摘 要

本文借助电磁仿真软件HFSS以及射频电路仿真软件ADS设计能量收集系统的两个关键部分——接收天线和整流电路。其中天线设计两款，一是矩形贴片天线，另外是微带天线阵。整流电路采用的是倍压整流，并且输入整流电路前设计了一个匹配环节，采用双枝节匹配电路进行接收天线和整流电路之间的阻抗匹配。

论文中使用HFSS软件对矩形贴片天线以及微带天线阵进行了建模仿真，并且采用FR4材料将天线阵加工出来，经网络分析仪测试回波损耗为-10.8dB；利用ADS进行倍压整流电路仿真，并且设计好匹配网络。实物加工制作出来后，整体整流电路的回波损耗通过网络分析仪测试后为-33dB，通过对整流电路输入不同大小的能量,测试整流电路性能，绘制出发现输入能量较低时效率高些，将接收天线和整流电路放在一起测试，测量收集效果，并且与高增益定向天线做比较，可以看出高增益定向天线收集效果好于设计的天线阵，其收集到的能量足以点亮led，实测结果表明该装置完全可以收集空间的电磁能量加以应用。

关键词：无线能量收集；HFSS；ADS；天线阵；二倍压整流电路

Abstract

With the electromagnetic simulation software HFSS and the radio frequency circuit simulation software ADS, the paper designs two key parts of the energy collection system the receiving antenna and the rectifier circuit. Among them, there are two types of antenna design, one is rectangular patch antenna, and the other is microstrip antenna array. The rectifier circuit using the voltage doubler rectifier circuit, and the input before the design of a matching link, double stub matching circuit between the receiving antenna and the impedance matching circuit of rectifier.

In this paper, the HFSS software is used to simulate the rectangular patch antenna and the microstrip antenna array, and the antenna array is processed by FR4 material. The return loss is -10.8dB by the network analyzer. Circuit simulation, and designed to match the network. After the physical processing is made, the return loss of the whole rectifier circuit is -33dB after the test by the network analyzer. By inputting different sizes of energy to the rectifier circuit, the performance of the rectifier circuit is tested and it is found that the input energy is low, The receiving antenna and the rectifier circuit together to test, measure the collection effect, and compared with the high gain directional antenna, we can see that the high gain directional antenna collection effect is better than the design of the antenna array, the collected energy enough to light led, The measured results show that the device can collect the electromagnetic energy of space to be applied.

Key Words：Wireless power transmission ；HFSS； ADS；antenna array；voltage

doubling rectifier circuit

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 论文安排 2

第2章 天线设计与分析 4

2.1 矩形微带天线设计 4

2.1.1 传输线模型工作原理 4

2.1.2 矩形微带天线建模仿真 6

2.2 2.45GHz天线阵设计 9

2.2.1 阵列天线基础 9

2.2.2 阵列天线建模仿真 10

第3章 整流电路及阻抗匹配 14

3.1 整流电路基础 14

3.1.1 一阶倍压整流电路分析 14

3.1.2 多阶电压倍增电路 17

3.2 基于ADS软件的二倍压整流电路设计 19

3.2.1 二倍压整流电路设计 19

3.2.2 阻抗匹配网络设计 22

第4章 电路加工及测试 27

4.1 天线及整流电路加工测试 27

4.2 收集系统测试 31

第5章 总结与展望 33

参考文献 35

致 谢 36

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着无线传感器网络的飞速发展，其在工业、农业和医疗等领域的应用越来越多，节点供电问题逐渐受到了越来越多的关注。由于传感器节点具有形状小、功耗低以及维护成本高等特点，其电力供应一直是限制传感器节点使用寿命的主要限制因素。随着能量收集技术的不断完善，可以通过收集空间中的热能、风能、太阳能以及射频能量给低能耗设备供电，其中热能、风能和太阳能技术相对成熟，也早已被人们应用在实际生产生活中，但是它们需要相对合适的外部条件才能够稳定供电，因此这几种方式都有一定的局限性^[1]。无线能量传输技术是利用空间中多于的电磁信号，例如通信基站，广播电视信号以及局域网（WLAN）等，这些信号普遍存在于城市、农村等地方，能量源丰富且稳定，这些射频信号可以提供一个稳定的能量收集来源，实现24小时持续转换供电^[2]。

人类对于无线能量传输的研究始于赫兹和特斯拉在20世纪初的工作，对于微波频段的能量传输则是开始于1964年，主要是设计接收器来获取定向传输的能量，接收器可以用来获取不同能量大小和不同频段的能量。早期的研究是从地面给飞机供电，研究者们也在不断努力提高整流电路和天线的效率，使物体连接起来进行能量传输更加容易。随着电路尺寸的缩减，研究者们开始研究方法来收集空间环境中已经存在的射频能量，而不是只是从一个定向的能量源接收。