一种应用于无线传感器网络无线能量收集系统的整流电路刘彦伶 刘宝宏

陈瑛 王强强

摘要：本文给出了一种应用于无线传感器网络的无线能量收集器的整流电路。该整流电路采用L形结构作为输入匹配，采用商用肖特基二极管实现整流，仿真结果表明，本整流电路在2.45GHz具有良好的端口特性，其功率转换效率可以达到58%。该整流电路能够应用到无线能量收集系统实现能量转化，从而实现对无线传感器网络节点的持续供电，具有较强的应用意义。

关键词：无线能量收集系统;整流电路;射频信号;功率转换效率

中图分类号：TP212.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）10-0066-02

0 引言

随着通信及电子技术发展，超低功耗的无线传感器网络广泛应用于健康监测、智能建筑、汽车工业等领域。对于这些超低功耗的无线传感器网络能量供应是其考虑的关键问题。虽然电池能够较为稳定提供能量供应，但这些传感器网络携带的电池通常只能储存有限能量，其工作寿命受限于电池储存能量多少。更换这些电池将会给无线传感器网络应用带来难以接受成本和环境污染问题。解决无线传感器网络能量供应问题的一个极具潜力的方案是采用无线能量收集，通过收集定向发射电磁波信号或自然界中的电磁波信号实现能量储存和供应从而解决这些超低功耗无线传感器网络的能量供应问题。本文介绍了一款能够用于无线能量收集系统的整流电路，该电路结构简单，功率转换效率高，能够广泛应用于无线能量收集系统用于能量供应。

1 45GHz无线能量收集系统结构

图1是2.45GHz无线能量收集系统结构[1]，该系统包含天线，匹配电路，整流电路，DC-DC模块，存储器（电容或负载阻抗）。天线主要用于无线能量信号的捕获，将空中传输的电磁波信号转换成电路可用的电压信号，匹配电路主要用于天线和整流电路之间进行信号匹配，实现电磁波信号无损耗传输到整流电路，整流电路主要用于电磁波信号转换成直流信号，DC-DC电路主要实现将整流电路的输出信号稳定输出为固定电压信号，同时避免负载阻抗对电源电压影响。存储器的作用主要是将DC/DC电路的输出电压存储成电能供后续电路使用或直接供应给负载电路提供稳定的能量供应。

在实际电路设计中，匹配电路主要是将整流电路的寄生参数和天线的50欧姆相互匹配，保证信号无反射的传输到整流管中，因此匹配电路和整流电路通常一起进行设计，因此，本整流电路设计中包含整流电路和匹配电路两个部分。

2 整流电路设计

如图2所示为该整流电流的电路结构图，其由输入匹配电路、整流二极管对、输出滤波电路构成。输入匹配电路采用L型阻抗匹配网络，通过串联传输线和并联的到地传输线构成了输入匹配结构。输出为滤波器结构，通过传输线和扇形微带实现输入射频信号的滤除，同时直流信号能够输出到负载。整流二极管采用并串对管结构，在本电路中采用了HSMS286来实现该并串对管结构。

在整流电路中，由于其输入端信号为射频信号，需要通过输入阻抗匹配电路实现信号无反射传输到整流二极管中。通常，能够用于输入阻抗匹配的网络有L形、T形、π形、变压器这几种结构[2]，在这些结构中，L形具有匹配结构简单、易于实现的特点，T形和π形匹配网络能够实现输入信号良好匹配，同时其匹配的品质因子相对于L形结构的品质因子更高，但由于其采用多个传输线或集总器件方式，在实际电路中存在调试困难的问题，变压器匹配结构能够实现电压变换和阻抗匹配的优点，但是由于变压器面积通常较大，在实际使用中存在较大的局限，综合考虑上述因素，在本整流电流中采用L形匹配结构。

对于整流二极管而言，串联电阻Rs和非线性电容Cj都是越小越好。这是因为串联电阻Rs则会在二极管整流时，对负责整流的非线性结电阻Rj进行分压，降低二极管的整流效率。非线性结电容Cj则会影响二极管反向阻抗，Cj越小，二极管反向阻抗越大，对应的整流效率越高。同时，在选择整流二极管时，应选择击穿电压Vbr较大，而导通电压较小的二极管。因为当整流电路的输入功率较低时，二极管两端电压较小，尚未达到其导通电压，因此，导致整流电路效率低下。而随着输入功率的增大，二极管正式导通，进入非线性区域，产生高次谐波和直流能量，电路整流效率会大大提高。但是，当输入功率增大到一定程度后，二极管两端的电压会超过整流二极管的击穿电压Vbr，这时，整流效率会开始明显下降。在本设计中整流二极管选择采用并联-串联的对管结构，该结构相对于单一的并联或串联整流管能够在更低的入射信号情况下得到良好的功率转换效率。

3 仿真结果及讨论

本整流电流采用微波线路板来实现，该电路线路板为Arlon AD255微波板，其参数分别为：Er=2.55，厚度t=0.787mm，该整流电路工作频率为2.45GHz。对该整流电路采用商用仿真软件ADS进行仿真分析，图3是仿真的输入端口反射系数。从仿真结果可以看出该整流电路在2.45GHz呈现出良好的反射特性，其输入端口反射系数约-19.5dB，输入信号在2.415GHz～2.525GHz范围可以达到低于-10dB的端口反射系数。

整流电路的功率转换效率是整流电路输出直流功率与输入射频/微波信号功率之比[3]：

（1）

式中，Pin是输入信号功率，Pdc是输出直流功率，Vdc是输出直流电压，Rl是整流电路负载阻抗。

利用公式（1）可以计算不同输入信号的情况下整流电路功率，图4是功率转换效率仿真结果图，可以看出该整流电路最高效率为58%，在输入信号功率较低的时候，其功率转换效率较低，此时其输入信号主要用于克服整流二极管的寄生阻抗，当输入信号较大时，此时其功率转换效率呈现下降特性，这是由于当输出直流电压达到二极管反向击穿电压时，二极管反向击穿，此时虽然输入信号增加，但由于输出电压保持稳定，由公式（1）知道其输出功率下降。

4 结论

本文给出了一种可以应用于无线传感器网络的无线能量收集系统的整流电路，该整流电路采用简单L形输出匹配结构，二极管采用商用肖特基二极管，整个电路在2.415GHz～2.525GHz范围呈现良好的端口匹配特性，其功率转换效率达到58%，该电路特别适合于广泛使用的无线传感器网络的能量供应，从而实现无线传感器网络节点的持续供电和工作。

参考文献

[1] Baohong Liu，Ying Chen，Tanghuai Fan.Challenges and statues of rectifier for far field wireless energy harvester in power variation of input RF/microwave signal[C].2018 IEEE 4th International Conf.on Computer and Communication，Dec，2018.

[2] 廖承恩.微波技術基础[D].西安：西安电子科技大学出版社，1994，12.

[3] 刘宝宏，陈瑛，樊棠怀.射频/微波能量收集系统的整流电路研究综述[J].半导体技术，2019，44（3）：161-170.