一种基于双T型阻抗匹配的双频带射频能量收集系统

本发明涉及射频能量收集，尤其涉及一种基于双t型阻抗匹配的双频带射频能量收集系统。

背景技术：

1、随着物联网技术的发展，对环境的感知需求不断增加，常常要求一个无线设备通过其搭载的各种传感器，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，再通过网络接入，实现万物互连。然而，随着功能的增多，设备的功耗也随之增大，供电也就成为了一个问题。

2、在无线传感器中，分为有源传感器与无源传感器，有源传感器使用过程中，需要人工频繁的更换电池，这造成了极大的不便，而无源传感器却没有这个问题。在众多无源传感器领域中，常用的能量来源主要有太阳能和射频能量，太阳能的获取对于环境要求比较苛刻不能人为控制能量来源，因此使用此类传感器主要受太阳轨迹和光照时间的影响比较大。而射频能量收集技术可以控制发射源的输出方向以及功率以实现全天候收集，同时还为通信提供了可靠信道。其中，最典型的例子就是crfid(computational radio frequencyidentification)标签，它使用了射频能量收集技术，可以远程为标签上的各种传感器供电。同时，采用后向散射通信方式将数据传输给阅读器。这样，上位机就可以方便地获取场景中所有标签的各种测试数据。

3、但是对于被动rfid标签来说，通信频道920mhz-925mhz中的能量已经可以满足绝大多数的需求，但是随着crfid标签的功能增多，其功耗也随之加大，单一频道收集能量已不足以提供各类传感器的使用。如何解决单一能量不足问题是优化能量收集系统的一个挑战。而且当天线收集回阅读器发送的电磁波后，crfid标签需要通过整流电路把高频信号转化为可用的直流电(direct current)。但整流电路的导通阈值会随着二极管的数量增加而提高，导致整个电路的导通阈值电压较高，影响在低输入功率下的使用。同时电路最大转化效率会随着升压阶数的提升而向高输入功率偏移。因此，在转化的过程中，如何在低输入功率下保证整流电路的高转化率是优化能量收集系统的另一个挑战。

技术实现思路

1、为克服现有射频能量收集系统具有单一能量不足以及高升压阶数导致的最高效率点偏移的技术缺陷，本发明提供了一种基于双t型阻抗匹配的双频带射频能量收集系统。

2、本发明提供了一种基于双t型阻抗匹配的双频带射频能量收集系统，包括依次连接的标签接收天线、整流电路、直流升压电路、能量存储模块以及负载；所述标签接收天线为基于交叉偶极子结构的圆极化双频天线，所述圆极化双频天线包括介质层以及两个偶极子天线臂，其中两个偶极子天线臂分别印制在所述介质层的顶部和底部两个面上，两个所述偶极子天线臂中心对称；每个所述偶极子天线臂由互成90°的两个枝节贴片组成；

3、构建两个位置对称的虚拟正六边形，所述偶极子天线臂的其中一个枝节贴片从第一虚拟六边形的第一个端点起绕第一虚拟六边形的棱边延伸至其第六个端点，另一个枝节贴片从第二虚拟六边形的第一个端点起绕第二虚拟六边形的棱边延伸并越过其第六个端点，所述偶极子天线臂的两个枝节贴片的起点由直角形贴片相连接，所述直角形贴片的两条贴片本体等长，且直角形贴片的两条贴片本体延长线分别过两个虚拟六边形的中心点；

4、所述整流电路为包括匹配电路和射频转直流电路的双频带整流电路；匹配电路包括a段微带线、b段微带线、c段微带线以及两个t形匹配子电路，射频转直流电路包括第一rf-dc电路和第二rf-dc电路，标签接收天线的输出端连接至a段微带线的输入端，b段微带线和c段微带线的第一端并联后连接至a段微带线的输出端，b段微带线的第二端通过其中一个t形匹配子电路连接至第一rf-dc电路的输入端，c段微带线的第二端通过另一个t形匹配子电路连接至第二rf-dc电路的输入端，第一rf-dc电路和第二rf-dc电路的输出端并联后作为直流输出端连接至直流升压电路，第一rf-dc电路所在支路用于整流频率为f1的频段信号，第二rf-dc电路所在支路用于整流频率为f2的频段信号，其中f2>f1；

5、a段微带线的设计步骤为：

6、首先使用传输线方程(1)求出zin，

7、

8、式(1)中，z0为a段微带线的传输线阻抗，zl为负载阻抗，zin为输入阻抗，θ0为电弧度长度；

9、然后根据整流电路对a段微带线逆向求得：

10、

11、

12、其中，r＝f2/f1,同时满足zout＝1/yout＝rout+jxout@f1和zout＝1/yout＝rout-jxout@f2利用其共轭关系，反向化解出：

13、

14、

15、至此，a段微带线设计完成，由于后续依然需要阻抗匹配，所以b段微带线阻抗z1和c段微带线阻抗z2满足z1＝z2＝rout，使用下列公式(6)、(8)求出rout，其虚部xout利用后续t形匹配子电路进行弥补；

16、微带线的宽度为w，基片厚度为h，当时，

17、

18、式(6)中系数εeff为：

19、

20、式(7)中，εr为基片的介电常数；

21、当时，

22、

23、式(7)中系数εeff为：

24、

25、由公式(6)、(7)可得出已知基片厚度h、相对介电常数εr和特征阻抗z0，则可求出微带线的宽度w如公式(10)：

26、

27、式(11)中，

28、

29、

30、然后通过求得的微带线宽度w,继续利用相位转化公式(11)求得微带线长度l，

31、

32、则根据公式(10)、(11)，分别计算出a段微带线、b段微带线、c段微带线的宽度和长度。

33、本发明中，将偶极子天线臂的两个枝节贴片设置为弯曲结构，可以减小标签接收天线的体积。为了抑制920mhz附近频道的增益，加强主要频道的增益，所以每个反向弯曲的枝节都要距离较远，以减少附近频道对主要频道的影响，综合以上因素本文提出了类似六边形的天线臂。通过调整两个所述偶极子天线臂的粗细和所述偶极子天线臂的枝节贴片的相对长度，达到接收频率宽频带和圆极化的目的。介质层采用厚度为d的fr-4材质的介质，损耗角为0.02，在920mhz高频信号下介质常数是4.4。其中，第一虚拟六边形和第二虚拟六边形结构尺寸一致，其棱边a＝13mm，棱边以及直角形贴片的宽g＝1.2mm，与介电层顶部的偶极子天线臂相连的标签接收天线的输入端的长lf＝32mm，直角形贴片的两条贴片本体的长度l＝14.5mm，介质层的边长w＝60mm，与介电层顶部的偶极子天线臂相连的标签接收天线的输入端的宽wg＝7.5mm；所述偶极子天线臂的其中一个枝节贴片从第一虚拟六边形的第一个端点起绕第一虚拟六边形的棱边延伸至其第六个端点，该枝节贴片的起点到末点的长为lb＝6.8mm；另一个枝节贴片从第二虚拟六边形的第一个端点起绕第二虚拟六边形的棱边延伸并越过其第六个端点，该枝节贴片的起点到末点的长为lb1＝3.9mm。

34、整流电路包括匹配电路和射频转直流电路，其中匹配电路使天线接收到的射频输入功率的反射损耗最小化，射频转直流电路在将可接收的射频信号转换为可用的直流电源方面起着至关重要的作用。依据本发明要求保护的标签接收天线的结构特性，重新设计的整流电路必须在低输入功率下满足高转化率，小体积和适用双频带的条件。基于此，本发明提出了一种基于双t型匹配的双频带整流电路，更好的配合本发明要求保护的标签接收天线，完善整个能量收集系统。

35、本发明中整流电路的大体流程为：标签接收天线接收回来的双频带电磁能量，频率分别为f1、f2(f2>f1)，通过a段微带线，使f1、f2频段上的输出阻抗达到共轭效果，然后两个频带的输出阻抗分别对应b、c两条路的输入阻抗，通过b、c两路的t型匹配后，分别对f1、f2两个频率的射频信号进行整流，最后直流输出给直流升压电路。

36、在设计阻抗匹配电路的过程中：由于两种不同频率(即zin＝r1+jx1@f1和zin＝r2+jx2@f2)下的两种不同的复合负载阻抗是不相关的，所以需要通过a段微带线将这些阻抗转换为共轭相关阻抗：zout＝1/yout＝rout+jxout@f1和zout＝1/yout＝rout-jxout@f2，从而利用共轭信号在实际使用时干扰较少的原理，减少两路t型匹配子电路在电磁反馈通路中对于收集能量的损耗。此外，之所以使用微带线先进行实部匹配，是因为在实部相等的情况下，t型匹配子电路只需调控虚部匹配即可，这将大大降低了后续利用集总参数元件进行t型匹配的设计难度。虚部xout利用后续t型匹配进行弥补，这样便能大大简化t型匹配子电路在实际操作中的匹配难度。

37、优选的，第一rf-dc电路所在支路用于整流的频段信号的频率f1为915-925mhz；第二rf-dc电路所在支路用于整流的频段信号的频率f2为2.4-2.5ghz。本发明要求保护一种基于双t型阻抗匹配的双频带射频能量收集系统，其主要频道为915-925mhz和2.4-2.5ghz，其中915-920mhz为crfid系统通信频道，此套系统可帮助crfid标签大大改善能量不足而导致的系统宕机和数据丢失等情况。与此同时，本系统带有电源管理部分在条件充足的情况下，可为微型传感器提供稳定的3.3v电源支持，使传感器变成无源传感器，以此来摆脱对电池的依赖，方便其在无人工的环境下大规模部署。除此之外，本发明自身还带有的接收2.4-2.5ghz的信号频带，大大增强了其设备部署在室内的稳定性。

38、本发明提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：为了解决单一频道能量不足的问题，选取生活中最常见的2.4-2.5ghz频段，以及本身用于crfid通信的915mhz-925mhz频段；为了解决高升压阶数导致的最高效率点偏移的问题，本发明针对双频段天线重新设计了射频前端结构，而且还提供了一种基于双t型匹配的双频带整流电路，该整流电路利用共轭阻抗关系降低了两个频率的阻抗干扰，并成功把两种不同频率的信号分离开来，使得整个整流电路可以同时整流915mhz-925mhz和2.4-2.5ghz两个频带的型号；当具体为920mhz和2.45ghz两个频带的信号时，其转化率在920mhz和2.45ghz频道上的峰值分别在72.8％@0dbm，38.7％@-2dbm以上；在-20dbm至-14dbm之间，2.45ghz均保持在10％以上，920mhz保持在20％以上。