0 引言

    隨著無線通信技術的發展，便攜式無線通信設備或網絡節點已經被普遍應用，電池仍然是這些設備的主要能量來源^[1]，由于電池壽命有限，因此吸引了許多企業和研究人員提出新的方法和技術去延長移動設備的壽命^[2]，能量收集技術便是其中之一。能量收集是俘獲和存儲外部環境中的能量并且轉化成電能的過程，環境中可用來收集的能量有太陽能、溫差能、機械能、風能、射頻信號^[3，4]等多種形式。射頻能量收集是從無線能量傳輸技術發展而來^[5]，既可以收集環境中的射頻信號，也可以收集特定發射器產生的射頻信號^[6]。環境中存在大量的射頻能量源向外輻射可收集的射頻信號，比如移動通信系統、WiFi基站、無線路由器、電視無線廣播基站等^[5，6]。射頻能量收集作為一種綠色和可回收技術已有諸多應用，包括在便攜式醫療設備、RFID標簽、生物遙測技術和無線傳感網絡等領域^[7]。

    一個完整的射頻能量收集系統可以將射頻信號有效地轉換成直流電能并且存儲起來給負載供電，這就需要一個高效的接收天線將空氣中的射頻信號收集起來，同時需要RF-DC整流器將射頻信號轉化成可供設備工作的直流電，為了實現接收天線到整流器間的最大功率傳輸，還需要在天線與整流器之間設計一個阻抗匹配電路，完整的射頻能量收集系統結構如圖1所示。本文采用一個工作在1 800 MHz頻段的射頻能量收集電路，通過ADS仿真軟件驗證電路的可行性，并且分別改變信號源的輸入功率和負載電阻值測量電路的輸出電壓和功率轉換效率，分析影響電路性能的因素以及變化規律。

1 結構設計和原理

    接收天線是射頻能量收集系統的信號采集器，整流倍壓電路既可以將交流信號轉換成直流信號，又可以起到升壓的效果^[8]，由于天線的輸入阻抗通常與倍壓電路的輸入阻抗不匹配，會在連接處產生信號反射，為了實現最大功率傳輸，需要在天線與整流電路之間設計一個阻抗匹配電路。下面重點介紹射頻能量收集系統三個部分的原理和特點。

1.1 接收天線

    接收天線是射頻能量收集系統的一個重要部分，可以將環境中分布的射頻信號轉化成高頻電信號。天線通常工作在一定頻帶內，因此一種天線往往只能發射和接收頻帶范圍內的射頻信號。射頻能量收集系統的作用是轉化電能為設備供電，因此接收天線需要有較高的增益和較大的帶寬。信號端口的回波損耗（S11）是一個衡量天線性能的重要參數，用來反映天線與其他設備連接處的信號反射情況，S11越小表明天線的性能越好，為了便于與其他設備進行阻抗匹配，天線的輸入阻抗通常設置成50 Ω。圖2為一個微帶天線的S11參數隨頻率分布圖，圖3為天線輸入阻抗的Smith圓圖。

    圖2表示天線的諧振頻率為1.8 GHz，并且在此頻率下的回波損耗為-41.9 dB，圖3表示天線工作在1.8 GHz頻率下的歸一化阻抗為(0.9854-0.0065i)Ω，由于歸一化參考阻抗為50O Ω，因此輸入阻抗為(49.27-0.325i)Ω，很接近50 Ω。本文的電路使用ADS軟件進行仿真，在仿真過程中采用一個阻抗為50 Ω的單音功率源代替阻抗為50 Ω的接收天線。

1.2 整流倍壓電路

    整流倍壓電路是整個射頻能量收集系統的關鍵，關系著整個系統的輸出電壓和功率轉換效率。本文采用維拉德整流倍壓拓撲結構，單階電路即可以輸出兩倍于輸入信號的電壓，通過多階電路級聯可以產生任意的輸出電壓^[8]。單階的維拉德整流倍壓拓撲結構如圖4所示，其中C₁、D₁產生一個電壓鉗位，C₂、D₂實現峰值整流，具體的原理為：當輸入信號(V_in)為負半周時，二極管D₁導通、D₂截止，電流通過D₁將電能儲存在電容C₁中，由于電流通過D₁時需要克服二極管的閾值電壓V_th，因此存儲在C₁的電壓為：

當輸入信號為正半周時，二極管D₁截止，D₂導通，電流通過D₂為電容C₂充電，由于C₁的電壓為V₁，D₂的閾值電壓為V_th，因此在整個回路中，C₂兩端的電壓V₂為：

    上文提到為了得到想要的輸出電壓值，可將圖4所示的單階電路級聯，由前面的分析方法可知，之后電路中每一個電容兩端的電壓都為2(V_in-V_th)，經過N階電路的級聯，最終的輸出電壓等于N個端電壓為2(V_in-V_th)的電容串聯的電壓值，即輸出電壓V_C為：

由式(3)可知，單就電路本身而言，倍壓級數N和二極管閾值電壓V_th都能影響倍壓電路的輸出電壓，并且當輸入信號的幅值V_in小于二極管閾值電壓V_th時，電路將沒有電壓輸出，由于接收天線收集到的射頻信號可能很微弱，為了保證系統輸出理想的電壓值，應使V_th盡可能的小。肖特基二極管具有較低的閾值電壓，和非?？斓霓D換速度，非常適合在射頻能量收集電路中使用，本文中使用閾值電壓可以低至150 mV的HSMS2852。為了保證電路在較弱輸入信號的情況下能輸出有效的電壓，本文采用一個六階的維拉德整流倍壓電路。

1.3 阻抗匹配電路

    射頻電路中，如果源內阻與后級電路阻抗不匹配，就容易使信號在連接處形成反射，造成能量損耗。阻抗匹配電路是一個無源網絡，可以轉換后級電路的輸入阻抗，通過阻抗匹配可以使后級電路的輸入阻抗值與源內阻值互為共軛值，稱為共軛匹配，實現信號由源到負載的最大功率傳輸。在射頻能量收集系統中，接收天線相當于能量源，而倍壓電路則作為后級電路，由2.1可知信號源的內阻為50 Ω，使用ADS軟件的S參數仿真控制器測得六階維拉德整流倍壓電路的輸入阻抗為（2.1-26.6i）Ω，顯然天線與倍壓電路之間需要進行阻抗匹配。文中使用ADS軟件的Smith Chart Utility獲取匹配電路，利用Smith圓圖設計阻抗匹配的過程如圖5所示，匹配電路如圖6所示。

2 整體電路分析

    完整的射頻能量收集電路如圖7所示，其中負載電路中的電容用來儲存系統輸出的電能并且起到濾波的作用，最終輸出電壓加載在負載兩端。電路中已經在源和倍壓電路之間插入阻抗匹配電路，減小能量反射損可路耗，圖8為源功率為-20 dBm時整個系統的回波損耗，可知即使在較弱功率輸入的情況下整個系統在1 800 MHz頻段也具有較好的傳輸性能，因此阻抗匹配不僅可以提升系統的傳輸特性，還可以提高系統收集信號的靈敏度。

    對于射頻能量收集系統，輸出電壓和能量轉換效率是衡量系統性能的兩個重要參數。系統的功率轉換效率可用輸出功率與入射功率之比表示^[9]，即為：

上式中，P_o表示輸出功率，P_r表示入射功率，V_out表示輸出電壓，R_L表示負載電阻，由式(4)可知系統的PCE與輸出電壓、入射功率和負載電阻有關。輸出電壓指信號經過倍壓電路處理后加載在負載上的電壓值，對于單獨一階的倍壓電路，相當于一節開路電壓為V_o、內阻為R_o的電池，由式(2)可知V_o與輸入信號V_in有關，負載為R_L時，輸出電壓為^[8]：

由式(6)可知，系統輸出電壓與倍壓階數、倍壓電路內阻、輸入信號和負載電阻有關。由于本文采用肖特基二極管HSMS2852與普通電容構成的六階倍壓電路，因此影響系統輸出電壓和功率轉換效率的因素主要是輸入信號的功率和系統的負載電阻。

3 仿真結果與分析

    采用ADS軟件的諧波平衡仿真控制器對整個射頻能量收集系統進行仿真，分別改變信號源功率和負載電阻的阻值，測量系統的輸出電壓與功率轉換效率。

    圖9表示射頻能量收集系統不同負載值的輸出電壓隨信號源輸入功率的變化情況，由曲線圖可知，信號源輸入功率越大則系統輸出電壓越大，并且增長的速度也變大，這是因為輸入射頻信號越強，幅度就越大，能夠克服倍壓電路中二極管閾值電壓的信號就越豐富；另外隨著負載電阻值的增大系統輸出電壓也會增大，并且增長的速度會變小，這可由公式(5)、(6)解釋。仿真結果表明，當負載電阻為100 kΩ、入射功率為-30 dBm時輸出電壓最小，為40 mV，當負載電阻為500 kΩ、入射功率為0 dBm時輸出電壓最大，為5 332 mV。

    圖10表示射頻能量收集系統不同負載值的功率轉換效率隨信號源輸入功率的變化情況，由圖可知，信號源輸入功率越大系統的功率轉換效率就越高，這是由于入射功率越強，能夠轉化成直流信號的射頻信號就越多；隨著負載電阻的增大，功率轉換效率則變小，這與負載電流的選取有關^[10]。經過仿真，當負載電阻為500 kΩ、入射功率為-30 dBm時功率轉換效率最小，為1.0%，當負載電阻為100 kΩ、入射功率為0 dBm時功率轉換效率最大，為53.0%。

4 結語

    射頻能量收集已經成為延長電池壽命的有效方法之一，電路的輸出電壓和功率轉換效率分別決定了能否為后級電路提供充足的電壓和功率，是衡量系統性能的重要參數。本文通過ADS軟件仿真一個六階倍壓的射頻能量收集電路，結果表明，負載電阻和入射功率都能影響電路的輸出電壓和功率轉換效率，收集環境中的射頻信號為設備供電存在一定的難度，但是收集固定射頻發射機發出的較大功率信號，無論是輸出電壓還是輸出功率都能滿足低功耗設備的工作需求。

參考文獻

[1] 韋保林，韋雪明，徐衛林，等.環境射頻能量收集技術的研究進展及應用[J].通信技術，2014，47(4)：359-364.

[2] TARIS T，VIGNERAS V，FADEL L，et al.New Circuits and Systems Conference，2012 IEEE 10th International[C].Piscataway，NJ：IEEE，2012：445-448.

[3] BAKKALI A，PELEGRI-SEBASTIA J，SOGORB T，et al.A Dual-Band Antenna for RF Energy Harvesting Systems in Wireless Sensor Networks[J].Journal of Sensors，2016(11)：1-8.

[4] ALI M，ALBASHA L，QADDOUMI N，et al.Design & technology of integrated systems in nanoscale era[C].2013 8th International Conference on.Piscataway，NJ：IEEE，2013：78-81.

[5] KHANSALEE E，ZHAO Y，LEELARASMEE E，et al.A dual-band rectifier for RF energy harvesting systems[C].Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology，2014 11th International Conference on.Piscataway，NJ：IEEE，2014.1-4.

[6] BORGES LM，BARROCA N，SARAIVA HM，et al.Telecommunications，2014 21st International Conference on[C].Piscataway，NJ：IEEE，2014.308-312.

[7] PHAM BL，PHAM AV.Microwave Symposium Digest[C].2013 IEEE MTT-S International.Piscataway，NJ：IEEE，2013.1-3.

[8] DEVI KKA，DIN NM，CHAKRABARTY CK，et al.Optimization of the Voltage Doubler Stages in an RF-DC Convertor Module for Energy Harvesting[J].Circuits & Systems，2012，03(3)：216-222.

[9] 趙爭鳴，王旭東.電磁能量收集技術現狀及發展趨勢[J].電工技術學報，2015(13)：1-11.

[10] 馬寧.應用于雙頻段射頻能量獲取倍壓整流器的設計[D].西安：西安電子科技大學，2014.

作者信息:

鐵歡歡，劉高平

（浙江萬里學院 EDA重點實驗室，浙江 寧波315100）