述的用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置中，所述肖特基二极管组件的反向饱和电流为5
×
10-6
a，串联电阻为20ω，发射系数为1.05，渡越时间为1
×
10-11
s，结电容为0.14pf，梯度系数为0.4，禁带宽度为0.69ev，饱和电流温度指数为2，正偏耗尽层电容系数为0.5，反向击穿电压为2v，反向击穿电流为1
×
10-4
a，内建电势为0.34v。
20.所述的用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置中，通过瞬态时域仿真确定全波二阶倍压整流电路的阶数，通过频域分析方法分析全波二阶倍压整流电路的非线性特性以确定装置的最优输入功率和匹配电阻。
21.所述的用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置中，最优输入功率和匹配电阻分别为5db和100kω。
22.所述的用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置中，射频-直流倍压整流装置的尺寸大小为31.25mm
×
13.75mm，工作频率为915mhz，输入功率为5dbm时，输出电压达到峰值3.763v，匹配电阻为100kω时，输出电压和输出效率分别是3.5v和78.6％。
23.所述的用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置中，全波二阶倍压整流电路在射频源915mhz频率下，输入幅值1v时，26us后装置的输出电压幅值为3.361v。
24.所述的用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置中，阻抗匹配网络输入功率范围是-30db～20db，最佳输入阻抗为(49.945 j*0.048)ω。
25.所述的用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置中，全波二阶倍压整流电路由8个电容和4个肖特基二极管组件组成。
26.有益效果
27.本发明实现了基于射频能量收集的传感供能技术，结合环境中射频能量的功率密度和负载要求，对比传统取能方式(电池、ct、saw)，本发明污染小、功耗低、体积小、ip防护等级高，同时可以与传感器融合形成智能传感，研制出新型的自供电或免电池的无线传感网络。对比现有rf取能装置，本发明的体积更小、转换效率更高，远优于市面设备参数。本发明可以提高我国对无线传感网络研究深度和应用水平，对于我国双碳目标的实现具有重要的现实和战略意义。
28.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。
附图说明
29.通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处
对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
30.在附图中：
31.图1为用于物联传感供能的射频一直流倍压整流装置的设计和测试流程示意图；
32.图2为用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置的立体结构示意图；
33.图3(a)至图3(b)为用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置的肖特基二极管组件结构示意图，其中图3(a)为肖特基二极管结构，图3(b)为肖特基二极管串联结构；
34.图4为用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置的全波二阶倍压整流电路拓扑结构示意图；
35.图5为用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置的阻抗匹配网络结构示意图；
36.图6为用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置的全波二阶倍压整流电路瞬态性能测试结果示意图；
37.图7(a)至图7(d)为用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置的谐波平衡优化测试结果示意图，其中，图7(a)为输出电压与输入功率关系示意图，图7(b)为输出电压与负载阻抗关系示意图，图7(c)为输出效率与负载阻抗关系示意图，图7(d)为输出效率与输入功率关系示意图。
38.以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
39.下面将参照附图1至图7(d)更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
40.需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
41.为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
42.如图1至图7(d)所示，用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置包括，
43.天线，其发出信号，
44.第一端子，其连接所述天线以接收所述信号，
45.全波二阶倍压整流电路，其连接所述第一端子以输出正负双极性电压，所述全波二阶倍压整流电路由正向二阶倍压整流电路与负向二阶倍压整流电路以地端为公共端首
尾串联而成，正向二阶倍压整流电路与负向二阶倍压整流电路分别包括封装的串联肖特基二极管组件；
46.阻抗匹配网络，其连接所述全波二阶倍压整流电路以调节天线和全波二阶倍压整流电路之间的传输功率，使得射频-直流倍压整流装置转换效率最高达78.6％，
47.第二端子，其连接所述全波二阶倍压整流电路以输出电压。
48.所述的用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置的优选实施例中，封装的串联肖特基二极管组件包括两个串联的分立二极管。
49.所述的用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置的优选实施例中，肖特基二极管组件包括，
50.阴极金属，
51.n

阴极层，其层叠于所述阴极金属上；
52.n型基片，其层叠于所述n

阴极层上；
53.n-外延层，其层叠于所述n型基片上；
54.阳极金属，其层叠于所述n-外延层上，所述阳极金属的上表面设有凹槽；
55.二氧化硅层，其环绕所述阳极金属外表面且填充于所述凹槽的底部。
56.所述的用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置的优选实施例中，所述肖特基二极管组件的反向饱和电流5
×
10-6
a，串联电阻20ω，发射系数1.05，渡越时间1
×
10-11
s，结电容0.14pf，梯度系数0.4，禁带宽度0.69ev，饱和电流温度指数2，正偏耗尽层电容系数0.5，反向击穿电压2v，反向击穿电流1
×
10-4
a，内建电势0.34v。
57.所述的用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置的优选实施例中，通过瞬态时域仿真确定全波二阶倍压整流电路的阶数，通过频域分析方法分析全波二阶倍压整流电路的非线性特性以确定装置的最优输入功率和匹配电阻。
58.所述的用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置的优选实施例中，最优输入功率和匹配电阻分别为5db和100kω。
59.所述的用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置的优选实施例中，射频-直流倍压整流装置的尺寸大小为31.25mm
×
13.75mm，工作频率为915mhz，输入功率为5dbm时，输出电压达到峰值3.763v，匹配电阻为100kω时，输出电压和输出效率分别是3.5v和78.6％。
60.所述的用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置的优选实施例中，全波二阶倍压整流电路在射频源915mhz频率下，输入幅值1v时，26us后装置的输出电压幅值为3.361v。
61.所述的用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置的优选实施例中，阻抗匹配网络输入功率范围是-30db～20db，最佳输入阻抗为(49.945 j*0.048)ω。
62.所述的用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置的优选实施例中，全波二阶倍压整流电路由8个电容和4个肖特基二极管组件组成。
63.在一个实施例中，射频一直流倍压整流装置直接内置于传感器.
64.一个实施例中，如图1所示，用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置包括整流器件设计、瞬态性能优化、谐波平衡优化以及lssp测试优化。首先，选定装置的主要器件与参数。其中以肖特基二极管组件作为基础元件，以全波二阶整流电路作为主要电路，调整最优输入功率为5dm，最佳匹配电阻100kω，以及最佳输入阻抗(49.945 j*0.048)ω。设置
装置的工作频率为915mhz，装置一端的sma端子与胶棒天线相连接以接收现场信号，另一端与万用表相连以测量装置输出电压。如果电压稳定在3.5v，即可将装置与低功耗传感器相连接。观测传感器能否正常运行，如果出现间歇性工作，即需现场更换增益更高的天线以保证传感器的供电可靠性。如果现场915mhz信号较弱，可以增加一个小型射频信号源以保证装置的稳定运行。针对传感器融合应用，本发明的尺寸小、集成度高且电磁抗干扰性强，可以直接内置于传感器内，外部留有sma端子连接天线以实现正常工作。定期检查装置与传感器的工作情况，保证其在恶劣的现场条件下的正常运行。
65.在一个实施例中，如图2至图3(b)所示，用于物联传感供能的射频-直流倍压整流装置的一端的第一端子为sma端子，连接天线接收信号，另一端的第二端子为杜邦端子输出电压。装置主要工作频率在915mhz，输出稳态电压在3.5v，适用于物联网下低功耗传感器供电，同时由于尺寸较小，可以与传感器融合形成智能传感节点。如图3所示，肖特基二极管组件封装采用两个串联的分立二极管，采用此方式在倍压整流时不改变电流方向，且能减少分立二极管数量，降低装置尺寸，提升装置集成度，有利于智能传感融合。瞬态性能优化是基于瞬态时域仿真确定倍压整流电路的最佳阶数。结果表明，对比常规的一阶、二阶、三阶以及四阶电路，本发明设计的全波二阶倍压整流电路可输出正负双极性电压，装置额外损耗更小，转换效率更高。所述的一种全波二阶倍压整流电路由8个电容和4个肖特基二极管组件组成，相当于一个正向二阶倍压整流电路与一个负向二阶倍压整流电路以地端为公共端，首尾串联而成。在射频源915mhz频率下，输入幅值1v时，26us后装置的输出电压幅值为3.361v，满足实际现场低功耗传感能耗需求。
66.在一个实施例中，如图4所示的全波二阶倍压整流电路，由八个电容和四个肖特基二极管组件，即8个分立的肖特基二极管组成。它可以看成是正向二阶与负向二阶首尾串联而成。以正向二阶为例(上上半部分)，在不考虑线路损耗的理想情况下，可以大致分为四步。首先，负周期情况下，电流经过d1、c1对电容c1充电，其上电压为v。其次，正周期情况下，电流经过c1、d2、c2对c2充电，其上电压为2v(电源、c1同时对c2充电)。接着，负周期下，电流经过c2、d3、c3对c3充电，其上电压为3v(电源、c2同时对c3充电)。最后，正周期下，电流经过c3、d4、c4对c4充电，其上电压为4v(电源、c3同时对c3充电)。负向二阶与正向二阶类似，输出电压相反，所以全波电路最后可以输出正负极性的电压。
67.在一个实施例中，如图5所示，图5是采用集总参数法设计的阻抗匹配网络。主要采用无电耗的分立电感或电容元件作为匹配网络的器件，具有简单高效、易于调试的优点。在实际测试时，通过改变串联电感(l1)和并联接地电感(l2)的值以确定最佳输入阻抗。
68.在一个实施例中，如图6所示，图6是全波二阶整流电路的输出电压。其中，m1是负向二阶输出电压(即c8两端电压)，m2是正向二阶输出电压(即c4两端电压)，m3是电阻r2两端的输出电压。在26us处，r2两端输出的电压为3.361v，满足实际现场低功耗传感器的电压需求。
69.在一个实施例中，如图7(a)至图7(d)所示，图7(a)是不同阶数下，输出电压与输入功率的关系，结果表明输入功率在5dbm时，各阶整流输出均达到最大值，即证明最优输入功率在5db。图7(b)是输入功率为0时，输出电压与负载阻抗的关系，结果表明，负载阻抗大于500kω时，增加负载阻抗对于提升电路的输出电压影响不大。图7(c)是不同输入功率时，输出效率与负载阻抗的关系。结果表明，效率随负载阻抗的增大而先增大后减小。结合图7(b)
的曲线关系，本发明最后确定最优负载阻抗为100kω。图7(d)是不同负载阻抗下，输出效率与输入功率的关系。结果表明，输入功率在5db时，电路输出效率基本达到最大值。验证了最优输入功率为5dbm。谐波平衡优化是基于频域分析方法分析全波二阶倍压整流电路的非线性特征，以此确定装置的最优输入功率和匹配电阻。结果表明，装置工作的中心频率为915mhz，输入功率为5dbm时，输出电压达到峰值3.763v。匹配电阻为100kω时，输出电压和输出效率之前的平衡达到最优，分别是3.5v和78.6％，远大于现有设备的转换效率，基本在50％。lssp测试优化是基于完整非线性电路的谐波平衡测试确定不同输入功率下的输入阻抗，进而优化设计阻抗匹配网络，实现天线和倍压整流电路之间的最大功率传输。设定输入功率范围是-30db～20db，经阻抗匹配后的装置的最佳输入阻抗为(49.945 j*0.048)ω。
70.尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。