面向wifi能量采集系统的高效整流电路设计

1、论文题目面向wifi能量采集系统的高效整流电路设计目录摘要1Abstract1第一章绪论21.1研究的背景与意义21.2本文主要研究内容31.3论文组织结构31.4本章小结4第二章整流电路原理与构成52.1整流电路简介52.2整流电路构成62.2.1肖特基二极管及其特性62.2.2 肖特基二极管模型72.2.3 肖特基二极管的选择72.2.4 传输线简介82.2.5微带线简介92.3整流效率92.4本章小结10第三章2.4GHz整流电路设计113.1二极管型号分析113.2 整流电路设计133.2.1负载143.2.2电容153.2.3匹配电路设计173.2.4加入匹配电路的整流电路213.3本章小结22第四章5GHz整流电路设计234.1 整流电路设计234.1.1负载234.1.2电容254.1.3匹配电路设计264.1.4加入匹配电路的整流电路294.2本章小结30第五章全文总结与展望315.1全文总结315.2展望31致谢32参考文献33摘要本文首先介绍了整流电路面向如wifi能量的环境中的微波能量、无线输电以及空间中的能量资源回收方面的作用，介绍了整流系统及其工作原理。设计了

2、面向wifi能量采集系统的高效整流电路，整个电路系统由匹配网络，整流二极管电路以及负载组成，通过接收天线接收空间中的射频微波输送到整流电路转化为电路中的直流能量并传送到负载。设计了2.4GHz下的整流电路。从二极管选型开始到确定电阻电容的大小，再根据电路输入阻抗设计匹配电路，最后将各个分块设计连接成完整的整流电路系统，并进行系统仿真，得到了63%的转换效率；考虑到未对整个系统进行优化，在利用Tuing优化工具后使系统的转换效率达到了74%，反射系数达到了-24dB。设计了wifi的另一个工作频段5GHz下的整流电路，在2.4GHz设计的基础上，通过设计不同的匹配网络，并进行系统的优化达到了65%的整流效率，且反射系数达到-34dB，所需要的接收功率低至8dBm（6.3mW）。关键词：整流电路，wifi能量收集，二倍压整流，肖特基二极管，匹配电路1AbstractThis paper first introduces the rectifying circuit of microwave energy such as wifi energy-oriented environment, w

3、ireless transmission and space of energy resources recycling of the role of rectifier system and its working principle are introduced. Designed for wifi energy acquisition system of high efficient rectifier circuit, the circuit system by the matching network, rectifier diode circuit and load, by receiving antenna rf microwave in space to the rectifier circuit into dc power and transmitted to the load in the circuit.2.4 GHz rectifier circuit is designed. From diode selection to determine the size

4、 of the resistor capacitor, again according to the circuit design of input impedance matching circuit, finally connect each block design into a complete rectifier circuit system, and system simulation, the conversion efficiency of 63%; Considering the optimization of the whole system, after using Tuing optimization tools make the system conversion efficiency reached 74%, return loss - 24 db.Design the wifi work another 5 GHz frequency band of the rectifier circuit, on the basis of the 2.4 GHz de

5、sign, through the different matching network design, and system optimization of rectifier efficiency reached 65%, and the return loss reach - 34 db, needed to receive power as low as 8 DBM (6.3 mW).Keywords: rectifier circuit, wifi energy collection, double voltage rectification, schottky diode, matching circuit.第一章 绪论1.1研究的背景与意义伴随着无线通信的快速发展，无线数据的传输变得异常方便，无论是远距离还是近距离传输1。而无线网络中的各个节点各司其职，分担着接收信息，处理信息以及传递信息的职责。现如今无线网络作为一个极具发展前景的方向，可广泛用于日常生活中，无论是在医疗还是各种商业用途，还可用于军事方面，对于我们的生活效率提高都有着重要的意义。但是由于无线网络中包含着许

6、许多多的网络节点，这些节点在工作的同时必然伴随着能量的消耗，如果使用常规的电池供电，电池的容量和使用时间就会形成很大的困扰。除此之外，随着世界经济的发展，各国对能源的需求越来越大尤其是发展中国家更甚，而传统能源如石油这些不可再生的资源面临着耗尽的危险，所以新能源的发展一直是新世纪的热点，如太阳能、风能、地热能和海洋能等等，现太阳能光电池已广泛应用，能否也用于无线网络节点的供电呢？答案当然是不可以，因为光电池较大的体积，所以无法适用于网络节点这些小型用电设备。所以，在这样的一个大背景下，开发新型能源供给成为了一个不可忽略的问题，采用电磁波进行微波输能的技术发展起来了。而能够通过收集电磁波能量并通过整流将其转换为直流量输入电路的整流系统被广泛应用于无线网络的功能之中23。微波输能是一种微波源到负载之间的能量传递不需要借助任何波导和传输线的能量传递方式，且本身具有能量传递快，能量的传输方向可以迅速改变，传输效率高等特点。微波输能的历史最早可以追溯到1890年，特斯拉做了无线电能传输试验。特斯拉构想的无线电能传输方法是把地球作为内导体，把地球电离层作为外导体通过放大发射机以径向电磁波振荡模式，

7、在地球与电离层之间建立起大约8Hz的低频共振，利用环绕地球的表面电磁波来传输能量。最终因财力不足，特斯拉的大胆构想没能实现。其后，古博(Goubau) 、施瓦固( Sohweing)等人从理论上推算了自由空间波束导波可达到近100%的传输效率，并随后在反射波束导波系统上得到了验证。而近代无线输能技术是在上世纪60年代渐渐发展起来，雷声公司的布朗在其实验中设计了一款整流天线，将2.45GHz的微波能量转换为了直流电，从此拉开了无线输能发展的序幕。20世纪70年代开始，能源危机对于各国的影响引起了重视，促使美国，英国日本等发达国家开始对新型能源的探索，而首先考虑的就是对太阳这样一个天然能量体的利用，所以在太阳能卫星上开始了大力研究。到了上世纪80年代，微波输能技术又被用于高空长期作业通信接力平台的供电方式。20世界90年代，微波集成和半导体技术迅猛发展，再次开拓了无线输能的新研究领域，微波输能技术作为虚拟电池，为微型的设备进行供电4。微波输能将是一个运用前景十分广泛的产业。尤其是该技术在低功率，近距离应用场景展现了无与伦比的的优越性。微型机器人、无源射频识别（RFID）56、无线传感器，这

8、些设备的工作时间不定且时长很久，而微波输能技术正好可以满足其一切需求。1.2本文主要研究内容目前，在我们的日常生活当中，有着许许多多的通信基站，这些基站无时无刻的不在环境中发射射频能量，然而这些能量没有得到充分的利用，造成了资源的浪费，而整流天线系统正好可以对其进行能量回收。本文的主要研究内容是整流天线系统的后半部分整流电路的设计，为了获得更高效率的整流而进行设计。在研究的过程中主要使用Advanced Design System(ADS)进行仿真，并通过ADS优化工具Tuning对各个参数进行优化设计以达到更高的转换效率。1.3论文组织结构第一章对微波输能技术的历史背景和发展状况进行概述，讲述了其发展的方向和前景。第二章阐述了整流电路的工作原理，分析了二极管和传输线的选择以及整流效率的影响因素。第三章设计分析了整流电路在2.4GHz下的设计仿真，并优化设计结果，使电路的整流转换效率尽可能提高。第四章在第三章的前提下，设计了wifi的另一个频段5GHz下的整流仿真，同样实现RF-DC的有效转换。第五章为总结与展望，阐述了主要设计内容以及对以后设计的一些建议和创新方向。1.4本章小结本章

9、主要讲述了课题的研究背景和意义以及现如今的发展状况，并简述了的研究内容和主要架构。第二章 整流电路原理与构成2.1整流电路简介整流电路是将交流电转换为直流电的电子线路，常见的分类把整流电路分为半波整流电路、全波整流电路和桥氏整流电路三种，其分辨方式可以根据整流电路中二极管的个数，半波整流电路只用一只二极管，全波整流需要两只二极管，而桥式整流则需要四只二极管，但也会有特殊的整流电路。而由于在微波整流中半波整流要略优于全波整流，所以大多都采用半波整流电路，在这其中主要有三种形式：串联整流、并联整流以及单桥形式78。如下图2.1所示。 图2.1 半波整流电路结构在图2.1a中，由于二极管特殊的单向导通特性，当信号的正半周期到来时，二极管导通，电流流入负载，负半周期到来时，二极管截止，无电流流入负载，从而实现了整流。图2.1b中，当正半周期到来时，电流直接流入负载，而在负半周期时，二极管导通，相当于将负载短路，同样也实现了整流。图2.1c中采用的是单桥结构，其工作原理与并联整流相同，在正半周期回路加入一根二极管可以减小二极管的阻抗，但在实际加工时较为繁琐。以上三种结构凭借其简单的结构和不俗的整流效率成为了目前常用的微波整流电路。由于在一些情况下需要较高的电压，而以上的整流电路无法达到需求的电压时，倍压整流电路也就被设计出来，其中最为简单的就是二倍压整流电路，如下图2.2所示。 图2.2 二倍压整流电路如图2.2所示，当负半周期来到时，A点电压为负，B点为正，二极管D1导通，D2截止，电流流经D1给电容C1充电，

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