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一种超宽带能量收集整流天线设计
2022年电子技术应用第2期
薛 亮,白 雪,徐雷钧
江苏大学 电气信息工程学院,江苏 镇江212013
摘要:为了更好地利用空间无线电波RF能量,设计了一款覆盖谐振频率为1~14 GHz宽带天线,并针对2.4 GHz进行整流天线设计。天线主体为一个圆形贴片,在地面通过开圆形槽的方式,改变辐射单元表面电流强度,实现宽带谐振和增强辐射的作用。天线在2.4 GHz处为最佳谐振点,此频段对应的最大增益为6.26 dBi。为了使整流天线小型化,将匹配整流电路与收集天线一体化设计。经过测试:整流天线在2.4 GHz时最大转换效率为56.76%,对应的最大输出直流电压为2.61 V。
中图分类号:TN710
文献标识码:A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.211742
中文引用格式:薛亮,白雪,徐雷钧. 一种超宽带能量收集整流天线设计[J].电子技术应用,2022,48(2):96-100.
英文引用格式:Xue Liang,Bai Xue,Xu Leijun. Design of an ultra-wideband energy harvesting rectifier antenna[J]. Application of Electronic Technique,2022,48(2):96-100.
Design of an ultra-wideband energy harvesting rectifier antenna
Xue Liang,Bai Xue,Xu Leijun
College of Electrical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China
Abstract:In order to make better use of RF energy of space radio waves, a broadband antenna covering resonant frequency from 1 to 14 GHz is designed, and a rectified antenna is designed for 2.4 GHz. The main part of the antenna is a circular patch. By opening a circular slot on the ground, the surface current intensity of the radiation unit is changed to achieve broadband resonance and enhance radiation. The antenna is the best resonant point at 2.4 GHz, and the maximum gain corresponding to this frequency band is 6.26 dBi. In order to miniaturize the rectifier antenna, the matching rectifier circuit and the collecting antenna are integrated.After testing: the maximum conversion efficiency of the rectifier antenna at 2.4 GHz is 56.76%, and the corresponding maximum output DC voltage is 2.61 V.
Key words :energy harvesting;rectifier efficiency;ultra-wideband rectifier antenna

0 引言

无线通信技术日新月异,已经成为人们日常生活的一个组成部分。人们可以很容易接收到电视、蜂窝网络和Wi-Fi信号。通过射频能量收集技术,这些信号可以为一些低功耗设备供电。因此,射频能量收集被认为是一种越来越重要的技术[1]。射频能量收集的原理是通过天线接收空间无线电磁波,对无线电磁波能量进行整流,转换成直流能量储藏在大电容中,从而实现能量获取的目的[2]。随着5G的普及,环境中的频谱资源日益丰富,作为接收射频能量的天线受到广泛关注[3-4]。同时,能够覆盖多频率范围的宽频天线成为人们的研究热点[5]

文献[6]在0.85~1.94 GHz的频段内有较好的性能但带宽很窄;文献[7]通过给天线开槽,实现宽带;文献[8]通过增加介质层数,实现宽带;文献[9]则采用阵列天线实现宽频,但结构复杂,占用面积大,设计难度增加。文献[10]中频宽为1.7 GHz,整流电路效率仅为8%,而文献[11]中,频宽0.3 GHz,整流效率却提高到了15%。文献[12]设计了一种改进型双槽天线,带宽为0.866~1.41 GHz和1.7~3 GHz。文献[13]设计了一种新型三分支整流电路,最大整流效率为61.7%。文献[14]设计了一种双频段带通LC实现双频化。文献[15]设计了一种新型三分支整流电路,最大整流效率为61.7%。因此,需要从多个窄频带做整流电路,而不是从整个宽频带。本文设计了一款能够覆盖3G、4G、Wi-Fi频段的宽频高增益天线,在天线的接地板通过开圆形槽的方式,增加天线带宽,另一方面,提高了天线在工作频段内的增益。该天线在1~14 GHz时S11<-10 dB,在最大辐射方向增益可达6.26 dBi。天线在整个工作频段内特性稳定,在宽带范围内可进行能量收集。并且在性能最佳的2.4 GHz频带内在天线上做整流电路,设计了一款小型化高转换效率整流天线。




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作者信息:

薛 亮,白 雪,徐雷钧

(江苏大学 电气信息工程学院,江苏 镇江212013)




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