1 800 MHz射频能量收集系统仿真与分析

铁欢欢，刘高平

（浙江万里学院 EDA重点实验室，浙江 宁波315100）

射频能量收集；输出电压；功率转换效率；Advanced Design System（ADS）仿真

中图分类 ：TM619

文献标识码：A

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.039

中文引用格式：铁欢欢，刘高平. 1 800 MHz射频能量收集系统仿真与分析[J].电子技术应用，2017，43(6)：155-158.

英文引用格式：Tie Huanhuan，Liu Gaoping. Simulation and analysis of 1 800 MHz RF energy harvesting system[J].Application of Electronic Technique，2017，43(6)：155-158.

0 引言

1 结构设计和原理

接收天线是射频能量收集系统的信 采集器，整流倍压电路既可以将交流信 转换成直流信 ，又可以起到升压的效果^[8]，由于天线的输入阻抗通常与倍压电路的输入阻抗不匹配，会在连接处产生信 反射，为了实现最大功率传输，需要在天线与整流电路之间设计一个阻抗匹配电路。下面重点介绍射频能量收集系统三个部分的原理和特点。

1.1 接收天线

接收天线是射频能量收集系统的一个重要部分，可以将环境中分布的射频信 转化成高频电信 。天线通常工作在一定频带内，因此一种天线往往只能发射和接收频带范围内的射频信 。射频能量收集系统的作用是转化电能为设备供电，因此接收天线需要有较高的增益和较大的带宽。信 端口的回波损耗（S11）是一个衡量天线性能的重要参数，用来反映天线与其他设备连接处的信 反射情况，S11越小表明天线的性能越好，为了便于与其他设备进行阻抗匹配，天线的输入阻抗通常设置成50 Ω。图2为一个微带天线的S11参数随频率分布图，图3为天线输入阻抗的Smith圆图。

1.2 整流倍压电路

当输入信 为正半周时，二极管D₁截止，D₂导通，电流通过D₂为电容C₂充电，由于C₁的电压为V₁，D₂的阈值电压为V_th，因此在整个回路中，C₂两端的电压V₂为：

上文提到为了得到想要的输出电压值，可将图4所示的单阶电路级联，由前面的分析方法可知，之后电路中每一个电容两端的电压都为2(V_in-V_th)，经过N阶电路的级联，最终的输出电压等于N个端电压为2(V_in-V_th)的电容串联的电压值，即输出电压V_C为：

1.3 阻抗匹配电路

射频电路中，如果源内阻与后级电路阻抗不匹配，就容易使信 在连接处形成反射，造成能量损耗。阻抗匹配电路是一个无源 络，可以转换后级电路的输入阻抗，通过阻抗匹配可以使后级电路的输入阻抗值与源内阻值互为共轭值，称为共轭匹配，实现信 由源到负载的最大功率传输。在射频能量收集系统中，接收天线相当于能量源，而倍压电路则作为后级电路，由2.1可知信 源的内阻为50 Ω，使用ADS软件的S参数仿真控制器测得六阶维拉德整流倍压电路的输入阻抗为（2.1-26.6i）Ω，显然天线与倍压电路之间需要进行阻抗匹配。文中使用ADS软件的Smith Chart Utility获取匹配电路，利用Smith圆图设计阻抗匹配的过程如图5所示，匹配电路如图6所示。

2 整体电路分析

完整的射频能量收集电路如图7所示，其中负载电路中的电容用来储存系统输出的电能并且起到滤波的作用，最终输出电压加载在负载两端。电路中已经在源和倍压电路之间插入阻抗匹配电路，减小能量反射损可路耗，图8为源功率为-20 dBm时整个系统的回波损耗，可知即使在较弱功率输入的情况下整个系统在1 800 MHz频段也具有较好的传输性能，因此阻抗匹配不仅可以提升系统的传输特性，还可以提高系统收集信 的灵敏度。

对于射频能量收集系统，输出电压和能量转换效率是衡量系统性能的两个重要参数。系统的功率转换效率可用输出功率与入射功率之比表示^[9]，即为：

上式中，P_o表示输出功率，P_r表示入射功率，V_out表示输出电压，R_L表示负载电阻，由式(4)可知系统的PCE与输出电压、入射功率和负载电阻有关。输出电压指信 经过倍压电路处理后加载在负载上的电压值，对于单独一阶的倍压电路，相当于一节开路电压为V_o、内阻为R_o的电池，由式(2)可知V_o与输入信 V_in有关，负载为R_L时，输出电压为^[8]：

3 仿真结果与分析

采用ADS软件的谐波平衡仿真控制器对整个射频能量收集系统进行仿真，分别改变信 源功率和负载电阻的阻值，测量系统的输出电压与功率转换效率。

图9表示射频能量收集系统不同负载值的输出电压随信 源输入功率的变化情况，由曲线图可知，信 源输入功率越大则系统输出电压越大，并且增长的速度也变大，这是因为输入射频信 越强，幅度就越大，能够克服倍压电路中二极管阈值电压的信 就越丰富；另外随着负载电阻值的增大系统输出电压也会增大，并且增长的速度会变小，这可由公式(5)、(6)解释。仿真结果表明，当负载电阻为100 kΩ、入射功率为-30 dBm时输出电压最小，为40 mV，当负载电阻为500 kΩ、入射功率为0 dBm时输出电压最大，为5 332 mV。

图10表示射频能量收集系统不同负载值的功率转换效率随信 源输入功率的变化情况，由图可知，信 源输入功率越大系统的功率转换效率就越高，这是由于入射功率越强，能够转化成直流信 的射频信 就越多；随着负载电阻的增大，功率转换效率则变小，这与负载电流的选取有关^[10]。经过仿真，当负载电阻为500 kΩ、入射功率为-30 dBm时功率转换效率最小，为1.0%，当负载电阻为100 kΩ、入射功率为0 dBm时功率转换效率最大，为53.0%。

4 结语

参考文献

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