一种家用呼吸机的传感器能量采集系统的制作方法

1.本发明属于无线能量传输领域，具体涉及一种带谐波抑制的2.45ghz和5.8ghz的双频段家用呼吸机的传感器能量采集系统。


背景技术：

2.近年来，随着物联网技术的快速发展，生活中的万事万物已经成为整个社会运行中相互关联的部件。家用呼吸机需要通过物联网传感器实现用户数据的采集与交互，如果想改变传统电缆供电的模式，增强用户体验度并且减少线缆束缚，则需借助无线供电的方式。无线能量传输技术(wpt)是一种新兴的供电技术，由发射端和接收端两部分组成。接收端主要由接收天线和整流电路构成，整流电路的性能决定了接收端能量转换效率的高低。然而，由于整流二极管的非线性，设计一款性能优越的整流电路(尤其是可以工作在多频段的整流电路)仍然极具挑战。
3.传统的能量采集系统通过在整流二极管输出端接入一段四分之一波长微带线和并联一个接地电容实现滤波，这种方式有如下缺点：(1)只能实现单一频段的滤波，且对二次及其以上谐波抑制效果不佳。(2)输出直流分量纹波系数大。如果在整流二极管输出端和负载之间接入扇形枝节进行谐波抑制，又会增加整流电路尺寸，导致损耗增加，从而影响整体整流效率。
4.基于上述能量采集系统的缺点与不足，设计一种多频段、高效率并且结构紧凑的能量采集系统为传感器供电已成迫切需求。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明提出了一种家用呼吸机的传感器能量采集系统。
6.本发明提供如下方案：
7.一种家用呼吸机的传感器能量采集系统，包括sma头、匹配电路、隔直电容c1、稳压电容c2、整流二极管d1、整流二极管d2、带通滤波器、四个并联t形谐波抑制结构和负载。
8.所述能量采集系统拓扑结构：sma头输入端连接射频能量源，输出端连接匹配电路输入端，匹配电路的输出端经过隔直电容c1连接整流二极管d1的输出端和整流二极管d2的输入端，整流二极管d1的输入端通过带通滤波器接地，整流二极管d2的输出端连接t形谐波抑制结构的输入端和稳压电容c2的一端，稳压电容c2另一端接地，t形谐波抑制结构的输出端和负载连接。
9.所述的sma头用于让频射能量源发出的射频能量进入匹配电路，射频能量源既可以是接收天线，也可以是射频信号发生电路。
10.所述的输入匹配电路由一个l形和t形电路级联构成，一方面对整流二极管和2.45ghz 和5.8ghz双频段射频能量源的阻抗进行匹配；另一方面作为一个带通滤波器，将整流二极管产d1和d2生的高次谐波反射回整流二极管产d1和d2进行多次整流，提高整流效率。
11.所述的隔直电容c1用于防止整流二极管d1和d2转换的直流分量回溯到匹配电路，从而提高整流效率。
12.所述的带通滤波器，为一段长为5.8ghz导波波长的八分之一的微带线，该段微带线在 5.8ghz表现为感性，抑制5.8ghz能量通过，在11.6ghz表现为开路，反射二次谐波回整流二极管进一步整流，提高整流效率，并且可以通过调节其宽度，即调节该段微带线的阻抗实现对二极管输入阻抗补偿的效果，从而易于实现双频匹配。
13.所述的稳压电容c2，可以稳定直流输出，降低输出直流的纹波。
14.所述的四个t形谐波抑制结构采用特征阻抗为50欧姆的微带线为高阻抗线，特征阻抗为 20欧姆的微带线为低阻抗线，高低阻抗线串联构成一个t形谐波抑制结构。考虑到微带线的功率容量，减少微带线不连续性带来的误差，主线路阻抗也为50欧姆，即窄微带线为50欧姆微带线，宽微带线为20欧姆微带线。调节微带线长度和微线带宽度对不同谐波进行抑制。
15.进一步，所述的隔直电容c1和稳压电容c2均采用村田公司生产的gqm系列的高频电容。
16.进一步，能量采集系统介质采用ro4350b射频介质基板。
17.进一步，整流二极管d1和整流二极管d2均为hsms286c二极管。
18.本发明的有益效果：
19.(1)本发明的能量采集系统的拓扑结构采用双管串并联的模式，相比传统的单管模式，双管串并联结构具有更大的直流输出和更高的整流效率。
20.(2)本发明的匹配电路由一个l形和t形电路级联构成，实现了在2.45ghz和5.8ghz两个频段的匹配。
21.(3)本发明的整流二极管d2的输入端通过一段长为5.8ghz导波波长的1/8的微带线接地，作为带通滤波器反射高次谐波，进一步提高整流效率。
22.(4)本发明的4个t形谐波抑制结构对高次谐波进行很好的抑制，并且可调性好，灵活性好。
附图说明
23.图1为本发明一种家用呼吸机的传感器能量采集系统拓扑结构图；
24.图2为本发明输入匹配电路结构图；
25.图3为本发明四个并联的t形枝节结构图；
26.图4为所述能量采集系统s11参数图；
27.图5为所述能量采集系统整流效率图。
具体实施方式
28.面对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员能够更加理解本发明，本领域技术人员可以根据说明书所揭露的内容轻易的了解本发明的优点和实施方式。需要说明的是，本领域的技术人员对本发明所述的结构尺寸与物理特性可以理解明白，比如发明书所述的微带线阻抗与宽度的关系，高阻抗线的线宽比低阻抗线的线宽窄，并且所述相关图片仅为示意图，并不代表实物图，针对实施例所述的方位，如“左”，“前“、”，“后”，“右”，可以结合实施例及其实例图明确其含义。而且本发明不限于具体实施方式的范围，对本领域的技术人员来说，在没有背离本发明的精神下进行的各种修饰和改变是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
29.如图1所示，一种家用呼吸机的传感器能量采集系统，包括sma头、匹配电路、隔直电容 c1、整流二极管d1和d2、带通滤波器bpf、稳压电容c2、并联的四个t形谐波抑制结构和负载。
30.所述能量采集系统介质基板采用ro4350b介质基板，介电常数为3.66，损耗角正切为 0.0036，厚度为0.508mm。
31.所述整流二极管d1和d2均为hsms286c二极管。
32.所述隔直电容c1和稳压电容c2均为村田公司生产的gqm系列高频电容，c1和c2均为 10pf。
33.所述能量采集系统拓扑结构包括：sma头输入端连接射频能量源，输出端连接匹配电路输入端，匹配电路的输出端经过隔直电容c1连接整流二极管d1的输出端和整流二极管d2的输入端，整流二极管d1的输入端通过带通滤波器bpf接地，整流二极管d2的输出端连接t形谐波抑制结构的输入端和稳压电容c2的一端，稳压电容c2另一端接地，t形谐波抑制结构的输出端和负载连接。
34.所述的sma头用于让射频能量进入匹配电路，射频能量源既可以是接收天线，也可以是射频信号发生电路。
35.所述整流二极管d1输入端的带通滤波器bpf为一段长为5.8ghz波长的八分之一微带线，该段微带线在5.8ghz表现为感性，起到抑制5.8ghz能量通过的效果，对11.6ghz能量表现为开路，反射二次谐波回整流二极管进一步整流，提高整流效率，调整该段微带线阻抗，即宽度对二极管输入阻抗进行补偿，抵消输入阻抗的虚部，不仅可以提高整流效率，而且让输入匹配电路更易于实现双频匹配。
36.所述的输入匹配电路由一个l形和t形电路级联构成，一方面对整流二极管和2.45ghz 和5.8ghz双频段射频能量源的阻抗进行匹配；另一方面作为一个带通滤波器，将整流二极管d1和d2产生的高次谐波反射回整流二极管产d1和d2进行多次整流，提高整流效率，如图2 所示。在设计中为了实现2.45ghz和5.8ghz的双频匹配，首先设计t形电路让其工作5.8ghz，然后再根据二极管和t形电路在2.45ghz的输入阻抗，进行l形电路的设计，最后将l形和t 形电路级联调整，让其工作在2.45ghz和5.8ghz两个频段。
37.所述的隔直电容c1用于防止整流二极管d1和d2转换的直流分量回溯到匹配电路，从而提高整流效率。
38.所述的稳压电容c2：可以稳定直流输出，降低输出直流的纹波。
39.如图3所示，所述t形谐波抑制结构由四个并联的t形谐波抑制结构成，考虑到加工精度和微带线功率容量的问题，窄(高阻抗)微带线特征阻抗为50欧姆，宽(低阻抗线)微带线阻抗为20欧姆，高低阻抗线串联构成一个t形谐波抑制结构。同时考虑到微带线的功率容量，减少微带线不连续性带来的误差，主线路阻抗也为50欧姆，由微带线阻抗与宽度的关系可知图中宽为wl，即窄微带线为50欧姆微带线，宽为wc，即宽微带线为20欧姆微带线。调节微带线长度l1、微带线长度l6和微线带宽度c1的值对11.6ghz谐波进行抑制，调节微带线长度l2、微带线长度l7和微线带宽度c2的值对5.8ghz谐波进行抑制，调节微带线长度l3、微带
线长度l8和微线带宽度c3的值对4.9ghz谐波进行抑制，调节微带线长度l4、微带线长度 l9和微线带宽度c4的值对2.45ghz谐波进行抑制，微带线长度l5仅仅用于方便与负载连接，不参与谐波抑制。
40.以图3最左边的t形谐波抑制结构为例，t形谐波抑制结构总长度初始值设置为想要抑制谐波的一个波长，则c1 l10等于11.6ghz的一个波长，在t形枝节前主线路长度初始值为对于谐波的四分之一波长，则l6为11.6ghz的四分之一波长，在ads2020软件中对其进行优化， l6优化范围为11.6ghz的八分之一波长到四分之一波长，c1 l10优化范围为11.6ghz的四分之一个波长到一个波长。
41.如图1所示，为了得到更高的直流分量和整流效率，负载的选取需根据射频能量源的输入功率，通过射频仿真来确定最佳值，本实施例选择1700欧姆的负载。
42.如图4所示，本实施例能量采集系统在2.45ghz和5.8ghz两个频段都有不错的匹配，在 2.45ghz的射频通信中的回波损耗s11为-16.27db，2.45ghz带宽为380mhz(2.22-2.60)；在 5.8ghz的s11值为-19.217db，5.8ghz带宽为150mhz(5.87-5.72)。
43.如图5所示：本实施例能量采集系统在2.45ghz最高整流效率达到86.446％，在5.8ghz 整流效率最高达到80.382％，较传统能量采集系统整流效果更好(传统能量采集系统整流效率一般50％～75％，并且只能工作在单频段)。
44.因此，本发明提出的一种家用呼吸机的传感器能量采集系统拓扑结构图通过四个并联的t 形谐波抑制结构对高次谐波进行有效的抑制，并且输入匹配电路实现了2.45ghz和5.8ghz两个频段的匹配，最高整流效率都超过80％，比传统能量采集系统整流效率提高不少，并且所述 t形结构灵活好，易用调节加工，并且2.45ghz和5.8ghz是无线能量传输领域研究最多的两个频段，本发明便覆盖了这两个频段。