多射频复合式能量采集器的设计及仿真
如今，随着科学技术越来越发达，无线网络的普及，无线方便可携带式电子产品被人们大量的应用于日常的牛活中、工业牛产中以及交流通信等领域，它们给人们带来了极大的便利。然而在这些方便可携带的电子产品及无线网络中，一个亟待解决的问题就是如何为他们供电。比较传统的做法是利用普通的电池来为他们提供电能。但由于电池自身的缺点，无法自我补充电能，所以电量十分有限，从而限制了一些电子产品的使用，如医用人体内部器官。由于无法得到能量补充，这些电子产品的使用时间大大缩短。对于无线网络，由于电能的补充麻烦，繁琐，如传感器用于高空、高寒、高辐射的环境中，更增加了更换电池的难度，所以整个系统的利用率、可用性，寿命都受到极大的限制[3]。针对此缺陷，本文提出了一种可以同时收集多种不同频率大小，不同强度大小的电磁波信号的方法，消除了这种过度依靠电池来供电而造成的不利因素。依据该理论方法而设计的系统能够将我们生活的空间环境中的无线电磁波信号，转化成可供负载直接使用的直流信号。当然，也可以通过芯片的控制，来实现能量的存储。经过长时间对多射频无线射频能量收集方面资料的查询，本课题在研究方法上实现了一些突破。本论文的内容包括以下几个方面:
(1)完成了多射频复合式能量采集器的电路设计。本文的多射频复合式能量采集器是一种无源设备，它能将发射源发射的无线电磁波能量转变成电能给传感器节点（负载）供电或者储存起来。无线充电模块一般主要包含多频率电磁能量接收单元、射频能量转换前端单元、自动管理单元3个部分，其中多频率电磁能量接收单元主要负责收集信号源发射的电磁波能量，并对能量进行捕获。射频前端模块主要实现射频能量的收集、整流、升压。智能管理模块分为智能充电模块和充电管理模块，自动充电单元的主要任务是控制整个电路系统中的信号处理以及电流模的采集、比较、判断，自动管理单元负责对电池充电的管理，防止充电电池过充，过放。本论文着重研究了后两者，即射频前端模块和智能管理模块。
(2)设计了小信号低功耗升压整流电路。本文在针对传统整流电路阈值高、内损大的缺陷，提出了一种基于CMOS管的整流电路。这种改进后的新型整流电路，在对小信号低压低功耗整流升压时，相比传统桥式整流电路、倍压升压电路[4]，减少了功耗和电路自身（主要由于二极管）的内消耗，这种改进后的整流方法对于本来能量较小的射频小信号尤其重要。改进后的桥式整流电路几乎可将交流小信号无损失的整流成直流信号。
(3)研究了基于无线能量收集的智能充电模块。由于采用的是多射频能量收集，所以监测不同射频能量的大小是确保能量收集的重要指标。本文通过仿真软件，结合理论知识，仿真得到了无线电磁波能量在空间环境中传输的模型。在无线电磁能量采集系统中，将不同频率的射频源辐射的特定频率的电磁信号，经由整流单元和升压单元转换成可以收集的直流信号。然后利用智能充电模块对不同天线接收的能量进行捕捉、对比、判断，最后选择出一路较强信号，对电池进行充电。
复合式能量采集器;多射频能量;无限传输;低压升压;电磁波信号
河南师范大学
硕士
物理电子学
王芳
2013
中文
TP274.2
50
2013-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）