1 800 MHz射频能量收集系统仿真与分析

铁欢欢，刘高平

（浙江万里学院 EDA重点实验室，浙江 宁波315100）

射频能量收集系统的输出电压以及功率转换效率（PCE）是衡量系统性能的两个重要参数。本文电路工作在1 800 MHz频段，主要由接收天线、阻抗匹配电路、六阶整流倍压电路和负载电路构成，在ADS仿真时信号源功率在-30 dBm~0 dBm之间变化、负载电阻值在100 kΩ~500 kΩ之间变化，观察整个电路输出电压和功率转换效率的变化情况。结果表明，增大入射功率和负载电阻都能提高电路输出电压，PCE随着入射功率的增强而增大但会随着负载电阻的增大而减小，收集较大功率射频信号的系统无论是输出电压还是功率都可以满足低功耗设备的工作需求。

射频能量收集；输出电压；功率转换效率；Advanced Design System（ADS）仿真

中图分类号： TM619

文献标识码： A

DOI： 10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.039

中文引用格式： 铁欢欢，刘高平. 1 800 MHz射频能量收集系统仿真与分析[J].电子技术应用，2017，43(6)：155-158.

英文引用格式： Tie Huanhuan，Liu Gaoping. Simulation and analysis of 1 800 MHz RF energy harvesting system[J].Application of Electronic Technique，2017，43(6)：155-158.

0 引言

随着无线通信技术的发展，便携式无线通信设备或网络节点已经被普遍应用，电池仍然是这些设备的主要能量来源[1]，由于电池寿命有限，因此吸引了许多企业和研究人员提出新的方法和技术去延长移动设备的寿命[2]，能量收集技术便是其中之一。能量收集是俘获和存储外部环境中的能量并且转化成电能的过程，环境中可用来收集的能量有太阳能、温差能、机械能、风能、射频信号[3，4]等多种形式。射频能量收集是从无线能量传输技术发展而来[5]，既可以收集环境中的射频信号，也可以收集特定发射器产生的射频信号[6]。环境中存在大量的射频能量源向外辐射可收集的射频信号，比如移动通信系统、WiFi基站、无线路由器、电视无线广播基站等[5，6]。射频能量收集作为一种绿色和可回收技术已有诸多应用，包括在便携式医疗设备、RFID标签、生物遥测技术和无线传感网络等领域[7]。

一个完整的射频能量收集系统可以将射频信号有效地转换成直流电能并且存储起来给负载供电，这就需要一个高效的接收天线将空气中的射频信号收集起来，同时需要RF-DC整流器将射频信号转化成可供设备工作的直流电，为了实现接收天线到整流器间的最大功率传输，还需要在天线与整流器之间设计一个阻抗匹配电路，完整的射频能量收集系统结构如图1所示。本文采用一个工作在1 800 MHz频段的射频能量收集电路，通过ADS仿真软件验证电路的可行性，并且分别改变信号源的输入功率和负载电阻值测量电路的输出电压和功率转换效率，分析影响电路性能的因素以及变化规律。

1 结构设计和原理

接收天线是射频能量收集系统的信号采集器，整流倍压电路既可以将交流信号转换成直流信号，又可以起到升压的效果[8]，由于天线的输入阻抗通常与倍压电路的输入阻抗不匹配，会在连接处产生信号反射，为了实现最大功率传输，需要在天线与整流电路之间设计一个阻抗匹配电路。下面重点介绍射频能量收集系统三个部分的原理和特点。

1.1 接收天线

接收天线是射频能量收集系统的一个重要部分，可以将环境中分布的射频信号转化成高频电信号。天线通常工作在一定频带内，因此一种天线往往只能发射和接收频带范围内的射频信号。射频能量收集系统的作用是转化电能为设备供电，因此接收天线需要有较高的增益和较大的带宽。信号端口的回波损耗（S11）是一个衡量天线性能的重要参数，用来反映天线与其他设备连接处的信号反射情况，S11越小表明天线的性能越好，为了便于与其他设备进行阻抗匹配，天线的输入阻抗通常设置成50 Ω。图2为一个微带天线的S11参数随频率分布图，图3为天线输入阻抗的Smith圆图。

图2表示天线的谐振频率为1.8 GHz，并且在此频率下的回波损耗为-41.9 dB，图3表示天线工作在1.8 GHz频率下的归一化阻抗为(0.9854-0.0065i)Ω，由于归一化参考阻抗为50O Ω，因此输入阻抗为(49.27-0.325i)Ω，很接近50 Ω。本文的电路使用ADS软件进行仿真，在仿真过程中采用一个阻抗为50 Ω的单音功率源代替阻抗为50 Ω的接收天线。

1.2 整流倍压电路

整流倍压电路是整个射频能量收集系统的关键，关系着整个系统的输出电压和功率转换效率。本文采用维拉德整流倍压拓扑结构，单阶电路即可以输出两倍于输入信号的电压，通过多阶电路级联可以产生任意的输出电压[8]。单阶的维拉德整流倍压拓扑结构如图4所示，其中C1、D1产生一个电压钳位，C2、D2实现峰值整流，具体的原理为：当输入信号(Vin)为负半周时，二极管D1导通、D2截止，电流通过D1将电能储存在电容C1中，由于电流通过D1时需要克服二极管的阈值电压Vth，因此存储在C1的电压为：

当输入信号为正半周时，二极管D1截止，D2导通，电流通过D2为电容C2充电，由于C1的电压为V1，D2的阈值电压为Vth，因此在整个回路中，C2两端的电压V2为：

上文提到为了得到想要的输出电压值，可将图4所示的单阶电路级联，由前面的分析方法可知，之后电路中每一个电容两端的电压都为2(Vin-Vth)，经过N阶电路的级联，最终的输出电压等于N个端电压为2(Vin-Vth)的电容串联的电压值，即输出电压VC为：

由式(3)可知，单就电路本身而言，倍压级数N和二极管阈值电压Vth都能影响倍压电路的输出电压，并且当输入信号的幅值Vin小于二极管阈值电压Vth时，电路将没有电压输出，由于接收天线收集到的射频信号可能很微弱，为了保证系统输出理想的电压值，应使Vth尽可能的小。肖特基二极管具有较低的阈值电压，和非常快的转换速度，非常适合在射频能量收集电路中使用，本文中使用阈值电压可以低至150 mV的HSMS2852。为了保证电路在较弱输入信号的情况下能输出有效的电压，本文采用一个六阶的维拉德整流倍压电路。

1.3 阻抗匹配电路

射频电路中，如果源内阻与后级电路阻抗不匹配，就容易使信号在连接处形成反射，造成能量损耗。阻抗匹配电路是一个无源网络，可以转换后级电路的输入阻抗，通过阻抗匹配可以使后级电路的输入阻抗值与源内阻值互为共轭值，称为共轭匹配，实现信号由源到负载的最大功率传输。在射频能量收集系统中，接收天线相当于能量源，而倍压电路则作为后级电路，由2.1可知信号源的内阻为50 Ω，使用ADS软件的S参数仿真控制器测得六阶维拉德整流倍压电路的输入阻抗为（2.1-26.6i）Ω，显然天线与倍压电路之间需要进行阻抗匹配。文中使用ADS软件的Smith Chart Utility获取匹配电路，利用Smith圆图设计阻抗匹配的过程如图5所示，匹配电路如图6所示。

2 整体电路分析

完整的射频能量收集电路如图7所示，其中负载电路中的电容用来储存系统输出的电能并且起到滤波的作用，最终输出电压加载在负载两端。电路中已经在源和倍压电路之间插入阻抗匹配电路，减小能量反射损可路耗，图8为源功率为-20 dBm时整个系统的回波损耗，可知即使在较弱功率输入的情况下整个系统在1 800 MHz频段也具有较好的传输性能，因此阻抗匹配不仅可以提升系统的传输特性，还可以提高系统收集信号的灵敏度。

对于射频能量收集系统，输出电压和能量转换效率是衡量系统性能的两个重要参数。系统的功率转换效率可用输出功率与入射功率之比表示[9]，即为：

上式中，Po表示输出功率，Pr表示入射功率，Vout表示输出电压，RL表示负载电阻，由式(4)可知系统的PCE与输出电压、入射功率和负载电阻有关。输出电压指信号经过倍压电路处理后加载在负载上的电压值，对于单独一阶的倍压电路，相当于一节开路电压为Vo、内阻为Ro的电池，由式(2)可知Vo与输入信号Vin有关，负载为RL时，输出电压为[8]：

由式(6)可知，系统输出电压与倍压阶数、倍压电路内阻、输入信号和负载电阻有关。由于本文采用肖特基二极管HSMS2852与普通电容构成的六阶倍压电路，因此影响系统输出电压和功率转换效率的因素主要是输入信号的功率和系统的负载电阻。

3 仿真结果与分析

采用ADS软件的谐波平衡仿真控制器对整个射频能量收集系统进行仿真，分别改变信号源功率和负载电阻的阻值，测量系统的输出电压与功率转换效率。

图9表示射频能量收集系统不同负载值的输出电压随信号源输入功率的变化情况，由曲线图可知，信号源输入功率越大则系统输出电压越大，并且增长的速度也变大，这是因为输入射频信号越强，幅度就越大，能够克服倍压电路中二极管阈值电压的信号就越丰富；另外随着负载电阻值的增大系统输出电压也会增大，并且增长的速度会变小，这可由公式(5)、(6)解释。仿真结果表明，当负载电阻为100 kΩ、入射功率为-30 dBm时输出电压最小，为40 mV，当负载电阻为500 kΩ、入射功率为0 dBm时输出电压最大，为5 332 mV。

图10表示射频能量收集系统不同负载值的功率转换效率随信号源输入功率的变化情况，由图可知，信号源输入功率越大系统的功率转换效率就越高，这是由于入射功率越强，能够转化成直流信号的射频信号就越多；随着负载电阻的增大，功率转换效率则变小，这与负载电流的选取有关[10]。经过仿真，当负载电阻为500 kΩ、入射功率为-30 dBm时功率转换效率最小，为1.0%，当负载电阻为100 kΩ、入射功率为0 dBm时功率转换效率最大，为53.0%。

4 结语

射频能量收集已经成为延长电池寿命的有效方法之一，电路的输出电压和功率转换效率分别决定了能否为后级电路提供充足的电压和功率，是衡量系统性能的重要参数。本文通过ADS软件仿真一个六阶倍压的射频能量收集电路，结果表明，负载电阻和入射功率都能影响电路的输出电压和功率转换效率，收集环境中的射频信号为设备供电存在一定的难度，但是收集固定射频发射机发出的较大功率信号，无论是输出电压还是输出功率都能满足低功耗设备的工作需求。

参考文献

[1] 韦保林，韦雪明，徐卫林，等.环境射频能量收集技术的研究进展及应用[J].通信技术，2014，47(4)：359-364.

[2] TARIS T，VIGNERAS V，FADEL L，et al.New Circuits and Systems Conference，2012 IEEE 10th International[C].Piscataway，NJ：IEEE，2012：445-448.

[3] BAKKALI A，PELEGRI-SEBASTIA J，SOGORB T，et al.A Dual-Band Antenna for RF Energy Harvesting Systems in Wireless Sensor Networks[J].Journal of Sensors，2016(11)：1-8.

[4] ALI M，ALBASHA L，QADDOUMI N，et al.Design & technology of integrated systems in nanoscale era[C].2013 8th International Conference on.Piscataway，NJ：IEEE，2013：78-81.

[5] KHANSALEE E，ZHAO Y，LEELARASMEE E，et al.A dual-band rectifier for RF energy harvesting systems[C].Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology，2014 11th International Conference on.Piscataway，NJ：IEEE，2014.1-4.

[6] BORGES LM，BARROCA N，SARAIVA HM，et al.Telecommunications，2014 21st International Conference on[C].Piscataway，NJ：IEEE，2014.308-312.

[7] PHAM BL，PHAM AV.Microwave Symposium Digest[C].2013 IEEE MTT-S International.Piscataway，NJ：IEEE，2013.1-3.

[8] DEVI KKA，DIN NM，CHAKRABARTY CK，et al.Optimization of the Voltage Doubler Stages in an RF-DC Convertor Module for Energy Harvesting[J].Circuits & Systems，2012，03(3)：216-222.

[9] 赵争鸣，王旭东.电磁能量收集技术现状及发展趋势[J].电工技术学报，2015(13)：1-11.

[10] 马宁.应用于双频段射频能量获取倍压整流器的设计[D].西安：西安电子科技大学，2014.

无线电射频能量的收集

大多数人没有意识到，我们周围总是有丰富的能量。我们整天都被能量波轰炸着。无线电和电视塔，环绕地球的卫星，甚至手机天线都在不断地传输能量。如果有一种方法我们可以收获正在传输的能量呢？如果有可能收集并储存这些能量，我们就有可能用它来为其他电路提供动力。对于手机来说，这种能量可以用来给不断耗尽的电池充电。移动电话和更复杂的设备，如口袋里的组织者，个人数字助理(pda)和笔记本电脑的潜力是存在的。

收获射频能量

能量收集元件是环境中存在的能量被捕获并转化为电能的过程。近年来，它已成为多学科的一个突出研究领域。太阳能、机械能、射频能、热能、电磁能、生物化学能、放射性能等多种能源采集方式已经被开发利用。

能量收集元件通常以毫瓦甚至微瓦的功率级运行。几乎所有的能源收集计划都需要各个阶段的电力调节和中间蓄电池或储存从环境中收集的能量的电容器。

当我们提到射频收获时，我们并没有提到专门为无线设备供电而设计的能源。相反，我们谈论的是我们可以从公共服务中收集到的能量。在城市和人口密集地区，有大量的射频源，如广播电台和电视台、移动电话基站和无线网络。人们有可能收集它们的部分能量，并将其转化为有用的能量。

图1: 电磁波谱与周围的应用

射频源

无线电波是电磁波谱的一部分，由磁性元件和电性元件组成。它们通过在一个频带内改变波的振幅、频率和相位的组合来携带信息。当与导体(如天线)接触时，电磁辐射会在导体表面产生电流，这就是所谓的趋肤效应。

通信设备利用10千赫至30千赫的不同频谱，使用天线传输和/或接收数据。对于2.4 GHz 和900mhz 频率，射频能量收集元件的最大理论功率为7.0 μW 和1.0 μW，自由空间距离为40m。在自由空间以外的环境中，信号的路径损耗是不同的。表 1 显示了不同的频谱及其特殊的应用。

不同的频段有不同的应用，图1显示了我们周围不同应用的电磁波谱。

射频能量收集系统的组件

图3示出了能量收集电路的组成部分。入射射频电源由多倍压器转换成直流电源。匹配网络由电感元件和电容元件组成，确保了从天线到多倍压器的最大功率传输。能量储存确保了电力平稳地输送到负载和作为储备时间，当外部能源是不可用的。这样的设计需要精心制作; 增加倍增器级数可以在负载处提供更高的电压，并减少通过最终负载支路的电流。这可能会导致不可接受的充电延迟储能电容器。

相反，较少的阶段的倍增器确保快速充电的电容，但电压产生的电容可能不足以驱动传感器尘埃(至少1.8 v，成为 + Vcc 的 mica2传感器)。

图2: 射频采集系统的框图

图3: 射频采集的部件

图4: 天线的等效电路

类似的，匹配电路参数的细微变化会显著改变能量转换效率最大的频率范围，通常是几兆赫兹。因此，射频收获电路涉及一个复杂的相互作用的设计选择，必须考虑在一起。这个问题是通过考虑一个多阶段设计的多倍压器，其操作点是由解决一个优化框架决定的。

天线

天线是一种用于辐射或接收无线电波的金属装置(如杆或线)。它是发射和接收无线电波的一种手段。换句话说，天线是自由空间和制导装置之间的过渡结构。制导装置或传输线可以采用同轴线或空心管(波导管)的形式，用于将电磁能从发射源传输到天线或从天线传输到接收器。

通信设备一般都有向多个方向传播射频能量的全向天线。这使移动应用程序的连接最大化。从无线源传输的能量要高得多，10ghz 频率可达30w，但在实际环境中只能获得很少的能量。其余部分则以热量的形式消散或被其他物质吸收。

收集射频能量需要一个天线。在射频能量收集系统中，天线(作为接收器)拦截经过的电磁波，并将其转换成电信号。典型的天线可以模拟为交流电压源串联阻抗，如图4所示。

PRF 是天线接收的功率; RS 是辐射电阻，代表接收电磁波的功率; Rloss 是损耗电阻，代表包括天线材料和介质损耗在内的实际电阻; Xant 可以是电感的，也可以是电容的，这取决于特定的天线。

天线设计者必须注意许多参数。功率增益是一个天线在任意距离从一个特定角度辐射出的最大功率密度与同一距离的一个假设的各向同性天线的功率密度之比。它可以被认为是实际的最大功率密度超过理想(损失较少)的平均功率密度。有效天线口径与天线的可用功率密切相关。其他一些关键参数包括路径损耗、极化、效率、方向性等。

图5: 电荷泵整流器

硅整流二极管天线

用来收集射频能量的装置称为直入式收集器。它指的是整流天线。射频能量转换成直流能量。一个典型的直肌有一个天线，匹配电路和一个整流器。

硅整流二极管天线是放置在天线馈电点的天线和肖特基二极管的混合物。它直接将射频信号转换为直流信号。可以使用不同的拓扑作为直肌的组成部分。针对 RF-DC 整流器的设计开发了不同的拓扑结构，如电荷泵整流器、差动驱动桥整流器和门交叉连接差动驱动桥整流器。

电荷泵整流器

图4所示的电荷泵整流器，也称为多倍压器电路，已广泛应用于微型电源收集电路。常规电荷泵整流器的基本结构是在1976年提出的，最初用作 DC-DC 上变换器。

在射频-直流整流器应用中，采用射频输入作为互补时钟信号之一，接地另一条时钟线和直流输入线。为了理解整流器的工作原理，首先考虑乘法器的前两个阶段，也通常被称为倍压器。

操作可以分为两个周期: 负半周期(输入射频信号为负值)和正半周期(输入射频信号为正值)。

假设，二极管的阈值电压为 VT，输入 RF 信号的振幅为 VRF。在第一个负半周期中，引入 d1并将电荷转移到 c1的右端板上。在第一个负半周期结束时，c1充电到 VRF-vt。

当正半周期开始时，d1是反偏的，c1的右端板被推到2 * (VRF-VT)。D2开启，电荷转移到 C2。在正半周期结束时，c2被充电到2 * (VRF-VT) ，用于更多阶段倍频整流器。

差动驱动桥式整流器

全波桥式整流器，如图4所示，已经常用于交直流电压转换。整流器具有差分输入射频信号。

在正半周期的射频信号，二极管 d2和 d3导电，而 d1和 d4是反偏的。

在负半周期的射频信号，二极管 d1和 d4导电，而 d2和 d3是反偏的。

在整个循环中，负载电容器 c1是单向充电的。当考虑反向泄漏电流和其他阻性负载时，c1上的直流电压可以达到 VRF-(2 * Vth) ，其中 Vth 是二极管的阈值电压。

电路开始整流一次，输入交流信号的幅度变大，大于二极管阈值电压的两倍，从而降低了整流器的电压灵敏度。为了提高电压灵敏度，可以用栅漏连接的 n 型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或栅源连接的低阈值 p 型 MOSFET 代替二极管，如图6(b)所示。为了提高直流电压水平，采用耦合电容器阻断直流，分阶段级联单元桥式整流器的叠加结构。

栅交联差动驱动桥式整流器

虽然采用二极管连接的低阈值 MOSFET，可以有效地提高桥式整流器的电压灵敏度，但 MOSFET 引起的反向漏电功耗不容忽视。

常规桥式整流器的一种适应结构是用差分输入射频信号偏置门极。通过偏置栅极，降低了 MOSFET 的导通电压，有效地提高了电压灵敏度。

以图7(a)中的结构为例。在正半周期的 RF 信号中，如同在正常的桥式整流器中，m2和 m3导电，而 m1和 m4则是反向偏置的。这种变化发生在 m1和 m3栅极端的偏置电压上。

在正半周期中，m3像传统的桥式整流器一样，带有大于零的偏置信号(接地电位) ，这减少了 m3的阈值电压，因此提高了电压灵敏度。

图6: 全波桥式整流器

图7: 差动驱动桥

在正半周期中，m1的漏极和源极进行了交换。M1在带负 RF 信号的栅极端反向偏置，该负 RF 信号低于源极端的接地电位。有了这种偏置，m1引起的泄漏电流就大大减小了。

对负半周期也可以进行同样的分析。在 NMOS 栅交叉连接桥式整流器中，只有两个 mosfet 存在差分偏置。

为了进一步提高整流器的性能，改为使用两个 PMOS 器件，如图7(b)所示。在正半周期中，pm2和 nm3呈正相关，nm1和 pm4呈反相关。Pm2栅极端的偏置信号为负值，导致比二极管连接模式的导通电压更小。Pm4交换机的源极和漏极。Pm4的栅极端子偏置于正射频信号中，正射频信号大于源极端子的电位，从而减小了反向漏电流。对负半周期也可以进行同样的分析。

常用的整流器件有 MOS 晶体管 和肖特基二极管。物理结构的差异导致了在应用 RF-DC 整流器设计的缺点和优点。表二总结了这两种设备的优点和缺点。

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