基于微波能量收集与唤醒的无线传输系统设计

作     者：付笑茹 

作者单位：大连海事大学 

学位级别：硕士

导师姓名：傅世强

授予年度：2023年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：微波能量收集 双频双圆极化天线 多频段整流电路 数据采集 

摘      要：随着微波集成技术的不断成熟,人们对从环境中捕获微波射频能量并将其转换为电能的技术产生了浓厚的研究兴趣。本论文的主要目的是设计并制作一款基于微波能量收集的无线传输系统,它通过天线收集电磁能并利用整流电路将其转换为直流能量,从而唤醒低功耗设备并为其持续供电,实现数据采集和无线传输。具体的工作内容如下:(1)设计了两款覆盖GSM900、3G、4G和无线局域网频段的双频双圆极化微带天线。第一款天线采用单一圆形贴片和缝隙激发不同模式实现双频性能,第二款天线通过采用圆形和环形不同辐射贴片实现双频性能。两款天线均采用双端口对称性行波馈电结构设计,实现双圆极化性能。实测结果为:第一款天线在860～960 MHz和1.8～2.5 GHz频段内|S|-10 d B,在870～990 MHz和1.9～2.48 GHz频段内轴比小于3d B;第二款天线在880～950 MHz和1.85～2.45 GHz频段内|S|-10 d B,在885～920 MHz和1.86～2.43 GHz频段内轴比小于3 d B。两款天线在低频段中心频率处增益分别达到6.38 d Bic和5.4 d Bic,在高频段中心频率处增益分别达到6.7 d Bic和7.7 d Bic。(2)设计了与天线覆盖频段对应的整流电路,利用集总参数带通阻抗匹配方法,并附加扇形枝节以减少负载阻抗变化引起的阻抗失配。给定-10 d Bm的输入信号功率,实测结果为:在0.82～0.96 GHz和1.8～2.5 GHz频段内|S|-10d B,输出直流电压范围在低频段和高频段达到300～360 m V和250～330 m V,整流效率分别达到为30～45%和25%～35%。在此基础上将输出端口采用并联的方式整合多频段整流电路,提高整流性能,输出电压峰值在低频段和高频段分别达493 m V和464 m V。此外为方便与双端口双圆极化天线集成,又采用输出端并联方式设计了一款双端口整流电路,通过仿真分析发现两个端口等功分条件下整流性能最佳。(3)为测试天线与整流电路的性能,在系统前端处放置微波发射装置发射电磁信号,天线接收后通过整流电路转换成电能,唤醒MSP430单片机,同时整流天线持续收集空间微波能量并转化为直流电,在CCS软件中编写单片机控制温度传感器工作的程序,并控制433 MHz收发模块将测得的数据回传至接收端,显示在电脑屏幕上,实现无线系统传输设计。