1、电子设计工程Electronic Design Engineering第31卷Vol.31第4期No.42023年2月Feb.2023收稿日期：2021-11-08稿件编号：202111053作者简介：雷 雨（1996），男，山东肥城人，硕士研究生。研究方向:射频取电技术。无线上网已经成为人类生活不可或缺的一部分。无线数据传输以射频为载体，射频波中含有微弱的电能。随着无线数据传输技术的广泛应用，将无线信号中的电能收集并利用的射频能量收集技术(Radio Frequency Energy Harvesting,RFEH)也具有越低功率场射频能量收集电路的仿真与验证雷 雨，李艳萍，麻士峰，黄 鑫，
2、宋涛涛（山东建筑大学 信息与电气工程学院，山东 济南 250100）摘要：该文设计了一种低功率场射频能量收集电路，可收集中心频率为915 MHz的射频信号，并提供对外直流电源输出。该电路由阻抗匹配电路、倍压整流电路和电能存储电路组成。该文基于ADS仿真软件对电路进行设计，并对其性能进行检验，搭建了硬件电路进行实验验证。实验结果表明，当输入射频功率大于-5 dBm，整流倍压电路的负载电阻为 10 k时，输出电压高于 0.8 V，空载时输出电压高于 4.39 V；当输入功率为 10 dBm，整流倍压电路的负载电阻为 10 k时，输出电压高达3.6 V，空载时输出电压高达7.7 V。为提高倍压整流电
3、路输出电压，设计了谐振电路对倍压整流电路进行改进优化，并对其进行仿真实验验证。仿真实验结果表明，加入谐振回路的倍压整流电路的输出电压是传统倍压整流电路输出电压的2.5倍。该射频整流电路可用于无线传感器等低功耗电子设备的电能无线供应。关键词：射频；倍压；整流；谐振中图分类号：TN721.5文献标识码：A文章编号：1674-6236（2023）04-0149-06DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2023.04.031Simulation and verification of RF energy collection circuit in low power fieldL
4、EI Yu，LI Yanping，MA Shifeng，HUANG Xin，SONG Taotao（School of Information and Electric Engineering，ShanDong Jianzhu University，Jinan 250100，China）Abstract:In this paper，a RF energy collection circuit in low power field is designed，which can collectRF energy at 915 MHz center frequency and provide exte
5、rnal DC power output.The circuit consists ofimpedance matching circuit，voltage doubling rectifier circuit and electric energy storage circuit.Theperformance of rectifier circuit is designed and tested by ADS simulation software，and the hardwarecircuit is built for experimental verification.The exper
6、imental results show that when the input RF poweris greater than-5 dBm and the load resistance of the rectifier voltage doubling circuit is 10 k，theoutput voltage is higher than 0.8 V and the output voltage is higher than 4.39 V under noload；When theinput power is 10 dBm and the load resistance is 1
7、0 k，the output voltage is up to 3.6 V and the noloadoutput voltage is up to 7.7 V.In order to improve the output voltage of voltage doubling rectifier circuit，aresonant circuit is designed to improve and optimize the voltage doubling circuit，and its simulationexperiment is carried out to verify it.T
8、he simulation results show that the output voltage is 2.5 times thatof the traditional voltage doubling rectifier circuit.The RF rectifier circuit could be used for wirelesspower supply of lowpower electronic devices such as wireless sensors.Keywords:radio frequency；voltagemultiplying；rectification；
9、resonance-149电子设计工程 2023年第4期来越广阔的应用前景1-2。近年来，国内外对于空间中射频取电的相关研究已经取得了不断突破。美国Powercast公司近来已生产了无源射频接收器或射频能量采集器件；雷恩大学的 Mohamed Latrach教授和图尔大学的 L.Ventura 教授设计的整流电路能收集40 pW的射频功率；Prusayon Nintanavongsa团队提出了一个双级收集电路，分别用于接收较低功率和较高功率的射频信号进行整流。该文设计的射频能量收集电路，在倍压整流电路输入端进行了谐振电路设计，提高了倍压整流电路的输出电压，在低功率射频环境下有较理想的电压输出。
10、该文设计的电路应用于射频能量收集领域，对一定距离内的低功耗设备可持续供应电能3。1系统组成射频能量收集系统框图如图 1 所示，主要由射频接收天线、阻抗匹配电路、RF-DC 倍压整流电路和电能存储电路组成。射频天线性能的好坏直接决定了收集射频信号功率的大小；阻抗匹配电路将天线与后级电路连接，匹配电路决定了天线收集到射频信号进入倍压整流电路4的效率；RF-DC 整流倍压电路将射频交流电转换为方向一致的直流电。由于转换输出的功率较低，无法直接使用，因此需要电能存储电路将转换的直流电存储到超级电容中，最终输出到负载5。该能量转换装置体积小，很容易与低功耗电子设备集成使用。图1射频收集系统框图2整流倍压
11、电路2.1五阶倍压整流电路设计整流倍压电路的主要目的是将频率高并且功率强度低的射频小信号，转换为可直接供用电器工作的直流电。在进行射频小信号整流倍压电路设计时，当信号频率超过 1 GHz时，需要考虑在高频环境下，电路中分立元件产生的寄生效应以及导线产生的趋肤效应；当信号频率低于 1 GHz时，分立元件产生的寄生效应以及导线产生的趋肤效应影响较小，可以忽略不计。该文在研究过程中，选择ISM频段的 915 MHz输入的射频信号，利用分立元件搭建整流倍压电路，在整流倍压的过程中实现较高的转换效率。目前，基于 MOS管的小信号整流系统已被提出6，但由于MOS管的特殊结构，导致MOS管的电压导通阈值较高
12、7，升压过程中会产生电压损失，对低功率的系统来说影响极大。相对来说，导通频率快并且导通压降低的肖特基二极管8在射频整流的过程中受到了极大欢迎。二极管的起始工作功率越低越好9-10。HSMS-285x系列的贴片零偏置肖特基二极管使用频率范围在 1.5 GHz以内，可在输入信号功率大于-20 dBm的范围内工作，其凭借在高频领域的优势，极其适用于射频整流电路。射频整流电路输入为极低功率的射频信号，该文设计仿真的输入信号功率范围为-2010 dBm，中心频率为 915 MHz，在该频段内，HSMS-285x系列的二极管的灵敏度为50 mV/W，正常工作时的正向压降低至 150 mV，因此，采用 HS
13、MS-285x系列的二极管与电容搭建的整流电路，对输入的高频小信号进行整流倍压，并对电路中的电压进行逐级提升11-13。基于 ADS仿真软件平台对整流电路的性能进行仿真分析。基于 ADS 搭建的仿真电路图如图 2所示。图 2为五阶Dickson整流倍压电路，在低功率输入状态下能够达到大于 1 V的电压输出。仿真实验证明，35阶倍压整流电路在高频环境下有较好的整流倍压效果，输出电压的高低受负载电阻阻值大小影响，负载电阻越大，输出电压越高。但电阻为功率消耗元件，负载电阻阻值越大电阻损耗也越高。将整流倍压电路的负载改为容量为1 F的电容，此时输出电压相较于负载为 10 k电阻的输出电压有很大提升。对
14、比结果如图3所示。图2倍压整流电路仿真输出电压大小是由射频信号的输入功率以及二极管的正向压降决定的。输出电压的计算公式为：-150Vout=2xVf-(2x+1)Vd（1）式中，x为倍压整流电路阶数，Vf为输入射频信号电压的大小，Vd为二极管正向压降的大小。由式（1）可知，输入电压越大，二极管正向压降越小，输出端电压越高。天线增益大小以及射频信号在该区域内的功率强度决定输入射频信号的强弱；二极管正向压降影响输出电压的高低。因此，选择增益较强的天线以及正向压降低的二极管，为提高输出电压提供了条件。2.2加入谐振的倍压整流电路为提高倍压整流电路的输出，对倍压整流电路进行了改进优化，在倍压整流电路的
15、输入端加入 LC（电感电容）并联谐振电路14，通过互感耦合，提高倍压整流电路输出电压，提升整流电路的整流效率。收集天线的中心频率为915 MHz，因此，LC并联谐振电路的谐振频率为 915 MHz，加入谐振回路既能滤除杂波，又能形成电流增益。fp=12 LC（2）根据式（2）可知，fp中心频率为 915 MHz，L和 C分别为并联谐振电路的电感和电容，确定谐振频率就可计算得出电感值以及电容值。并联谐振时，电容支路和电感支路的电流被放大，放大后的电流大小相等方向相反。放大后的电流为：IC=jQPIS（3）IL=-jQPIS（4）式中，IC和IL分别为流经电容和电感的电流，IS为电路的源电流，QP
16、为电路的品质因数，计算公式如下：QP=PLR=1PRC=1RLC（5）式（5）中，P为电路的谐振频率，L和 C分别为电路的电感和电容大小，R为电路的损耗电阻。初级谐振回路与次级电路通过互感耦合，提高倍压整流电路的输入电压。互感耦合电路示意图如图4所示。图4互感耦合电路示意图在互感耦合电路中，初级回路耦合次级回路产生的耦合电流，相当于在次级回路中加入了感应电动势，感应电动势的大小为：V2=jMI1（6）式（6）中，M 为互感系数。在互感耦合电路图中，电阻Z2等效于整流倍压电路的阻抗。将谐振电路应用于倍压整流电路的实验仿真，改进的倍压整流电路图如图 5 所示。首先，计算得出并联谐振电感以及电容大小，确定电感的损耗电阻，并计算品质因数Q值的大小。在仿真过程中，选择合适的互感系数 M 值，在负载电阻为 10 k的情况下，观察倍压整流电路输出。将加入谐振回路与不加入谐振回路的倍压整流电路输出电压进行对比，观察加入谐振回路的倍压整流效果。改进的倍压电路整流效果如图 6 所示，加入谐振回路的倍压整流电路的输出电压约为原电路输出电压的2.5倍，转换效率提高了近60%。3阻抗匹配电路3.1阻抗匹配原理普
