雷雨，李艳萍，麻士峰，黄鑫，宋涛涛
（山东建筑大学信息与电气工程学院，山东济南 250100）
无线上网已经成为人类生活不可或缺的一部分。无线数据传输以射频为载体，射频波中含有微弱的电能。随着无线数据传输技术的广泛应用，将无线信号中的电能收集并利用的射频能量收集技术(Radio Frequency Energy Harvesting,RFEH)也具有越来越广阔的应用前景[1-2]。近年来，国内外对于空间中射频取电的相关研究已经取得了不断突破。美国Powercast 公司近来已生产了无源射频接收器或射频能量采集器件；
雷恩大学的Mohamed Latrach 教授和图尔大学的L.Ventura 教授设计的整流电路能收集40 pW 的射频功率；
Prusayon Nintanavongsa 团队提出了一个双级收集电路，分别用于接收较低功率和较高功率的射频信号进行整流。
该文设计的射频能量收集电路，在倍压整流电路输入端进行了谐振电路设计，提高了倍压整流电路的输出电压，在低功率射频环境下有较理想的电压输出。该文设计的电路应用于射频能量收集领域，对一定距离内的低功耗设备可持续供应电能[3]。
射频能量收集系统框图如图1 所示，主要由射频接收天线、阻抗匹配电路、RF-DC 倍压整流电路和电能存储电路组成。射频天线性能的好坏直接决定了收集射频信号功率的大小；
阻抗匹配电路将天线与后级电路连接，匹配电路决定了天线收集到射频信号进入倍压整流电路[4]的效率；
RF-DC 整流倍压电路将射频交流电转换为方向一致的直流电。由于转换输出的功率较低，无法直接使用，因此需要电能存储电路将转换的直流电存储到超级电容中，最终输出到负载[5]。该能量转换装置体积小，很容易与低功耗电子设备集成使用。
图1 射频收集系统框图
2.1 五阶倍压整流电路
设计整流倍压电路的主要目的是将频率高并且功率强度低的射频小信号，转换为可直接供用电器工作的直流电。在进行射频小信号整流倍压电路设计时，当信号频率超过1 GHz 时，需要考虑在高频环境下，电路中分立元件产生的寄生效应以及导线产生的趋肤效应；
当信号频率低于1 GHz 时，分立元件产生的寄生效应以及导线产生的趋肤效应影响较小，可以忽略不计。该文在研究过程中，选择ISM 频段的915 MHz 输入的射频信号，利用分立元件搭建整流倍压电路，在整流倍压的过程中实现较高的转换效率。目前，基于MOS 管的小信号整流系统已被提出[6]，但由于MOS 管的特殊结构，导致MOS 管的电压导通阈值较高[7]，升压过程中会产生电压损失，对低功率的系统来说影响极大。相对来说，导通频率快并且导通压降低的肖特基二极管[8]在射频整流的过程中受到了极大欢迎。
二极管的起始工作功率越低越好[9-10]。HSMS-285x 系列的贴片零偏置肖特基二极管使用频率范围在1.5 GHz 以内，可在输入信号功率大于-20 dBm 的范围内工作，其凭借在高频领域的优势，极其适用于射频整流电路。射频整流电路输入为极低功率的射频信号，该文设计仿真的输入信号功率范围为-20～10 dBm，中心频率为915 MHz，在该频段内，HSMS-285x 系列的二极管的灵敏度为50 mV/μW，正常工作时的正向压降低至150 mV，因此，采用HSMS-285x系列的二极管与电容搭建的整流电路，对输入的高频小信号进行整流倍压，并对电路中的电压进行逐级提升[11-13]。基于ADS 仿真软件平台对整流电路的性能进行仿真分析。
基于ADS 搭建的仿真电路图如图2 所示。图2为五阶Dickson 整流倍压电路，在低功率输入状态下能够达到大于1 V 的电压输出。仿真实验证明，3～5阶倍压整流电路在高频环境下有较好的整流倍压效果，输出电压的高低受负载电阻阻值大小影响，负载电阻越大，输出电压越高。但电阻为功率消耗元件，负载电阻阻值越大电阻损耗也越高。将整流倍压电路的负载改为容量为1 F 的电容，此时输出电压相较于负载为10 kΩ电阻的输出电压有很大提升。对比结果如图3 所示。
图2 倍压整流电路仿真
图3 仿真输出电压
输出电压大小是由射频信号的输入功率以及二极管的正向压降决定的。输出电压的计算公式为：
式中，x为倍压整流电路阶数，Vf为输入射频信号电压的大小，Vd为二极管正向压降的大小。由式（1）可知，输入电压越大，二极管正向压降越小，输出端电压越高。天线增益大小以及射频信号在该区域内的功率强度决定输入射频信号的强弱；
二极管正向压降影响输出电压的高低。因此，选择增益较强的天线以及正向压降低的二极管，为提高输出电压提供了条件。
2.2 加入谐振的倍压整流电路
为提高倍压整流电路的输出，对倍压整流电路进行了改进优化，在倍压整流电路的输入端加入LC（电感电容）并联谐振电路[14]，通过互感耦合，提高倍压整流电路输出电压，提升整流电路的整流效率。
收集天线的中心频率为915 MHz，因此，LC 并联谐振电路的谐振频率为915 MHz，加入谐振回路既能滤除杂波，又能形成电流增益。
根据式（2）可知，fp中心频率为915 MHz，L和C分别为并联谐振电路的电感和电容，确定谐振频率就可计算得出电感值以及电容值。
并联谐振时，电容支路和电感支路的电流被放大，放大后的电流大小相等方向相反。放大后的电流为：
式中，IC和IL分别为流经电容和电感的电流，IS为电路的源电流，QP为电路的品质因数，计算公式如下：
式（5）中，ωP为电路的谐振频率，L和C分别为电路的电感和电容大小，R为电路的损耗电阻。
初级谐振回路与次级电路通过互感耦合，提高倍压整流电路的输入电压。互感耦合电路示意图如图4 所示。
图4 互感耦合电路示意图
在互感耦合电路中，初级回路耦合次级回路产生的耦合电流，相当于在次级回路中加入了感应电动势，感应电动势的大小为：
式（6）中，M为互感系数。在互感耦合电路图中，电阻Z2等效于整流倍压电路的阻抗。
将谐振电路应用于倍压整流电路的实验仿真，改进的倍压整流电路图如图5 所示。首先，计算得出并联谐振电感以及电容大小，确定电感的损耗电阻，并计算品质因数Q值的大小。在仿真过程中，选择合适的互感系数M值，在负载电阻为10 kΩ的情况下，观察倍压整流电路输出。将加入谐振回路与不加入谐振回路的倍压整流电路输出电压进行对比，观察加入谐振回路的倍压整流效果。
图5 改进的倍压整流电路图
改进的倍压电路整流效果如图6 所示，加入谐振回路的倍压整流电路的输出电压约为原电路输出电压的2.5 倍，转换效率提高了近60%。
图6 改进的倍压电路整流效果
3.1 阻抗匹配原理
普通电路由电源以及负载组成，电源为VS，源阻抗为：
负载阻抗为：
传递给负载的平均功率为：
由式（9）可得，当RL=RS，XL=-XS时，负载的功率达到最大，最大传输功率为：
因此，当源阻抗与负载阻抗共轭匹配时，负载功率的输出达到最大。
3.2 阻抗匹配评价
在射频输入端，为降低反射功率，将天线接收到的射频功率尽可能多地传输到后级整流放大电路，设计阻抗匹配电路使天线阻抗与后级整流倍压电路形成阻抗匹配。射频收集天线选择50 Ω标准的阻抗天线，在收集天线与整流倍压电路中间，设计阻抗匹配电路，以实现阻抗匹配。通过回波损耗参数即(S(1,1)参数)与电压驻波比VSWR 进行阻抗匹配效果的评价。
回波损耗是反射波与入射波的功率之比，即：
式中，Prf为反射波功率，Pin为入射波功率。回波损耗的单位为dB，当反射波功率远小于入射波功率时，即远小于1，此时回波损耗S(1,1)为负值。回波损耗越小，表示天线反射功率越小，电路的净输入功率越大。
电压驻波比VSWR 的计算公式为：
式中，Γ为电路的反射系数，Γ的计算公式为：
式中，Zeq为电路的等效输入阻抗，RA为天线阻抗，大小为50 Ω。当电压驻波比VSWR 小于1.5 时，认为阻抗匹配电路达到了理想效果。
阻抗匹配电路的位置在接入天线与整流倍压电路之间，虽然已知天线的输入阻抗为50 Ω，但是整流倍压电路的输入阻抗在电路没有设计完成之前是无法确定的。因此阻抗匹配电路的设计需要在电路设计的最后阶段完成。
3.3 阻抗匹配仿真设计
在设计阻抗匹配电路之前，通过仿真实验得到整流倍压电路在不同输入功率下的输入阻抗。
输入阻抗仿真结果如图7 所示，由于射频二极管是非线性元件，随着输入功率不断改变，其输入阻抗也在改变。为满足阻抗匹配能够达到的条件，在输入功率为0 dBm 时，选取输入阻抗Z=19.4-j×76.8，将该输入阻抗作为整流倍压电路的输入阻抗进行阻抗匹配。
图7 输入阻抗仿真结果
利用ADS 软件的Smith Chart Utility 工具设计匹配电路，在915 MHz 频率范围附近，使50 Ω天线源阻抗与整流电路形成共轭匹配。
阻抗匹配仿真电路设计如图8 所示。设计对阻抗匹配电路元器件的选择有严格要求，要既能实现阻抗匹配，又要使用常见的电子器件。因此，设计阻抗匹配电路时，根据不同情况确定匹配电路元件参数值[15]，调整电阻电容以及电感大小，实现阻抗匹配。最终，选取了43 Ω的电阻、6.8 nH 的电感以及2.2 pF 的电容组成匹配电路。
图8 阻抗匹配仿真电路
仿真结果如图9、图10 所示，在915 MHz 中心频率附近，回波损耗S(1,1)小于-30 dB，驻波比VSWR小于1.5，反射功率较小，天线能够有效接收射频信号功率。有效接收射频功率是进行整流倍压的基础，在接收过程中信号功率损耗越小，能够进行整流倍压的射频信号功率就越大。
图9 回波损耗(S(1,1))仿真结果
图10 驻波比VSWR仿真结果
根据仿真实验，搭建了硬件电路并完成了电路检验。利用特定的发射装置发射915 MHz 射频信号，在距离发射装置的不同位置，测量射频能量收集电路的输出电压。
RF-DC 实验采用50 Ω阻抗偶极子天线[16]，天线接收频率范围为902～928 MHz，峰值增益为1.7 dBi，回波损耗小于-10 dB。在射频发射装置的不同距离处，用频谱分析仪测量距离发射装置不同距离的射频功，并且用射频能量收集电路进行射频整流，测量10 kΩ负载电阻的电压输出以及空载的电压输出，实验结果如表1 所示。
表1 实验结果
由表1 实验结果可知，射频能量收集电路随着射频功率降低，转换输出的电压也急速下降。并且由于射频在空间中的衰减是指数衰减的，在距离射频发射装置1 m 距离时，射频能量收集电路能使LED 灯微弱点亮，在距离射频发射装置2 m 距离时，射频能量收集电路仍有200 mV 的输出。
该文设计了一种射频能量收集电路，并对电路进行了实验验证，在射频功率大于-5 dBm 的微弱功率下，可输出高于4.39 V 的电压，在2 m 范围内能实现有效的射频能量转换。基于ADS 仿真软件平台设计并仿真了加入并联谐振回路的倍压整流电路，通过仿真验证了倍压整流效果，加入谐振回路的射频能量收集电路仿真结果优于普通的射频能量收集电路。该电路体积小，能有效实现射频能量的收集，在低功耗传感器的无线电能供应方面有广阔的应用前景。
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