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用于射频能量收集的低阈值CMOS整流电路设计

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半导体技术 2024年第4期49卷 365-372页

作者：徐雷钧孙鑫白雪陈建锋江苏大学电气信息工程学院江苏镇江212013

基于TSMC 180 nm工艺,设计了一款高效率低阈值整流电路。在传统差分输入交叉耦合整流电路的基础上,提出源极与衬底之间增加双PMOS对称辅助晶体管配合缓冲电容的改进结构,对整流晶体管进行阈值补偿。有效缓解了MOS管的衬底偏置效应,降低... 详细信息

基于TSMC 180 nm工艺,设计了一款高效率低阈值整流电路。在传统差分输入交叉耦合整流电路的基础上,提出源极与衬底之间增加双PMOS对称辅助晶体管配合缓冲电容的改进结构,对整流晶体管进行阈值补偿。有效缓解了MOS管的衬底偏置效应,降低了整流电路的开启阈值电压,针对较低输入信号功率,提高了整流电路的功率转换效率(PCE)。同时将低阈值整流电路三级级联以提高输出电压。测试结果显示,在输入信号功率为-14 dBm@915 MHz时,三级级联低阈值整流电路实现了升压功能,能稳定输出1.2 V电压,峰值PCE约为71.32%。相较于传统结构,该低阈值整流电路更适合用于射频能量收集。

关键词：互补金属氧化物半导体(CMOS) 射频能量收集低阈值电压 RF-DC整流电路差分输入交叉耦合整流电路

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基于射频能量收集的无线中继网络资源分配

电讯技术 2024年第1期64卷 98-105页

作者：钮金鑫中国西南电子技术研究所成都610036

针对现有射频能量收集网络资源分配研究局限于单个数据源场景,无法适配于多数据源网络的问题,提出了一种适用于多数据源场景的射频能量收集中继网络传输协议框架,在该框架内节点可作为源节点或中继节点传输自身数据或转发数据,并在其他... 详细信息

针对现有射频能量收集网络资源分配研究局限于单个数据源场景,无法适配于多数据源网络的问题,提出了一种适用于多数据源场景的射频能量收集中继网络传输协议框架,在该框架内节点可作为源节点或中继节点传输自身数据或转发数据,并在其他节点的数据传输过程中完成射频能量收集。以协议框架为基础,分别以系统吞吐量及用户公平性为优化目标设计两种资源分配方案。仿真表明,两种方案可有效改善网络吞吐量及资源分配公平性。

关键词：无线中继网络资源分配射频能量收集

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一款面向环境射频能量收集的宽频整流电路

应用科技 2024年

作者：张欣何忠奇闫丽萍刘长军四川大学电子信息学院宜宾四川大学产业技术研究院

整流电路是射频能量回收系统的核心，能够将射频能量转换为直流。但由于整流电路中使用的二极管具有非线性特性，导致整流效率会随频率变化而降低。为解决这一问题，本文提出一种具有宽频带的整流电路，它通过采用与二极管串联的短路线... 详细信息

整流电路是射频能量回收系统的核心，能够将射频能量转换为直流。但由于整流电路中使用的二极管具有非线性特性，导致整流效率会随频率变化而降低。为解决这一问题，本文提出一种具有宽频带的整流电路，它通过采用与二极管串联的短路线、与二极管并联的开路线，以及多级微带线结构来调整阻抗匹配，实现了在宽频带范围内的高转换效率。设计的整流电路在0 dBm的输入功率下，从1.7～2.7 GHz，均达到50%的整流转换效率，最高整流转换效率为63.3%。该宽带整流电路可以运用在无线能量收集系统中。

关键词：射频能量收集整流电路宽频高效率二极管非线性阻抗匹配微带线

以纺织微带单元及阵列天线为接收天线的射频能量收集系统输出电压比较研究

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Journal of Donghua University(English Edition) 2024年第3期41卷 275-281页

作者：王楠李梦蝶邝野李瑶姚澜东华大学纺织学院上海201620 浙江理工大学服装学院浙江杭州310018

近些年,纺织天线作为可穿戴产品射频能量收集系统中的重要电子设备,越来越受到青睐。为研究基于纺织天线的射频能量收集系统的收集性能,该研究设计并制备了以涤纶毡为基底的纺织微带单元天线和纺织微带阵列天线。为了建立一个完整的射... 详细信息

近些年,纺织天线作为可穿戴产品射频能量收集系统中的重要电子设备,越来越受到青睐。为研究基于纺织天线的射频能量收集系统的收集性能,该研究设计并制备了以涤纶毡为基底的纺织微带单元天线和纺织微带阵列天线。为了建立一个完整的射频能量收集系统,将信号发生器、功率放大器、发射天线和所设计的纺织微带天线(作为接收天线)与整流电路连接。研究结果表明,阵列天线的最大增益比单元天线高5.35 dB。最终的输出电压显示了射频能量收集系统的有效性。随着输入功率的增加、接收距离的减小,输出电压增加。通过单元天线的最高输出电压为39.2 mV,通过阵列天线的最高输出电压为72.7 mV,这是由于阵列天线的增益较高。这项研究将为该领域带来更多的研究思路。

关键词：射频能量收集纺织品微带单元天线微带阵列天线整流电路

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低功率射频能量收集系统设计及优化

电测与仪表 2022年第3期59卷 195-200页

作者：李建坡赵佳琪尹月琴张华健东北电力大学计算机学院吉林吉林132012 国网陕西省电力公司延安供电公司陕西延安100142

为了实现环境中低功率射频信号能量收集,设计了一种无线射频能收集系统,该系统主要由天线、倍压整流电路和匹配电路组成。为了提高射频信号能量收集效率,提出了基于二极管的低输入倍压整流系统数学模型;为了实现天线阻抗与倍压整流电路... 详细信息

为了实现环境中低功率射频信号能量收集,设计了一种无线射频能收集系统,该系统主要由天线、倍压整流电路和匹配电路组成。为了提高射频信号能量收集效率,提出了基于二极管的低输入倍压整流系统数学模型;为了实现天线阻抗与倍压整流电路输入阻抗相匹配,采用量子粒子群算法实现了匹配电路参数的优化;在仿真软件对该优化方法进行了仿真试验。实验结果表明,所设计的射频能收集系统,可有效提高射频信号能量收集效率。

关键词：射频能量收集低功率射频信号匹配电路倍压整流系统

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射频能量收集的小型化双频整流天线设计

重庆大学学报（自然科学版） 2018年第11期41卷 66-75页

作者：周晓萌郭松涛西南大学电子信息工程学院重庆400715

针对传统的双频整流天线转换效率不高的问题,提出了一种用于射频(RF,radio frequency)能量收集的双频整流天线。其工作频段为1.75GHz和2.45GHz,主要由接收天线、阻抗匹配电路、二倍压整流电路和负载电路组成。基于小型化双频天线,引入... 详细信息

针对传统的双频整流天线转换效率不高的问题,提出了一种用于射频(RF,radio frequency)能量收集的双频整流天线。其工作频段为1.75GHz和2.45GHz,主要由接收天线、阻抗匹配电路、二倍压整流电路和负载电路组成。基于小型化双频天线,引入一种新型双频阻抗匹配网络,以提高整流电路在较低输入功率下的射频-直流(RF-DC)转换效率。此外,采用新型阻抗匹配网络使得整流电路复杂度得以降低,减小了能量损耗。与传统的双频整流天线相比,-10dBm输入功率条件下,在普通室内环境中新型双频整流天线具有更高的RF-DC转换效率。实验结果显示,在1.75GHz GSM频段和2.45GHz WLAN频段上最大RF-DC转换效率分别可以达到65.34%和54.3%。测试结果证明,其可以在物联网低功耗设备中得以应用。

关键词：射频能量收集整流天线双频天线转换效率物联网

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高效微瓦级射频能量收集系统的研究

高效微瓦级射频能量收集系统的研究

作者：李岚钰江南大学

学位级别：硕士

射频能量收集(Radio Frequency Energy Harvesting,RFEH)系统能够代替传统电池,将自然环境中的RF能量进行收集和利用,目前针对该系统的研究已引起了学术界和实际工程应用的广泛关注。针对RFEH系统的电路,本文开展了相关原理分析,设计了... 详细信息

射频能量收集(Radio Frequency Energy Harvesting,RFEH)系统能够代替传统电池,将自然环境中的RF能量进行收集和利用,目前针对该系统的研究已引起了学术界和实际工程应用的广泛关注。针对RFEH系统的电路,本文开展了相关原理分析,设计了接收天线、匹配电路、RF-DC整流电路和能量管理单元(Power Management Unit,PMU),分别进行了系统重要参数值的计算和仿真,建立了系统的功耗模型,并对电路的整体功耗进行分析。具体内容包括以下三个部分:(1)针对RFEH系统接收天线增益和效率低下的问题,设计了一种工作在GSM 900频段、高增益、低回波损耗的平面倒F天线(PIFA)。仿真结果表明,天线的回波损耗为0.6,带宽为130 MHz,在天线正上方的方向增益为3.2 d Bi,效率为93%,在普通环境中收集的能量值为-6 d Bm,电压值为300 m V,能够为后续电路提供电源。(2)针对传统RF-DC整流电路正向导通阈值电压高、输出电压低、功率转换效率(Power conversion efficiency,PCE)低的问题,提出了一种基于Dickson电荷泵的新型同步自阈值补偿倍压整流电路。设计了LC匹配电路将输入信号放大至1.04 V,保证了整流电路的启动;提出了新型开关和分压结合的电路结构,解决了正向阈值损耗和反向泄漏电流高的问题;设计了同步信号控制方案取代外置时钟信号,解决了额外电源功耗的问题;研究了输入功率水平、负载电阻和整流电路级数对整流性能的影响,建立了整流电路的高精度功耗模型,确定了整流电路能够达到PCE峰值时的各元件参数值和功耗值。仿真结果表明,在工作期间整流晶体管的等效阈值电压为0.05 V,整流电路的功耗为13.94μW,PCE为58%。(3)针对RF-DC整流电路输出电压纹波大,且无法直接为负载供电的问题,设计了新型PMU,能够对整流电路输出的电压进行高精度控制,达到负载直接供电的目的。提出了PMU系统框图,其中具体模块包含改进的启动电路、带隙基准(Bandgap,BG)电路、电压监测电路和稳压电路;并设计了逻辑控制电路对电路工作电压进行控制,以实现负载能量的最大功率传输;建立了PMU电路的功耗模型,对各个元件的功耗数值进行分析,并进行仿真验证。仿真结果表明,PMU电路功耗为9.52μW,PCE为62%。RFEH系统的整体仿真结果表明,本文所设计的微瓦级射频能量收集系统的整体PCE=31.77%,在无线能量传输和便携式设备供电等领域具有潜在的应用价值。

关键词：射频能量收集接收天线同步自阈值补偿倍压整流能量管理功耗模型

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微功率射频能量收集整流电路研究

微功率射频能量收集整流电路研究

作者：焦劲华东华大学

学位级别：硕士

随着物联网技术和无线传感网络技术的高速发展,人们对于低功耗电子设备的需求与日俱增,环保高效的射频能量收集技术,可以收集自由空间中的免费无线射频能量,在未来可能成为低功耗设备的最理想供能方式。目前,该技术中大功率传输技术还... 详细信息

随着物联网技术和无线传感网络技术的高速发展,人们对于低功耗电子设备的需求与日俱增,环保高效的射频能量收集技术,可以收集自由空间中的免费无线射频能量,在未来可能成为低功耗设备的最理想供能方式。目前,该技术中大功率传输技术还可以应用于微波驱动无人机、射频识别、偏远地区供能等多种场景。射频整流电路是射频能量收集系统的最关键部分,将直接决定无线射频能量采集系统的性能,同时还受系统的接收天线、充电电路等整合效率的影响。为了满足物联网场景应用中的微功率要求,论文主要关注于微功率输入条件下的检测灵敏度与检测效率,对小信号条件下整流二极管进行了建模,提升设计的准确性;设计一款宽输入功率整流电路及与其共轭匹配的接收天线,减少中间阻抗变换的反射能量损失;设计了毫伏级直流升压充电电路,构成了微能量收集的整体系统方案,系统工作频段为2.45GHz;主要研究内容和取得的成果包括以下三部分内容:(1)建立了小信号输入条件下的二极管电路模型。由于仿真软件中所采用的仿真模型没有考虑封装参数,与实测模型有一定误差,特别是在微功率的输入条件下。对二极管S参数进行了测量,基于相关参数进行了建模;利用Matlab仿真软件进行了数据拟合,得到了二极管自建模型的相关参数。(2)设计了一种应用于无线能量收集领域的宽输入功率整流电路。利用双支节结构提升小功率输入条件下的整流效率。基于二极管的非线性特性,引入了一种新的带阻结构来降低虚部阻抗并实现谐波抑制。为了提高不同功率输入条件下的整流效率,优化λ/4微带线来调节双支节整流器输入阻抗的变化,实现两个支路的功率比值由输入功率的值自动调整,同时满足0～15d Bm和-20～0d Bm高低输入功率的不同情况。设计一款新型阻抗压缩网络,实现整流电路在宽输入功率范围保持输入阻抗稳定,扩大了整流器的输入功率范围,最终制作了一款工作在2.45GHz下的宽输入功率整流电路,在-5dbm到12dbm输入功率范围内,整流效率均大于40%,0dbm时整流电路效率最高可到51.5%。最后设计了一款与整流电路输入阻抗共轭匹配的插入馈电微带贴片天线。(3)设计了一款基于LTC3108芯片的DC/DC升压充电电路。介绍了充电芯片的基本结构和升压原理,对比分析了两款充电芯片的适用场景,选择了冷启动电压更低的LTC3108作为充电电路的芯片,在LTspice中导入该芯片的Spice模型并连接好外部电路,仿真实现将低至20mv的直流输入电压提高到3.3V输出,选取超级电容储存输出的直流能量,并且在AD中绘制原理图和版图以便后续实测,最终整合整流电路、接收天线、充电电路实现宽输入功率范围射频能量收集系统,并分析该系统可行性与效果。

关键词：射频能量收集整流电路二极管建模宽输入功率范围

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双频无线射频能量收集系统的设计

华南理工大学学报（自然科学版） 2018年第8期46卷 38-45页

作者：靳贵平曾广德邓楚虹华南理工大学电子与信息学院广东广州510640

为了尽可能高效地吸收和整流分布在周围自然空间中的射频能量,提出了一种工作在GSM-1800和UMTS-2100频段的双频射频能量收集系统的设计方法:系统的接收天线部分采用结构简单的宽带八木天线;系统的整流电路部分为应用于低输入功率的双频... 详细信息

为了尽可能高效地吸收和整流分布在周围自然空间中的射频能量,提出了一种工作在GSM-1800和UMTS-2100频段的双频射频能量收集系统的设计方法:系统的接收天线部分采用结构简单的宽带八木天线;系统的整流电路部分为应用于低输入功率的双频整流电路;整流电路的匹配电路部分使用微带线匹配,没有使用任何分立贴片元件,以保证整流电路在高频时稳定的性能,同时降低电路实际加工制作的复杂度.最后对系统整体进行了实验室和室外环境的联合测试.实测结果表明,文中提出的双频无线射频能量收集系统在-20～-5 dBm低输入功率下,能够在1. 8 GHz和2. 1 GHz频段获得良好的双频匹配,并且在-5 dBm输入功率下获45%的整流效率,且具有从环境中收集射频能量并输出一定直流电压的能力.

关键词：射频能量收集接收天线整流电路低能量密度