射频能量收集电路设计(附件)【字数：13034】
摘 要摘 要针对人体植入式设备中需要二次手术更换电池的缺点，设计了一种射频能量收集电路用于无线能量传输。射频能量收集电路主要由接收天线模块和射频前端模块两部分构成。接收天线模块包括天线和LC匹配网络，射频前端模块包括多级倍压整流网络、稳压元件和储能电容等。 该射频能量收集电路的主要工作原理是射频信号经由无线通讯设备（如手机等）或射频信号发生器产生，被射频功率放大器放大后由射频能量收集器收集，供给低功耗的电子设备使用。该电路设计主要完成的工作有 （1）完成接收端与倍压整流网络的功率匹配，通过ADS仿真测得电容和电感在功率最大化传输时的数值；（2）完成电路设计；（3）完成PCB电路图并焊接；（4）对电路进行测试和分析。本文设计的射频能量收集电路有900MHz和2.4GHz两种天线接收方式。采用三种方式传输能量，发现LED灯和二极管都能被点亮，证明了电路收集到了微弱的能量。通过对电路输入不同的功率、接入不同的负载阻抗、改变多级倍压整流网络的级数和射频发射信号与天线之间的距离分别进行了测试。测试结果发现，输出电压的大小跟这些都有关系。因此电路的有效性及能量收集效率仍待提高。接下来，对电路进行了优化改进，采用一种多天线射频能量收集电路、四级并联的方式，用四个天线同时接收射频能量。测试后发现这样收集到的能量远高于最初接收到的能量。对电路进行测试，发现输出电压随着天线位置由表皮移向肌肉层而逐步下降。经多次测试及研究，总结出了影响射频能量收集电路性能的几个关键因素,例如发送信号的幅度、接收的距离以及天线的方位等。关键词: 阻抗匹配、倍压整流、RF能量收集、LC匹配
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景及目的 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究目的及意义 2
1.2 课题研究现状与发展趋势 2
1.2.1 研究现状 2
1.2.2发展趋势 2
1.3 本文主要工作 2
第二章 射频能量收集电路整体框架 4
2.1 射频能量收集技术 4
2.2 基本思路 4
2.3设计指标 5
第三章 射频能量收集电路实现 7
3.1电路设计 7
3. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
1.1 接收天线模块 7
3.1.2 射频前端模块 7
3.2 PCB设计 9
3.3 阶段性成果 10
第四章 射频能量收集电路测试 12
4.1 初步测试 12
4.2 影响输出电压的因素 14
4.3射频能量发射端设计 15
第五章 电路优化改进测试 22
5.1 电路改进 22
5.1.1 改进思路 22
5.1.2 PCB设计 23
5.2 微带天线测试 24
5.3 模拟测试 25
5.4 小结 26
第六章 总结与展望 27
6.1 创新点 27
6.2关键技术及难点 28
6.3 下一步计划 28
结 论 30
致 谢 31
参考文献 32
第一章 绪论
1.1研究背景及目的
1.1.1 研究背景
现如今,随着科学技术的飞速发展，出现了很多的小型电子设备和无限通讯设备,如通过蓝牙连接的耳机,遥控器、记步手环，手机等等,这些无线电子设备主要是利用电池来维持正常的工作[1]在我们周围的环境中，有很多的射频能量，随着人类数量的增多，它的能量也会越多，频率就更多。收集这些环境中的射频能量可以使一些低消耗的小型电子设备正常运行工作，而且，这些能源是可再生能源，没有客观因素的限制。所以，我们可以将这些能量收集起来储存在电池介质中，就算不收集能量，设备也会正常工作。现如今，越来越多的小型系统都在应用射频能量的收集技术。
很长时间以来，相关的工作人员经过长期不懈的努力，一直致力于研究如何降低电子设备的功耗加长传统电池的使用寿命。但是电池还是有一些缺点，一方面无线体积会增大，而且使用时间有限制。某些特殊环境的无线设备,更换电池也需要相当大的成本,如没有线传感器网络节点,植入式医疗电子设备,无线通信电子设备等；此外,使用电池很容易造成环境污染,和频繁的电池更换设备的无线传感器网络将在一定程度上也造成损害。最后,对于一些不常用,方便更换电池的电子设备,或者是电池的更换是困难的和危险的高电子产品,如在高海拔和高温度或高山和强辐射环境状况在许多无线传感器设备,更换电池也存在巨大的风险[3]。因此,电池的使用无线通讯设备或其他低功耗电子产品,必将被取代。
由于无线电频率能量,方便,没有污染,也没有资源有偿使用的损失目前更可行的获取电能的方法,特别是对于植入式微型设备,如果射频能量可以通过无线的能量转换频率，改善以往的人体移植使用电池的设备还要更换电池的不足,并且能简单便捷的提供所需能量。所以,此文对于人体的植入式医疗设备供电问题,设计了一种RF能量收集的放大。
随着科学技术的发展,人类植入电子设备已经逐渐引起了了人们的注意力,如心脏起搏器、人工心脏,我相信很多人对它的有了自己的理解。
1.1.2 研究目的及意义
通过对射频能量收集电路的的设计完成,克服传统电源的限制,可用于电源功耗较低,具有一定的实用价值和应用前景。具体的可以应用在下列情形:
1、植入式医疗电子设备。射频能量收集电路可以对植入式设备供电,供电方法不仅避免感染,且不损害皮肤,在某种程度上减轻疼痛治疗，并且可以明显的加快病人治疗的进度。
2.无线传感器网络。有些低消耗电子设备利用传感器节点使用电池供电，但是电池的使用时长有限制，这会影响整个传感器网络的使用的周期。如果无线传感器网络使用射频电源能量收集技术,射频能量可以在传感器节点中直接将电流转化给电源供电，这样的话，就脱离了对传统电池的依赖。
3,无线的小型电子设备。环境中有非常多的射频能量在我们周围。无线电频率的能量收集许多低功耗电子设备提供更大的便利,低功率电子设备,确保正常工作的同时,它也有一个低成本的集合,无限的距离和其他重要的优势。通过这种方式,射频能量收集技术可以应用于多种小型系统。
1.2 课题研究现状与发展趋势
1.2.1 研究现状
国内研究现状
现如今,RF能量收集技术常用在我们日常的生活中,如随处可见的wifi网络,在多种场合应用的传感器(如温度报警传感器)等等,都是基于射频能量收集技术。近年来,人们渴望尝试基于无线射频能量收集技术的电子产品,无论是医疗,农业和工业生产领域,可以找到电子产品的射频电源的痕迹。与无线电频率能量收集技术的广泛应用,电子产品已经成为越来越多的精度和小型化,这让无线电频率能量收集的广阔的应用前景。目前,中国的比亚迪公司正在研究射频能量收集技术。
1.2.2发展趋势
集成化、微型化、智能化、阵列化的主要发展方向是当前环境下射频能量收集技
术。一般来说,用一个硅整流二极管整流器(微波),基本上很难满足设备的供电需要。但是,如果阵列天线,最大程度上的收集环境的射频能量;同时,每个天线都来配备独立的整流系统。输出整流系统,串联电压加法器,并联电流求和或混合方法直接流叠加可以获得相对较大的能量。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景及目的 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究目的及意义 2
1.2 课题研究现状与发展趋势 2
1.2.1 研究现状 2
1.2.2发展趋势 2
1.3 本文主要工作 2
第二章 射频能量收集电路整体框架 4
2.1 射频能量收集技术 4
2.2 基本思路 4
2.3设计指标 5
第三章 射频能量收集电路实现 7
3.1电路设计 7
3. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
1.1 接收天线模块 7
3.1.2 射频前端模块 7
3.2 PCB设计 9
3.3 阶段性成果 10
第四章 射频能量收集电路测试 12
4.1 初步测试 12
4.2 影响输出电压的因素 14
4.3射频能量发射端设计 15
第五章 电路优化改进测试 22
5.1 电路改进 22
5.1.1 改进思路 22
5.1.2 PCB设计 23
5.2 微带天线测试 24
5.3 模拟测试 25
5.4 小结 26
第六章 总结与展望 27
6.1 创新点 27
6.2关键技术及难点 28
6.3 下一步计划 28
结 论 30
致 谢 31
参考文献 32
第一章 绪论
1.1研究背景及目的
1.1.1 研究背景
现如今,随着科学技术的飞速发展，出现了很多的小型电子设备和无限通讯设备,如通过蓝牙连接的耳机,遥控器、记步手环，手机等等,这些无线电子设备主要是利用电池来维持正常的工作[1]在我们周围的环境中，有很多的射频能量，随着人类数量的增多，它的能量也会越多，频率就更多。收集这些环境中的射频能量可以使一些低消耗的小型电子设备正常运行工作，而且，这些能源是可再生能源，没有客观因素的限制。所以，我们可以将这些能量收集起来储存在电池介质中，就算不收集能量，设备也会正常工作。现如今，越来越多的小型系统都在应用射频能量的收集技术。
很长时间以来，相关的工作人员经过长期不懈的努力，一直致力于研究如何降低电子设备的功耗加长传统电池的使用寿命。但是电池还是有一些缺点，一方面无线体积会增大，而且使用时间有限制。某些特殊环境的无线设备,更换电池也需要相当大的成本,如没有线传感器网络节点,植入式医疗电子设备,无线通信电子设备等；此外,使用电池很容易造成环境污染,和频繁的电池更换设备的无线传感器网络将在一定程度上也造成损害。最后,对于一些不常用,方便更换电池的电子设备,或者是电池的更换是困难的和危险的高电子产品,如在高海拔和高温度或高山和强辐射环境状况在许多无线传感器设备,更换电池也存在巨大的风险[3]。因此,电池的使用无线通讯设备或其他低功耗电子产品,必将被取代。
由于无线电频率能量,方便,没有污染,也没有资源有偿使用的损失目前更可行的获取电能的方法,特别是对于植入式微型设备,如果射频能量可以通过无线的能量转换频率，改善以往的人体移植使用电池的设备还要更换电池的不足,并且能简单便捷的提供所需能量。所以,此文对于人体的植入式医疗设备供电问题,设计了一种RF能量收集的放大。
随着科学技术的发展,人类植入电子设备已经逐渐引起了了人们的注意力,如心脏起搏器、人工心脏,我相信很多人对它的有了自己的理解。
1.1.2 研究目的及意义
通过对射频能量收集电路的的设计完成,克服传统电源的限制,可用于电源功耗较低,具有一定的实用价值和应用前景。具体的可以应用在下列情形:
1、植入式医疗电子设备。射频能量收集电路可以对植入式设备供电,供电方法不仅避免感染,且不损害皮肤,在某种程度上减轻疼痛治疗，并且可以明显的加快病人治疗的进度。
2.无线传感器网络。有些低消耗电子设备利用传感器节点使用电池供电，但是电池的使用时长有限制，这会影响整个传感器网络的使用的周期。如果无线传感器网络使用射频电源能量收集技术,射频能量可以在传感器节点中直接将电流转化给电源供电，这样的话，就脱离了对传统电池的依赖。
3,无线的小型电子设备。环境中有非常多的射频能量在我们周围。无线电频率的能量收集许多低功耗电子设备提供更大的便利,低功率电子设备,确保正常工作的同时,它也有一个低成本的集合,无限的距离和其他重要的优势。通过这种方式,射频能量收集技术可以应用于多种小型系统。
1.2 课题研究现状与发展趋势
1.2.1 研究现状
国内研究现状
现如今,RF能量收集技术常用在我们日常的生活中,如随处可见的wifi网络,在多种场合应用的传感器(如温度报警传感器)等等,都是基于射频能量收集技术。近年来,人们渴望尝试基于无线射频能量收集技术的电子产品,无论是医疗,农业和工业生产领域,可以找到电子产品的射频电源的痕迹。与无线电频率能量收集技术的广泛应用,电子产品已经成为越来越多的精度和小型化,这让无线电频率能量收集的广阔的应用前景。目前,中国的比亚迪公司正在研究射频能量收集技术。
1.2.2发展趋势
集成化、微型化、智能化、阵列化的主要发展方向是当前环境下射频能量收集技
术。一般来说,用一个硅整流二极管整流器(微波),基本上很难满足设备的供电需要。但是,如果阵列天线,最大程度上的收集环境的射频能量;同时,每个天线都来配备独立的整流系统。输出整流系统,串联电压加法器,并联电流求和或混合方法直接流叠加可以获得相对较大的能量。
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