面向无线传感器节点的微波整流技术研究

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移动互联网和物联网的蓬勃发展,为无线通信产业提供了巨大机遇,尤其是以无线传感器网络为代表的短距离通信,在军事国防、环境科学、医疗健康、抢险救灾等领域有着广泛的应用前景,而且已经延伸到空间探索领域,用于空间目标探测与识别、空间的环境检测等。但传感器节点的能量来源主要来自电池,这时安置在复杂环境中的传感器节点往往会受到能量的限制,当电池能量耗竭时,传感器节点的寿命也随之终结。微波能量收集技术作为一种可持续、环保的供电方式是解决此类无线网络能量续航的可实施方案,同时也避免了因线缆在移动或缠绕时有磨损而造成短路的风险。  针对以上问题,本文提出了一种针对无线传感器节点的微波能量接收方案,对整流电路和DC-DC电路进行了分析和研究。由于无线传感器节点所处环境能量密度低,所以要求整流电路能在低输入功率情况下可以工作;针对整流电路输出电压较低,整流器输出阻抗与负载不匹配造成电能存储效率较低的问题,设计出一个自动匹配升压电路。  本文设计了一种基础结构的整流电路,在设计过程中,对不同型号的二极管特性、负载和电容对整流效率的影响进行了仿真分析,通过实物测量,该整流电路可以在低功率水平下进行能量转换,在输入15dBm的功率时,整流效率达到50.4%;本文设计了一个“智能”微控制器的电源管理系统,可以在线进行效率优化与最大功率点跟踪(MPPT),提高了能量传输效率,最后测试得出升压电路的效率大于60%。  最后,本文使用普通平板阵列天线作为接收天线,对微波能量收集系统进行了测试。在前端发射机发出25dBm的功率时,微波能量传输的最远距离为2.2m,在此距离下整流电路输出的能量可被升压存储且供传感器节点正常工作。
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