射频能量收集及其与太阳能收集一体化关键技术研究

Internet of things is considered a promising market with a high expectations for the future. At present, the power supply problem is one of the great challenges of restricting the its development. The integrated RF energy/solar harvesting, can provide a stable power for these equipments in internet of things. The main problem in this issue include that the antennas have a large size and low collecting capacity and RF-DC circuit has a low efficiency. Also, the integration model for the antenna/solar panel has not been constructed and the system performance has not been optimized..This project will study the efficient harvesting technology of miniaturized antennas for energy harvesting, the design principles of the new broadband conversion circuit with high efficiency, and integrated RF energy /solar harvesting technologies. The project has three innovations. First, the compact wideband circularly polarized antenna based on the zeroth order resonator and metasurface is proposed. It can realize omnidirectional radiation in the wider elevation planes and harvest the energy with a higher efficiency. Second, the transmission line resistance compression networks with wider band are applied in the RF-DC conversion circuit that the whole system can harvest the power in a wider RF band and improve the conversion efficiency. Third, the integrated model of antenna/solar panel is proposed by employing the patch of antenna with a gap structure as the bottom electrode of solar panel. Also. the model is constructed and the system performance has been improved by the co-design.

物联网被认为是一个面向未来的高期望增长市场。目前，供电问题是制约其发展的巨大挑战之一。射频能量/太阳能的一体化收集，可以为物联网设备提供稳定的电能。在该方面存在的问题主要有：天线的体积大，收集能力较低，RF-DC转换电路效率低，未建立天线/太阳能电池板一体化模型，并优化其性能等。.本项目将研究小型化能量收集天线的高效收集技术，新型宽带高效转换电路的设计原理，及射频能量/太阳能一体化收集技术。项目的创新点主要有三个方面：1) 提出了基于零阶谐振和超表面的小型化、宽带全向圆极化天线，该天线在俯仰面具有宽的轴比波束，能高效收集射频能量；2) 在RF-DC转换电路中采用宽带阻抗压缩网络，可以在宽的频带范围内减小外界条件变化引起的整流器阻抗的变化，从而提高转换效率；3) 提出了将天线的缝隙结构贴片作为太阳能电池板下电极的天线/电池板一体化集成模式，并建立其模型，通过二者的协同设计来提高整个系统的性能

物联网被认为是一个面向未来的高期望增长市场。目前，供电问题是制约其发展的巨大挑战之一。射频能量/太阳能的一体化收集，可以为物联网设备提供稳定的电能。在该方面存在的问题主要有：天线的体积大，收集能力较低，RF-DC转换电路效率低，未建立天线/太阳能电池板一体化模型，并优化其整体性能等。.本项目为一年期小额资助项目，因此主要研究了射频能量高效收集技术，即：.1) 研究了小型化能量收集天线的设计理论，带宽展宽技术及其高效收集技术； 2)研究了高效宽带 RF-DC 转换电路及其与天线的协同设计。.项目取得的重要结果如下： .1 针对RF 源的分布与极化都不确定的应用环境，提出并实现了基于旋涡结构、零阶谐振器、双层超表面、互补V型缝隙、倒L形缝隙等的低剖面宽带宽轴比波束全向圆极化天线，实现的最宽工作带宽为25%，轴比波束宽度为240°；针对射频源位置固定的情况，提出并实现了无波束成形网络的2-D大覆盖角度多波束天线、基于寄生贴片与短路探针的小型多波束天线、基于双层超表面的多波束天线等高增益定向天线；.2提出了单支路电阻压缩网络(SRCN)，使整流电路在宽输入功率范围内都能实现阻抗匹配，采用该网络的整流器转换效率提高了8% - 15%；提出了一种基于扇形微带线的宽带SRCN，使整流器在3.1-5.3GHz GHz范围内的转换效率都超过了40%；.3 设计并实现了基于问号形单极子、新型偶极子和交叉偶极的圆极化宽带整流天线，工作带宽分比为36.97%、27.94%、31.7%，整流效率分别达到了35%、60%和48%。.项目组圆满完成了计划书规定的研究内容，取得如下成果：1) 发表论文14篇，其中期刊论文9篇，会议论文5篇，被SCI收录7篇；被EI收录3篇；2) 获得授权发明专利1项,申报发明专利7项；3) 培养博士生5名，硕士生10人；4) 申报山西省科技进步二等奖一项；5) 参加国际会议5人次，国内会议8人次，作为TPC成员等参加会议的组织工作3次，邀请国内学者讲学1次，青年教师出国合作研究一年。.项目提出了几种小型化宽带宽轴比波束全向圆极化天线和多波束高增益天线，实现了在不同环境下的高效射频能量收集；2) 在RF-DC转换电路中采用宽带阻抗压缩网络，可以在宽的频带范围内减小外界条件变化引起的整流器阻抗变化，从而提高了转换效率。