新型射频能量收集系统设计与分析

随着无线传感器网络等电子微系统的发展,作为能量源的电池满足不了长久供电的需求.利用周围环境中的射频能量为自身提供电能已经越来越受到科研工作者的关注.针对目前常用射频能量收集系统转换效率较低的不足,提出了一种由超宽带天线、匹配网络、整流升压电路等组成的新型能量收集系统.利用HFSS软件对超宽带天线进行仿真优化,使得该天线在宽频带下具有较好的特性;通过整流升压电路在不同负载下的整流效率分析,确定了整流器转换效率较高的负载取值范围.新型射频能量收集系统的效率为13.5%,比常用的其他射频能量收集系统的效率提高了将近6%.     

射频能量收集的小型化双频整流天线设计

针对传统的双频整流天线转换效率不高的问题,提出了一种用于射频（RF,radio frequency）能量收集的双频整流天线。其工作频段为1.75 GHz和2.45 GHz,主要由接收天线、阻抗匹配电路、二倍压整流电路和负载电路组成。基于小型化双频天线,引入一种新型双频阻抗匹配网络,以提高整流电路在较低输入功率下的射频-直流（RF-DC）转换效率。此外,采用新型阻抗匹配网络使得整流电路复杂度得以降低,减小了能量损耗。与传统的双频整流天线相比,-10 dBm输入功率条件下,在普通室内环境中新型双频整流天线具有更高的RF-DC转换效率。实验结果显示,在1.75 GHz GSM频段和2.45 GHz WLAN频段上最大RF-DC转换效率分别可以达到65.34%和54.3%。测试结果证明,其可以在物联网低功耗设备中得以应用。     

双频无线射频能量收集系统的设计

为了尽可能高效地吸收和整流分布在周围自然空间中的射频能量,提出了一种工作在GSM-1800和UMTS-2100频段的双频射频能量收集系统的设计方法:系统的接收天线部分采用结构简单的宽带八木天线;系统的整流电路部分为应用于低输入功率的双频整流电路;整流电路的匹配电路部分使用微带线匹配,没有使用任何分立贴片元件,以保证整流电路在高频时稳定的性能,同时降低电路实际加工制作的复杂度.最后对系统整体进行了实验室和室外环境的联合测试.实测结果表明,文中提出的双频无线射频能量收集系统在-20～-5 dBm低输入功率下,能够在1. 8 GHz和2. 1 GHz频段获得良好的双频匹配,并且在-5 dBm输入功率下获45%的整流效率,且具有从环境中收集射频能量并输出一定直流电压的能力.     

具有自适应电感共享策略的压电能量收集电路设计与实现

针对以电池为能量供给的传感设备必然存在因电池寿命的限制或自身电能的逐渐耗尽而造成的失效问题，提出了一种具有自适应电感共享策略的压电振动能量收集电路，通过将环境中的机械振动能量最大化地转换为电能并供给传感设备使用，可实现传感设备的无电池自获能供电，并大幅延长传感设备的使用寿命。该能量收集电路在原有并联电感的同步开关收集电路结构和buck-boost功率级拓扑的阻抗匹配变换器结构基础上，通过建立“先到先得”的自适应电感共享策略，避免了仲裁器的使用，大幅简化了电路设计，并实现了仅需单一电感的压电振动能量收集系统，提升了系统的集成度。此外，对电感共享造成的竞争给出了详细分析，并在此基础上进一步优化了整体电路，实现了最大功率点追踪算法。采用标准180 nm CMOS工艺，完成了压电能量收集电路的设计工作。仿真结果表明：bias-flip整流器在2 V和3 V开路电压激励下，输出功率分别达到了55.01μW和111.59μW,较传统全桥整流器，分别实现了6.40倍和4.48倍的输出功率提升；引入电感共享策略后，变换器的最大输出功率可达110.04μW,相比于非电感共享策略，电感共享策略下变换器峰值...     

HF RFID系统中整流器设计与分析

设计了几种基于CMOS工艺的高频RFID整流器,包括:桥式整流器,栅压交叉连接桥式整流器,NMOS-PMOS栅压交叉连接桥式整流器.分析了NMOS栅压交叉连接桥式整流器和PMOS栅压交叉连接桥式整流器的结构和特点.所设计的这两种电路具有负载驱动能力强,漏电流低,电路能量转换效率高等特性,并且随着输入功率的变化有着很好的电路稳定性.另外对一种改进型NMOS-PMOS栅压交叉连接桥式整流器电路进行了讨论,在一定的输入功率下这种电路具有很高的能量转换效率.给出了几种电路的仿真结果,并对仿真数据进行了比较.     

植入式医疗装置的无线通信和能量收集电路

针对传统植入式医疗装置中无线通信电路功耗高、面积大、通信距离短且通常不具备能量收集功能的问题,提出了一种高效率的无线通信和能量收集电路。无线通信电路通过采用脉冲幅度调制的近场通信方式,与传统的开关调制方式相比,其功耗更低,并且在相同误码率的情况下能够实现更远的通信距离;能量收集电路通过使用低功耗的MOS整流和稳压电路,其具有高转换效率、小面积的优势。采用0.35μm CMOS工艺,完成了电路的设计和仿真,通过搭建实验平台,对所提无线通信系统进行了验证。实验结果表明:所提电路可在2.0~2.8V电源下工作,在误码率不超过10-5的情况下,最远无线通信距离可达12cm,并且工作时的电流低于26μA;无线能量收集电路在输入800mV、128kHz正弦信号时,输出直流电压为1.73V,能量转换效率达到20%。所设计电路可应用于起搏器等植入式医疗装置中,可实现高效率的无线通信和能量收集。     

915 MHz功率自适应平面印刷整流电路设计与实验

提出了一种工作在低输入功率环境下的具有功率自适应功能的915 MHz整流电路.该整流电路适用于较宽的输入功率环境,利用一个场效应管作为自适应开关,根据输入功率的大小切换整流电路工作模式,使其能够在一个较宽的输入功率范围内高效整流.该电路输入端使用双枝节匹配网络将二极管输入阻抗匹配至50?,输出端并联一电容作为直通滤波器,使得输出功率平稳.仿真结果表明:在-16～4 d Bm的输入功率范围内,整流效率高于40%,最高转换效率为66.2%.实测最佳工作频率有所偏移,最高转换效率为47.5%.可见该整流电路采用简单的平面印刷电路工艺,易集成,可用于环境电磁能量收集.     

一种具有冷启动功能的自供电压电能量收集系统

文章根据并联同步开关电感收集(parallel synchronized switch harvesting on inductor, P-SSHI)技术,提出一种自供电的压电能量收集系统,实现了在低激励环境下的系统启动和电压输出功能,并基于压电材料分离电极理论设计冷启动电路。该系统采用带有有源二极管的P-SSHI整流电路代替传统的整流结构,以减少整流过程的能量损耗,能够在动态范围内调节输出电压,实现多输出负载的功能。基于0.18μm CMOS工艺仿真结果表明,该系统的电压翻转效率达到85%,输出功率是采用传统整流电路的5.8倍,同时能够产生1.2、1.8 V 2种电压,用于不同负载供电。该自供电能量收集系统可用于解决物联网无线传感器网络节点的自供电问题。     

LTC3108在MSMA振动能量采集器中的应用

为将磁控形状记忆合金振动能量采集器收集到的微弱交流电,转化为可以向无线传感器网络系统供电的稳定直流电,采用LTC3108芯片,设计磁控形状记忆合金振动能量采集器电源管理电路.研究结果表明:该系统在输入幅值和频率波动的情况下,能够输出稳定的直流电压,可以对无线传感器网络系统提供持续稳定的电压,满足对振动能量的存储能力及存储效率的要求.     

适用于射频能量收集系统的新型宽带整流电路设计

提出了一种适用于射频能量收集(RFEH)系统的宽带小型化整流电路.整流二极管采用HSMS 2862肖特基二极管,设计了倍压结构的整流电路.所设计的整流电路具有结构紧凑和复杂度低的优势.通过仿真与测试对整流电路的性能进行验证.结果表明:当输入功率为14.8 dBm时,该整流电路在1.91～3.32 GHz(分数带宽为53...     

CPT系统拾取端能量注入式稳压电路的设计

针对非接触电能传输系统的输出电压控制方式,分析了影响CPT系统输出电压稳定性的因素,设计了一种能量注入式的拾取端稳压电路.该电路以输出电压为控制对象,以输出功率为控制目标,根据负载的需求实现系统输出电压的稳定,并且在能量状态转换的过程中基本实现了软开关.从能量的角度对该电路的输出电压和输出能量状态进行了分析,根据能量状态的改变提出了功率调节占空比的概念,并给出了相应的计算公式.实验结果证明了该方法的有效性.     

全双工中继协作下认知MIMO系统的自干扰收集

针对传统基于能量收集的全双工认知多输入多输出(MIMO)系统忽略自干扰对提高能量利用率的作用问题,建立了基于全双工MIMO的认知中继网络,通过能量收集技术进行自干扰收集.研究了系统能量效率最大化问题,在满足中继发送功率限制等约束条件下,对传输信号协方差和功率划分因子进行联合优化.利用半定松弛算法将系统优化问题转化成凸优化问题,并结合注水功率算法分析得到最优解.仿真结果表明:与传统自干扰消除模式相比,所提方案在保证系统频谱效率的同时,系统能量效率还可提高13.9%;在自干扰收集模式下,与系统容量最大化方案相比,所提方案每传输1 bit信息可降低近0.1 J的功率消耗.     

输入端谐波抑制S波段高效率F类功率放大器的研究

传统的F类功率放大器设计方法是对其输出端进行谐波抑制,在输出端得到近似方波的电压信号和近似半正弦波的电流信号,以此提高放大器效率.新型高效率F类功率放大器在输入端加入谐波抑制电路,同时利用输入和输出谐波抑制匹配网络能够有效提高输出功率和功率附加效率;在S波段完成一款电路的设计并进行测试,在电路设计中采用新的负载牵引、源牵引仿真方法,实验结果和仿真结果非常吻合.在输入激励为28dBm条件下,测试结果表明,最大PAE能够达到75.4%,输出功率40.3dBm.     

微能量收集技术及储能器件研究

为提高微能量收集的转换效率,分析了3种典型的换能装置结构及其等效电路,探究了3种换能装置的能量收集电路的工作原理、优缺点及能量转换效率,对比分析了常用储能器件.结果表明:带控制单元的能量收集电路效率高,超级电容和锂电池适合微能量收集系统.基于以上分析,对微能量收集技术和储能器件研究提出了建议,带控制单元的能量收集电路和组合形式的储能系统是进一步研究微能量收集系统效率的一个方向.     

采用CMOS E类放大器实现功率控制的方法

针对手持式无线通信产品对低成本、高效率收发机的需求,提出了一种将并联放大结构和放大器电源漏端调制相结合的功率控制方法。结合射频E类功率放大器的结构特点,采用CMOS工艺,达到了在大的输出功率范围内保持持续稳定高效率的目的。在设计中采用1/4波长传输线实现了大范围的功率联合与控制,而小范围的输出功率调节则通过改变E类功放的漏端电源电压完成。仿真结果表明:理想情况下当输出功率在140~700 mW范围内变化时,联合放大器的功率增加效率均可保持在41%以上,最高可以达到47.9%。     

一种双环路反馈控制电荷泵LED驱动器设计

针对电荷泵LED驱动器环路控制在不同工作模式下存在较大的输入噪声和较大的输出电压纹波的问题,基于TSMC0.6μmBCD工艺,设计实现了一种电压外环和电流内环的双环路反馈控制方案.其中多增益工作模式的电压外环有效地提高在不同输入电源电压下的效率;电流内环利用电流镜代替传统的可调电阻,实现了低噪声线性控制方式.两种控制环路的结合,既可有效减小电源电流的峰值,又可降低电荷泵的输出纹波,从而降低输入输出噪声.经留片测试,对于正向导通电压为3.4V的LED,电源电压在3.0～4.4V变化范围内,输出电压为3.6V,输出电流为400mA的条件下,所设计电路的最高效率可达90.1%.     

无线传感器节点太阳能自适应收集环路及控制策略

针对无线传感器网络(WSN)节点太阳能收集效率低的问题,提出了一种WSN节点的太阳能高效收集方案,最大功率点跟踪(MPPT)电路由微功耗的可控制光伏电压的闭合环路实现,初始功率跟踪点由通过扫描光伏功率曲线的幅值搜索算法提供,利用简化的梯度上升算法来跟踪随环境变化的最大功率,使其最大化地传输到充电电池.实验结果表明,自适应系统的能量转换效率高达86.7%,在光伏电压低至0.8V的超低光照强度下仍能有效地收集能量,能有效延长WSN节点的生存周期,可适用于其他应用场合的微小功率太阳能收集.     

顺、逆流串联电路逆电渗析电堆发电系统能量转换效率研究

通过建立逆电渗析(RED)电堆能量转换模型,对稀和浓溶液顺、逆流时多个RED电堆(多电极)串联电路的发电系统进行理论研究.比较了顺、逆流两种流动方式下RED电堆流道总长、溶液流速以及RED电堆数量对系统能量转换效率及输出特性的影响.模拟计算结果表明:在设定参数下,降低溶液流速,增加流道总长和电堆数量均能提升系统能量转换效率.溶液逆流时的系统能量转换效率、输出电压和功率密度均高于溶液顺流时的情况.与溶液顺流时相比,逆流时溶液流速和流道总长的变化对系统能量转换效率的影响要大些,而电堆数量影响要小些.电堆数量增加会提高发电系统输出电压和功率密度,但总内阻也随之增加,导致系统推荐的工作范围变窄.     

基于宽禁带功率器件的F类放大器的研究与设计

F类射频功率放大器作为开关模式放大器的一种,其理想效率为100%。传统F类功率放大器的设计方法是利用输出端谐波抑制,在晶体管的漏极得到近似方波的电压信号和近似半正弦波的电流信号,以此提高放大器效率。文章通过研究电路的结构,在F类功率放大器的输入端加入谐波抑制电路,同时利用输入和输出谐波抑制匹配网络,能够更有效提高输出功率和功率附加效率;结合宽禁带功率器件,在S波段完成一款电路的设计,在3.45~3.55GHz频带内,输入激励为28dBm条件下,测试得到最大PAE能够达到78.3%,输出功率40.5dBm,实验结果和仿真结果基本吻合。     

木材采运系统物质流与能量流模式的分析

在木材采运系统中,物质流可分为木质流、生物质流、养分流、土壤流和水分流,能量流推动物质流的流动和转换。用输入、排放、输出3股物质流组成的木质流图,反映出木材采运系统各工序内部和工序之间的物质流动,可分析系统的立木资源效率和环境负荷。采用输入、输出、加入、损失、回收他用5股能量流组成的能量流图,反映出系统各工序内部和工序之间的能量流动,可用于分析单位能耗和能量效率。对原木采集生产过程进行分析,得出采集系统中各物质流之间的相互关系以及物质流与能量流的耦合关系。