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雙頻段環境射頻能量采集系統的設計

2021年電子技術應用第5期

俞夢緣1，溫翾2，游彬1

1.杭州電子科技大學電子信息學院，浙江杭州310018；2.杭州電子科技大學信息工程學院，浙江杭州310018

摘要： 提出了一個基于GSM-1800和WiFi頻段的環境射頻能量采集系統。該系統由雙頻圓極化天線、雙頻整流電路和負載組成。圓極化天線的阻抗帶寬為1 GHz～2.6 GHz，軸比帶寬為1.78 GHz～1.96 GHz和2.37 GHz～2.59 GHz。設計的雙頻整流器在1.825 GHz單頻輸入10 dBm的情況下，RF-DC最高效率為44%。在2.45 GHz輸入功率為8 dBm情況下，RF-DC最高效率為49%。在雙頻輸入功率為7.5 dBm時的最大RF-DC轉換效率為53%，直流電壓為1.73 V。將設計的雙頻帶能量采集系統放在路由器和被撥打的手機附近,可點亮一個LED燈實現其能量采集功能。

關鍵詞： 圓極化雙頻段整流天線環境能量采集

中圖分類號： TN710
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200997
中文引用格式： 俞夢緣，溫翾，游彬. 雙頻段環境射頻能量采集系統的設計[J].電子技術應用，2021，47(5)：122-125，130.
英文引用格式： Yu Mengyuan，Wen Xuan，You Bin. Design of dual-band RF energy collection system in environment[J]. Application of Electronic Technique，2021，47(5)：122-125，130.

Design of dual-band RF energy collection system in environment

Yu Mengyuan1，Wen Xuan2，You Bin1

1.Electronic Information College，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China； 2.Information Engineering School，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China

Abstract： This paper proposed an environmental RF energy acquisition system based on GSM-1800 and WiFi frequency bands. The system consists of a dual-frequency circularly polarized antenna, a dual-frequency rectifier circuit and a load. The impedance bandwidth of the circular polarization antenna is 1 GHz～2.6 GHz, and the axial ratio bandwidth is 1.78 GHz～1.96 GHz and 2.37 GHz～2.59 GHz. The designed dual-frequency rectifier has a maximum RF-DC efficiency of 44% when the 1.825 GHz single-frequency input is 10 dBm. In the case of 2.45 GHz input power of 8 dBm, the highest RF-DC efficiency is 49%. When the dual-frequency input power is 7.5 dBm, the maximum RF-DC conversion efficiency is 53% and the DC voltage is 1.73 V. Placing the designed dual-band energy harvesting system near the router and the phone being called, an LED light can be lit to realize its energy harvesting function.

Key words : circular polarization；dual-band；rectenna；environmental energy harvesting

0 引言

環境射頻能量收集是一種為物聯網(IoT)中使用的設備供電的潛在應用，這可能有助于實現如醫療、保健、環境和基礎設施管理^[1-2]。隨著無線通信基礎設施(如WiFi、蜂窩和廣播系統)的部署不斷增加，環境RF信號的功率密度通常已變得足夠大，足以支持用于IoT應用的自持式和低功率設備^[3]。

目前已經設計了各種單頻帶采集系統來收集各種頻帶的RF能量，GSM-900^[4]、GSM-1800^[5]、3G^[5]和WiFi^[6]等。然而，因為環境射頻功率密度極低，因此可以利用設計多頻帶的能量采集系統來提高收集效率。如文獻[7]提出了一款可收集環境中的GSM900和GSM-1800頻段RF能量的系統，通過增加接收天線的端口來提高采集效率，該系統可以提供大于3.2 V的輸出直流電壓，大于-10 dBm的輸出直流功率以及大于42％的RF-DC效率。文獻[8]提出的雙頻射頻能量采集系統可采集2.45 GHz WiFi和3.5 GHz WiMAX頻段的能量。通過提出的樹狀天線和引入的兩個不同的徑向分支組成的匹配網絡來提高系統效率。輸入功率為0 dBm時，在2.45 GHz下，觀察到最大轉換效率為60％；在3.5 GHz下，最大轉換效率為53％。因此可以從系統的接收天線和匹配電路進行設計。為了最大限度地利用環境射頻能量，可以利用頻域來充分利用環境射頻環境以及雙頻^[9-10]、三頻^[11]和四頻^[5]等已經有學者實現。

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作者信息:

俞夢緣1，溫翾2，游彬1

(1.杭州電子科技大學電子信息學院，浙江杭州310018；2.杭州電子科技大學信息工程學院，浙江杭州310018)

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