多频正弦信号对电磁能量收集系统的影响分析

摘要

本文设计了能够收集移动通信3G、4G下行频段以及2.4GHz WiFi的射频能量的能量收集系统，该能量收集系统的主要目标就是将指定频段的射频能量转换为电能并加以存储，供给低功率器件使用。能量收集系统包括低通滤波器、整流器、DC滤波器以及负载和电源管理系统，电源管理系统将整流电路的低压输出进行升压处理并且将电能存储在储能容器中。
　　设计了截止频率为2.7GHz的阶跃阻抗低通滤波器。以2.4GHz为频点对整流电路进行分析，确定了以二阶倍压型拓扑结构作为本文中整流电路的框架。通过仿真计算，分析了电容、肖特基二极管和负载的选型对整流器性能的影响并对整流器进行阻抗匹配，设计出来的整流电路在0dBm输入功率下，相比阻抗匹配之前的整流器，整流效率上升了8.8个百分点，输出电压直流分量上升了81.4%，并且有效地抑制了整流电路中的谐波分量。在2GHz到2.7GHz频率范围内，在0dBm输入下，整流电路的实测电压为300mV到400mV之间。
　　首次对移动通信下行频段一些频点组成的多频正弦信号对整流器性能的影响进行了仿真分析。采用了二阶倍压拓扑结构，分析了多频正弦信号各分量之间的频率关系和相位关系以及多频正弦信号分量数量对整流器性能的影响。仿真计算结果表明，当同频信号数量越多，整流电路输出电压越高；但是当异频信号数量越多，整流电路输出电压越低；此外，当多频正弦信号各分量相位间隔越小时，整流电路的输出电压越高。
　　以LTC3108芯片为基础，设计了电源管理系统，使用超级电容作为电源管理系统中的储能元件。将整流器和电源管理系统级联实测，在-10dBm功率源作用下，电源管理系统的输出端的超级电容可以收集到1.8V的电能。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

1.4 本章小结

第二章 能量收集系统结构分析

2.1 能量收集系统结构

2.2 射频能量源

2.3 能量收集系统性能评价指标

2.4 整流天线系统结构模型

2.5 直流储能分析

2.6 本章小结

第三章 高效率整流器的设计

3.1 倍压电路原理

3.2 整流器设计

3.3 整流电路的仿真与实物测量

3.4 本章小结

第四章 多频正弦信号对整流电路的影响分析

4.1 多频正弦信号(multisine signal)

4.2 多频正弦信号对整流电路的影响分析

4.3 本章小结

第五章 电源管理系统的设计

5.1 电源管理系统结构分析

5.2 电源管理系统可行性仿真分析

5.3 电源管理系统实物设计

5.4 射频能量收集系统测量

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

参考文献

致谢