Çift bantlı çevresel enerji toplama devresinin tasarımı
0 Önsöz
Nesnelerin İnternetinin gelişmesiyle birlikte, her ağ düğümünün güç kaynağı, Nesnelerin İnternetinin daha da gelişmesini kısıtlayan temel sorunlardan biri haline geldi. Güç kaynağı için çevredeki kablosuz enerjinin kullanımı, sıcak bir araştırma konusu haline geldi. Kablosuz iletişimin hızlı gelişmesi nedeniyle, çevrede 4G / LTE, GSM900 / 1800, 3G / UMTS, WiFi vb. Gibi geniş bir yelpazede elde edilen ve istikrarlı radyo frekansı enerjisi büyük miktarda vardır, ancak çevredeki toplanan radyo frekansı sinyallerinin gücü genellikle düşüktür. Bu, enerji hasadı sisteminin mümkün olan en yüksek radyo frekansı-doğru akım (RF-DC) enerji dönüştürme verimliliğine sahip olmasını gerektirir.
Şu anda çoğu araştırma, tek bir frekansın radyo frekansı sinyallerini toplamaya odaklanmaktadır. Literatür, tek bir frekans bandının enerji toplanmasını önermektedir Literatür, 2.45 GHz'lik radyo frekansı enerjisini toplamaktadır.Arızalı bir toprak yapısına sahip bir alçak geçiren filtre ekleyerek, doğrultma ile üretilen yüksek dereceli harmonikler, doğrultucu devresi ve alçak geçiren filtre arasında sınırlandırılmaktadır. Düzeltme verimliliğini artırın, RF-DC'nin verimliliği 0 dBm giriş gücünün altında% 11'dir. Literatür, 5.8 GHz'de çalışan bir redresör devresi önermektedir.Lebat ile karşılaştırıldığında, redresör devresi ile çıkış arasında düzeltme verimliliğini artırmak için bir çıkış geçiş filtresi sunar; giriş gücü 0 dBm olduğunda, verimlilik 11.66'dır. %. Bununla birlikte, ortamdaki radyo frekansı enerjisi çok zayıf olduğu için, daha yüksek dönüştürme verimliliğinde bile, son çıkış voltajı çok sınırlıdır. Nihai çıkış voltajını artırmak için, literatür 900 MHz ve 2,4 GHz çift bantlı enerji toplama önermektedir, ancak toplama frekansı düşük frekans bandında ve 900 MHz ve 2,4 GHz hedef tasarım frekansında 15 dBm'de 400 MHz'e kaydırılmıştır. RF-DC verimliliğinin maksimum değerine, yalnızca% 13 ve% 16 olan giriş gücü altında ulaşılır. Ek olarak, çevreleyen mevcut radyo frekansı sinyalleri esas olarak çeşitli kablosuz iletişim sistemlerinden gelir Bu kablosuz iletişim sistemlerinin tümü belirli bir frekans bant aralığına sahiptir ve frekans atlamalı olarak çalışır Mevcut literatür, bunun tek frekanslı veya çift frekanslı edinme olup olmadığı önemli değildir. Hepsi tek bir frekans noktasına yöneliktir, böylece tüm tasarım, gerçek sinyalleri toplamak için bant genişliği gereksinimlerini karşılamayan, yalnızca dar bir frekans aralığında enerji toplayabilir. Özetle, çevreleyen RF enerji toplama devresi, daha düşük bir giriş gücünde mümkün olan en yüksek enerji dönüştürme verimliliğini elde etmeli ve belirli bir eşleşen bant genişliğine sahip olmalıdır.
Bu amaçla, bu makale, GSM1800 ve WiFi frekans bantlarındaki sinyalleri toplamak ve toplanan frekans bandının bant genişliğini saplamalar ekleyerek genişletmek için çift bantlı bir enerji toplama devresi tasarladı, böylece devre daha düşük bir giriş gücünde tasarlanabilir. Tüm frekans bantlarının düşük yansıma katsayıları vardır, bu da iyi bir enerji toplama ve dönüştürme sağlar.
Çevreleyen radyo frekansı enerjisi toplama sistemi temel olarak anten, eşleşen ağ ve doğrultucu devresinden oluşur ve blok diyagramı Şekil 1'de gösterilir. Anten çevredeki radyo frekansı enerjisini alır, eşleşen devreden geçer, radyo frekansı sinyalini doğrultucu devresine gönderir ve bunu DC enerji çıkışına dönüştürür. Anten ve doğrultucu devresi arasındaki eşleştirme ağı, toplanan kablosuz enerjinin mümkün olduğunca doğrultucu devresine girilebilmesini sağlamak için kullanılır Eşleştirme devresi, tüm kablosuz edinim sisteminin anahtar devrelerinden biridir.
1.1 Eşleşen ağın tasarımı
Bu makale GSM1800 ve WiFi sinyalleri için çift bantlı eşleştirme ağı tasarlar.Çalışma frekansı bantları 1.805 GHz 1.85 GHz ve 2.4 GHz 2.485 GHz'dir. Çift bant eşleştirme ağının, iki frekans bandının sırasıyla f1: 1.83 GHz ve f2: 2.45 GHz merkez frekanslarıyla eşleşmesi gerekir.Bu makale, Şekil 2'de gösterildiği gibi, bunu başarmak için T şeklinde bir eşleştirme ağı kullanır.
F2 frekans noktasında, aynı zamanda şunları da sağlamalıdır:
Yukarıdaki ilkeler kullanılarak, herhangi iki frekansta empedans uyumu sağlanabilir. Tasarım sürecinde, en uygun eşleştirme parametrelerini elde etmek için çok sayıda tekrarlayan hesaplamalar gereklidir Şekil 3, iki rastgele empedans eşleşmesinin bir akış şemasını gösterir.Akış şeması adımlarına göre, bilgisayar, eşleşen parametreleri hızlı bir şekilde elde etmek için çoklu yinelemeler uygulayabilir.
Çift frekanslı nokta eşleştirmesi tamamlandıktan sonra, çift bantlı geniş bant eşleşmesi elde etmek için eşleşen devrenin bant genişliğinin genişletilmesi gerekir. Eşleşen bant genişliğini genişletmek için, bu makale, Şekil 4'te gösterildiği gibi eşleşen devreden önce bir açık saplama ZD ve kısa bir uç ZE ekler.
Kurulan eşleşmeyi bozmamak için eklenmesi gereken iki iletim hattı buluşur:
Bunlar arasında ZD ve ZE, sırasıyla açık devre saplamasının ve kısa devre saplamasının karakteristik empedansıdır ve 1, f1 frekansındaki iki bölümün elektriksel uzunluğudur. Formül (6) oluşturulduğunda, açık saplama ve kısa saplama tarafından sunulan şüphe birbirini iptal edebilir ve tamamlanan eşleştirme üzerinde hiçbir etkisi yoktur. Şekil 5'te, bağlantı noktası olmadan eşleşen ağın eşleşen bant genişliğinin daha dar olduğu ve frekans bandı genişletme işleminden sonra hem eşleşen bant genişliğinin hem de S11'in değerinin önemli ölçüde iyileştirildiği görülebilir.
1.2 RF-DC doğrultucu devresinin tasarımı
Doğrultucu devresinde diyot sayısı arttıkça çıkış voltajı artar. Bununla birlikte, düşük giriş gücü düzeltmesinde, diyotun neden olduğu kayıp özellikle açıktır ve bu, RF-DC verimliliğini önemli ölçüde etkileyecektir. Bu metin ADS yazılımını kullanır, simülasyonu farklı diyot numaralarının RF-DC verimi doğrultucu devresine taşımıştır, simülasyon sonucu Şekil 6'daki gibi gösterilmiştir. İlgili enerji hasadı sisteminin giriş gücü aralığında (yani, giriş gücü -20 dBm'den azdır), tek bir diyotun doğrultma verimliliği en yüksektir, iki diyot biraz azalır ve dört diyotun verimliliği büyük ölçüde azalmıştır. Bu nedenle, çıkış voltajını ve RF-DC verimliliğini dengelemek için, bu makale, Şekil 7'de gösterildiği gibi, yalnızca önemli bir çıkış voltajını garanti etmekle kalmayan, aynı zamanda yüksek bir değer sağlayan, iki diyottan oluşan tek aşamalı bir voltaj katlayıcı redresör devresi seçer. RF-DC düzeltme verimliliği.
2 Devre işleme ölçüm sonuçları
Yukarıdaki sonuçlara dayanarak, bu kağıt, eşleşen doğrultucu devresinin düzenini simüle etmek için ADS'yi kullanır, doğrultucu diyot SMS-7630'dur ve bir dielektrik sabiti 4,4 olan ve 0,02'lik bir kayıp açısı 0,6 mm kalınlığında dielektrik plaka olarak seçilir. T-şekilli eşleştirme ağının 6 parametresi C # programı kullanılarak hesaplanır: ZA = 81.2, ZB = 1.85, ZC = 56.8, A = 77.1 °, B = 77.1 °, C = 10.28 °.
Bununla birlikte, ZB'nin değeri yalnızca 1,85'tir ve bu, gerçek işlemede hattın çok kalın olmasına neden olacaktır. Tüm devrenin hacmini azaltmak için, bu makale ZB'yi kısa devre saplamasından açık devre saplamasına değiştirir ve B'yi iki katına çıkarır, böylece hattın bu bölümü tarafından sağlanan duyarlılık değeri değişmeden kalır. Gerçek devrede, açık saplama iki bölüme ayrılır, karakteristik empedans orijinalin iki katı olur ve devrenin üst ve alt taraflarına yerleştirilir, bu da tüm devrenin hacmini ve tüm devrenin düzenini daha da azaltır. Şekil 8'de gösterildiği gibi, Şekil 8'de gösterilen düzen optimize edilmiştir.
Düzen optimizasyonundan sonra, bu makale devreyi işledi ve ölçtü Fiziksel diyagram Şekil 9'da gösterilmektedir. Tüm devrenin boyutu 60 mm x 86 mm'dir Devrenin boyutu, tek bantlı edinim devresindekinden çok daha büyüktür. Frekans doğrultucu devresinin çok azaltılması gerekir, çünkü bu devreler çoğunlukla birden fazla paralel bağlantı kullanır ve her devrenin ayrı bir frekansı düzeltmesi ve eşleştirmesi ve ardından çıkış voltajını eklemesi gerekir.
2.1 Devre yansıma katsayısı ölçümü
Bu yazıda, gerçek nesnenin eşleştirme etkisini ölçmek için bir vektör ağ analizörü kullanılmıştır ve ölçüm sonucu Şekil 10'da gösterilmiştir. Giriş gücü -20 dBm olduğunda, en iyi eşleşme noktaları 1.86 GHz ve 2.45 GHz'dir ve karşılık gelen yansıma katsayıları sırasıyla -22.2 dB ve -12.2 dB'dir. GSM1800 frekans bandında ve WiFi frekans bandında, -10 dB bant genişliği sırasıyla 52 MHz ve 70 MHz'dir Şekil 4'te gösterilen stub olmadan bant genişliği ile karşılaştırıldığında, bant genişliği büyük ölçüde iyileştirilmiştir. Yöntem etkilidir. GSM1800 frekans bandında daha belirgin olan simülasyon sonucu ile ölçüm sonucu arasında hafif bir sapma vardır.Bunun nedeni ADS simülasyon işlemi sırasında oluşan kaynak ve parazitik parametrelerin dikkate alınmaması ve dielektrik plakanın parametrelerinden kaynaklanan bazı hataların işleme sürecine dahil edilmesidir. Bununla birlikte, orijinal olarak tasarlanmış 1.84 GHz frekans noktasında, S11'in değeri -10.5 dB'dir ve bu, enerji hasadı gereksinimlerini karşılayabilir.
2.2 Devre RF-DC verimlilik ölçümü
Devrenin RF-DC düzeltme verimliliği:
Formülde POUT ve PIN, devrenin çıkış gücü ve giriş gücü, RL devrenin yükü, devredeki değer 5.1 k ve VO, yük boyunca voltajdır. Agilent E8267D vektör sinyal üreteci, 1.84 GHz ve 2.45 GHz sinyal frekansları ile sürekli dalgaları iletmek için radyo frekansı kaynağı olarak kullanıldı Yük boyunca voltaj bir multimetre ile ölçüldü. Doğrultucu devresinin çıkış voltajı ve giriş gücü ile RF-DC verimliliğinin değişim eğrisi Şekil 11'de gösterilmektedir. Grafik, çıkış voltajını ve RF-DC verimliliğini, tek frekanslı ve çift frekanslı giriş altındaki giriş gücü ile karşılaştırır. 0 dBm'lik tek frekanslı giriş gücü ile devre, 1,84 GHz ve 2,45 GHz'de sırasıyla% 5,12 ve% 9,97'lik RF-DC verimliliklerine ulaşır.Yükün her iki ucundaki çıkış voltajları sırasıyla 0,51 V ve 0,71 V'dir. Devre 1,84 GHz'de. Verimlilik 2.45 GHz'de olduğundan daha düşüktür çünkü birincisinin S11'i ikincisinden biraz daha kötüdür; 0 dBm'lik çift frekanslı giriş gücünde, enerji toplama devresinin verimliliği% 14.9'a ulaşır ve çıkış voltajı 0.87 V'dir. Karşılaştırma sonucundan, çift frekanslı çıkış voltajının ve RF-DC verimliliğinin, tek frekanslı sonuca kıyasla büyük ölçüde geliştirildiği görülebilir. Bu, enerji hasadı frekans bantlarının sayısını artırarak enerji dönüşüm verimliliğini artırmanın etkili olduğunu göstermektedir.
3 Sonuç
Bu makale, çevredeki ortamda RF enerji hasadı için çift bantlı bir geniş bant eşleştirme devresi tasarlar ve sonunda bir çift bantlı enerji toplama devresini gerçekleştirir. Teorik analiz temelinde devre simüle edilir ve ölçülür.Ölçüm sonuçları temelde simülasyonla tutarlıdır.Ayrıca, çift bantlı enerji hasadının, tek bantlı enerji toplama devrelerine kıyasla bariz avantajları olan enerji hasadı devresinin verimliliğini artırabileceğini kanıtlar. .
Referanslar
SONG C, HUANG Y, CARTER P, vd., Ortam RF enerji hasadı için geliştirilmiş empedans eşleştirme tekniği kullanan yeni bir altı bantlı çift CP rectenna.Antenler ve Yayılma Üzerine IEEE İşlemleri, 2016, 64 (7): 3160-3171.
Ji Shuai. Mikroşerit devresine dayalı ISM bant doğrultucu anteninin araştırılması ve tasarımı Changchun: Jilin Üniversitesi, 2013.
Hengtiaotiao.Yeraltı düşük güçlü mikrodalga enerji iletim doğrultucu anteninin araştırılması ve tasarımı Xuzhou: Çin Madencilik ve Teknoloji Üniversitesi, 2014.
Qiang Zhao. RF mikro enerji edinme sisteminin tasarımı ve uygulaması Chengdu: Çin Elektronik Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, 2016.
NIKRAVAN M A, ATLASBAF Z.T-kesitli çift bantlı empedans transformatörü, frekansa bağlı karmaşık empedans yükleri için.Electronics Letters, 2011, 47 (9): 551-553.
PAVONE D, BUONANNO A, D'URSO M, ve diğerleri.Radyo frekansı enerji toplama cihazları için tasarım konuları.Elektromanyetik Araştırma B İlerleme, 2012, 45 (45): 19-35.
SUN H. Kablosuz güç iletimi için farklı şekilde beslenen doğrultucu kullanan gelişmiş bir rectenna IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2016, 15: 32-35.
yazar bilgileri:
Xu Lixiang 1, You Bin 1, Hua Fuchun 2
(1. Elektronik Bilgi Okulu, Hangzhou Dianzi Üniversitesi, Hangzhou 310018, Zhejiang; 2. Xigu Bölgesi Eğitim Bürosu, Lanzhou Şehri, Lanzhou 730000, Gansu)
