[发明专利]双通道射频能量收集系统及其参数设计方法

说明书

本发明公开了一种双通道射频能量收集系统及其参数设计方法，包括接收天线、阻抗匹配电路、整流电路和负载电路，在天线基板的正反两面分别设有微带贴片，正反两面的微带贴片在同一个馈电点采用同轴馈电方式连接阻抗匹配电路，反面的微带贴片对角开设有一对弧度为90°的弧形凹槽，阻抗匹配电路由两条匹配网络并联而成，每一条匹配网络对应一个通道的工作频段，两条匹配网络的输出端接入整流电路，经过整流电路整流后为所述负载电路供电。其效果是：能够充分收集自由空间中多个频段的射频能量，并将其转换为可以直接利用的直流电能，通过在反面微带贴片上引入弧形槽设计，增强了天线的辐射性能，有限减少了系统的尺寸大小，能量转换效率高。

技术领域

本发明涉及无线能量传输技术，具体地讲，是一种双通道射频能量收集系统及其参数设计方法。

背景技术

随着物联网技术的兴起，小型化和低功耗已经成为当今电子技术发展的趋势，诸如电子标签和传感器节点之类的小型设备已经在智能家居、工业监控、环境保护、智能交通等方面逐渐得到应用和普及。传统的供电方式主要是采用系统内部加装电池，但是由于电池寿命有限，能量问题成为制约这些小型设备大规模部署的瓶颈。近年来，从环境中进行射频能量收集的无线能量传输逐渐得到应用。

射频能量收集系统将周围环境中的射频能量转换为可用直流电能。射频能量不受时间因素和环境的限制，可以由环境中的大量无线电发射装置提供，包括手机、通讯基站、广播电视塔等无线通信设备。这些射频信号分布范围较广泛，当环境中无线通信设备数量的增多时，自由空间中的射频信号的功率密度也会相应提高。

射频能量收集主要利用整流天线作为能量收集-转换的核心部分。但是一个可靠的射频能量收集系统的实现仍然存在一些缺点，主要体现在以下三个方面：

(1)环境中的能量分布比较分散，有些信号强度较弱，射频能量难以得到有效利用，需要找到合适且能量较为集中的频谱源；

(2)物联网设备的尺寸一般很小，因此需要解决能量收集系统的小型化问题；

(3)传统的整流天线转换效率不高，难以在实际中得到应用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明首先提供一种双通道射频能量收集系统，该系统通过对天线结构和耦合电路进行改进，从而解决物联网应用中小型化设备的能量供应问题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种双通道射频能量收集系统，包括接收天线、阻抗匹配电路、整流电路和负载电路，其关键在于：所述接收天线为双频微带贴片天线，在天线基板的正反两面分别设有微带贴片，正反两面的微带贴片在同一个馈电点采用同轴馈电方式连接所述阻抗匹配电路，所述接收天线反面的微带贴片对角开设有一对弧度为90°的弧形凹槽，所述阻抗匹配电路由两条匹配网络并联而成，每一条匹配网络对应一个通道的工作频段，两条匹配网络的输出端接入所述整流电路，经过整流电路整流后为所述负载电路供电。

可选地，所述双频微带贴片天线的工作频率为1.75GHz和2.45GHz。这两个频段为环境中射频能量分布最广泛的频段，因此该收集系统可以在双频环境下收集到尽可能多的射频能量。

可选地，所述匹配网络是由一个LC并联电路和两个串联电感构成的π型网络。通过对阻抗匹配网络的再设计，减少了双频匹配网络的尺寸大小，提高了射频能量收集系统的能量转换效率。

可选地，所述整流电路采用二倍压整流的方式将每一个匹配网络的输出转换为直流电源，然后将两个通道的直流电源叠加后向所述负载电路供电。

可选地，天线基板正面微带贴片的长度和宽度均小于反面微带贴片的长度和宽度。

基于上述系统设计，本发明还提出了其参数设计方法，主要按照以下步骤进行：