论文阅读——Adaptive Wireless Power Transfer Enabled IoT Sensor Nodes by a Polarization-Insensitive ……

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论文来源：https://ieeexplore.ieee.org/document/10663367

摘要

文章提出一种新型紧凑极化不敏感整流天线模块，具有可扩展设计特征，以实现自适应射频功率收集能力。该 RM 集成了四个依次旋转的整流天线单元（RUC）以实现极化不敏感性。此外，RUC 与整流电路共轭匹配，并且它们的直流输出并联连接，以分别最小化插入损耗和组合损耗。所提出的 RM 有四个对称直流端口，使得多个 RM 能够进行串联和并联直流组合，以实现模块可扩展性。

一、提出的可扩展 WPT 系统

A. 提出的 RM 设计

RM 设计在低成本 FR4 基板上，布局如图 1 所示，包括四个依次旋转的 RUC，以实现全波整流（FWR）操作以及捕获全极化射频波的能力。每个 RUC 有两个射频端口，因此在一个 RM 内总共有八个射频端口。

图1 所提出的RM设计.

B. 整流电路描述

为了减小系统尺寸，将天线 1 的输入阻抗与整流电路阻抗 1进行共轭匹配。单个 RUC 的等效电路如图 2 所示。两个射频源对应于 RUC 中的两个射频端口，图 2 中肖特基二极管的插图说明了其等效电路。连接到每个射频端口的 MSL 充当射频扼流圈，并提供（跨二极管）到地的输出直流连接。此外，它消除了偶次高次谐波，以提高系统的功率转换效率。

图2 等效电路.

单个 RUC 仅整流捕获的射频波的一个半周期。为了实现 FWR，将 RUC间隔 180° 放置，以捕获垂直极化射频波的交替半周期，如图 3 所示。RUC的直流输出通过公共直流连接线并联连接，以实现 FWR。类似地，和单元捕获水平极化射频波的交替半周期，以实现 FWR。

图3 全波整流等效电路.

C. RUC 的演变

RUC 源自传统的矩形贴片天线，如图 4（a）所示，其通常连接到阻抗匹配网络和整流电路。

图4 RUC 的演变步骤.

1. 第一步从传统的贴片整流天线开始，去除馈线，并在步骤 1 中引入两个特定的切口（Cut – 1 和 Cut – 2）。这些切口经过策略性放置，以设计双正交耦合端口，促进空间分集，实现最大射频功率收集，如图 4（b）所示。此外，在每个端口引入两个短路短截线，以建立闭环电路，并由于其高电感性质减轻偶次高次谐波。

2. 为了提高隔离度并改善阻抗匹配，在第二步中进行了重要调整。去除两个端口之间的连接条，如图 4（c）所示。这增强了相邻端口之间的隔离度。

3. 为了进一步改善相邻端口之间的阻抗匹配和互耦，最后引入 Cut – 3 [图 4（d）]，得到与紧密匹配的端口阻抗。此调整显著提高了正交端口之间的隔离度。此外，提出的 RUC 比传统贴片小 67%，并提供了 17.2% 的辐射波束宽度改进。

D. RM 等效电路描述

RM 有四个 RUC，因此它们的完整等效电路如图 7 所示。从这些 RUC 接收的直流功率使用并联直流组合技术进行组合，以减少直流组合损耗。采用并联组合是为了应对最坏情况，即水平或垂直极化波入射到 RM 上。因此，只有一对对角相对的 RUC 被激活。在这种情况下，另一个对角线上的两个不活动 RUC 简单地被旁路 ，而无需使用任何额外的智能网络电路。在串联组合中，不活动单元充当负载（消耗功率），这会降低总收集的直流电压。这表明并联组合是 RM 的更好选择。

模块图 5 中所示的直流线被扩展并终止于四个对称直流端口（直流端口 1 – 直流端口 4），通过串联和并联直流组合允许在多个模块之间轻松集成，从而提供模块可扩展性。

图 5. 具有四个依次旋转 RUC 的并联直流组合的 RM 等效电路

E. RM 的阵列

使用射频组合技术组合 RM 可以实现最大直流功率的收集。然而这种方法的实际可行性受到二极管击穿和窄波束宽度限制的限制。因此，可以使用串联和并联直流组合技术组合模块，以收集具有更宽覆盖范围的直流功率。

RM 中的对称直流端口允许通过使用直流连接器在水平和垂直方向上轻松集成后续模块。例如，两个 RM 以串联组合拓扑连接，如图 6 所示，其中 RM – 1 的直流端口 1 的正极端子连接到 RM – 2 的直流端口 3 的负极端子。

图6 RM 的串联直流连接.

类似地，两个 RM 的并联直流组合技术如图 7 所示。这种配置将 RM – 1 的直流端口 1 的正极端子与 RM – 2 的直流端口 3 的正极端子连接。此外，将两个模块的负极端子融合有助于轻松连接并通过最小化连接损耗提高直流功率。

图7 RM 的并联直流连接.

二、仿真与测试

部分仿真与测试结果如下.

图8 a）RUC、（b）RM、（c）SCRMA（N = 4）和（d）PCRMA（N = 4）的测量转换效率和V_dc与负载的关系.

图9 RM 在最佳负载下测量的转换效率和V_dc与接收射频输入功率的关系.

总结

本文提出了一种新颖的、小型化、完全集成且共轭阻抗匹配的 RM，具有极化不敏感行为。RM 由四个依次旋转的 RUC 组成，以实现所需的极化不敏感无线电力传输。RUC 提供 3.65 dBi 的射频增益，半功率波束宽度为 105.5°，对应于 3 dB 直流方向图波束宽度为 64°。所提出的 RM 在Φ=90°平面提供 6.6 dBi 的射频增益，3 dB 直流波束宽度为 75°。RUC 和单个 RM 在 1200 和 600 输出负载下分别提供 66.5% 和 54.3% 的最大 PCE，对应于收集的直流功率分别为 41.8 和 68.1 μW。此外，为了实现模块型可扩展性，使用串联和并联连接组合多个 RM，在最佳负载为 2400 和 150 时，PCE 分别为 46.5% 和 47.5%，提供P_dc=233.75和 238.14 W。此外，与现有技术设计相比，实现了具有小型化占地面积的完全极化不敏感直流方向图。此外，通过使用从四个串联组合的 RM 收集的直流功率为无电池数字时钟供电，展示了所提出系统在低功率物联网应用中无电池操作的可用性。总体而言，结果表明 RM 是低功率物联网应用中自适应 WPT 的一种有前景的解决方案。

作者：做个八百万的梦