射频能量收集系统中宽频带宽功率范围整流天线研究

The ambient RF energy can be utilized to power the low power electronics by using RF energy harvesting technology. Rectenna is a key component of the RF energy harvesting system. At present, rectenna design is faced with the problems of narrow frequency band, narrow input power range and large size, which greatly limit the application of RF energy harvesting technology. To solve these problems, the applicant will conduct research on rectenna with wide frequency band and wide input power range in this project. The detailed research contents include: 1) The broadband miniaturized impedance matching network and the new broadband rectifier structure are studied. On this basis, to study the realization of the broadband miniaturized rectifier. 2) The design theory and method of broadband power distribution network and broadband resistance compression network are studied. Then, the broadband rectifier with wide frequency band and wide input power range is studied based on the two aforementioned broadband networks. 3) In order to improve the efficiency of the rectenna, the methods of bandwidth expansion and gain enhancement of the circularly polarized antenna are studied. Finally, the realization of the rectenna with wide frequency band and wide input power range is studied based on the wideband wide input power range rectifier and the wideband high gain circularly polarized antenna. This project aims to break through the key problems faced by the rectenna, such as narrow frequency band, narrow input power range, and so on.

射频能量收集技术可以利用周围环境中的射频能量给低功耗电子产品供能。整流天线是射频能量收集系统中的一个关键组件。目前整流天线设计面临频带窄、功率范围窄以及尺寸大等问题，这些问题大大限制了射频能量收集技术的应用。针对上述问题，本项目将开展宽频带宽功率范围整流天线研究。具体内容包括：1) 研究宽频带小型化阻抗匹配网络以及新型宽频带整流电路结构，在此基础上研究宽频带小型化整流电路的实现方案；2) 研究宽频带功率分配网络、宽频带阻抗压缩网络的设计理论与方法，并在此基础上研究宽频带宽功率范围整流电路；3) 针对圆极化天线的带宽拓展和增益提升方法进行研究，使其具有宽频带高增益的特性，以提升整流天线的效率。最后，基于宽频带宽功率范围整流电路和宽频带高增益圆极化天线研究宽频带宽功率范围整流天线。本项目预期突破整流天线所面临的频带窄，输入功率范围窄等关键问题。

目前，物联网中大多数传感器节点仍为电池供电，电池电量用尽就会导致节点无法正常工作，人工更换电池不易且成本高。由于物联网传感器节点所需功耗较低，因而可以采用射频能量收集技术来为无线传感器节点高效地解决供电问题。基于此背景，本项目主要针对射频能量收集系统中的宽频带宽功率范围整流天线的研究进行研究。具体说来，主要包括三个主要研究内容： 宽频带小型化整流电路、宽频带宽功率范围整流电路、宽频带高增益圆极化天线。在本项目的资助下，目前取得了一系列重要研究成果。(1)提出了一种基于L型匹配网络的宽频带小型化整流电路。测试结果表明当输入功率为 14.8 dBm 时，该整流电路在 1.91~ 3.32 GHz频带范围内功率转换效率( PCE) 均大于 50%。 (2) 提出一种工作在0.915和2.45 GHz的小型化双频带整流电路，转换效率分别为81.7 和73.1 %。(3) 提出一种基于环形耦合器的单频带宽角度整流电路和双频带宽角度整流电路。其中，单频带宽角度整流电路工作在2.45 GHz，当电磁波的入射角度在0°~360 °范围内变化时，整流效率波动范围为59.4~67.3 %。 双频带宽角度整流电路工作在0.9和2.45 GHz，当入射角度在在0°~360 °范围内变化时，整流电路的波动范围为55.8~62.8 %和70.7~75.6 %。（4）提出一种基于正交耦合器的单频带宽角度整流电路和宽带宽角度整流电路。其中，单频带整流电路工作在2.45 GHz，当电磁波入射角度在0°~360 °范围内变化时，整流效率的变化范围为64.7 ~73.4 %。宽带宽角度整流电路工作在1.6~2.8 GHz, 当电磁波入射角度在0°~360 °范围内变化时，整流效率的变化范围为60.8 ~72.6 %。