CN103856149B - 一种一体化混合环境能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体化混合环境能量收集装置，包括平面方形螺旋整流天线、薄膜太阳能电池和永磁体薄片。平面方形螺旋整流天线包括微带接收天线和宽带整流升压电路，薄膜太阳能电池直接贴在微带接收天线的上下表面，微带接收天线的PCB板为中空的，永磁体薄片位于所述中空位置中间，并通过非金属弹簧在四个方向与双层PCB板连接。本发明可同时采集射频电磁波能量、太阳能和机械振动能量，具有成本低、体积小、便于携带、适用环境广等特点，可应用于无线传感网络、RFID等低功耗电子设备在多种环境情况下的供能，以摆脱电池的束缚。

Description

一种一体化混合环境能量收集装置

技术领域

本发明属于环境能量采集领域，具体涉及一种一体化混合环境能量收集装置。

背景技术

太阳能、射频电磁波能量和机械振动能量是三种普遍存在的环境能量资源。太阳光照射下的太阳能电池的典型功率为mW级别。在太阳光直射时，典型的薄膜太阳能电池接收的能量为50-100mW/cm²。在阴天或者在室内的情况下，接收到的功率将下降到μW级别。薄膜太阳能电池比如氢化非晶硅，对光能的典型转换效率为10-20%。薄膜太阳能电池要在提高转换效率的同时降低材料和制造成本，这是目前第三代太阳能电池研发中的主要挑战。除了努力研究开发低成本和高效的太阳能电池，还要努力提高低功率DC/DC转换器***的最大功率点跟踪能力，用来优化太阳能收集***的性能。

相比于太阳能，环境中射频电磁波的平均功率的水平显著较低。测量结果显示，环境中射频电磁波的平均功率的最大值为0.1-1μW/cm²。由于很多低功耗传感器在无线环境中工作，这就意味着它们可以通过收集射频电磁波能量来供电，而这就需要使用到天线。这些天线不仅可以用在无线通信方面，还可以用来收集射频电磁波能量给自身供电。近年来，射频无线输能越来越受到人们的重视，而整流天线是其中一项关键技术。整流天线由接收天线、滤波电路和整流电路等部分组成，它通过接收环境中的电磁波，将接收到的电磁波转换成直流电能输出。目前，整流天线中接收天线的形式主要有单级子天线、偶极子天线和微带天线3种形式。微带天线因其具有体积小、重量轻、接收面积大、极化方式灵活、方便组阵、易集成和易加工等优点，近年来被广泛用于整流天线中接收天线的设计。

机械振动能量收集有压电式和电磁感应式的工作方式，这两种方式都能得到微瓦到毫瓦的能量输出。电磁感应原理研制的振动能量收集器，结构多样、工艺简单，与压电式能量收集器相比能得到更大的电流。电磁感应型能量收集器存在的主要问题是功率密度受到永磁体尺寸、线圈匝数以及工艺的限制，且输出电压较低，需要专门的电压变换电路。尽管电磁感应型能量收集器存在这些固有缺陷，但随着工艺条件的进步以及新电磁能量变换结构的涌现，近年来，国际国内在振动能量收集方面开展了广泛的研究工作，该类型的能量收集器研究获得了较大的进展，并出现了成熟的商业化产品。

常见的RFID的天线大多呈平面环形或者平面螺旋形，且天线中心区域为空，未被利用。因此考虑在天线中心用非金属弹簧固定一个永磁体薄片，当天线震动的时候，永磁体薄片上下、前后左右运动，螺旋天线环路切割磁感线，产生低频交变电流，利用了简单的电磁感应现象。

由于单一的环境能量是有限的，比如单一的射频电磁波能量或者机械振动能量常常满足不了无线电子设备的供能需求；另外考虑到环境的多样性，工作在室内或者阴天下雨的时候，薄膜太阳能电池采集的能量将大大降低，所以需要采用混合能量收集***为无线电子设备提供能源。将薄膜太阳能电池和天线做在一起，既不降低薄膜太阳能电池的效率，也不降低天线辐射效率，这个设想最早是1994年在美国航天器供能研究中提出的，在后来的研究中得到了进一步的发展。本发明将薄膜太阳能电池、振动能量收集器和微带接收天线都做在一起，使三种采集能量的模块可以同时工作也可以单一工作，三种能量转换效率不会相互干扰。有效的解决了低功耗无线电子设备在各种环境中工作时的供能问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种一体化混合环境能量收集装置，可实现无线传感网络、RFID等低功耗电子设备在多种环境中的供能，以摆脱电池的束缚。本发明成本低、体积小、便于携带，而且适于大规模的应用。

为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：

一种一体化混合环境能量收集装置，其特征在于包括：平面方形螺旋整流天线、薄膜太阳能电池和永磁体薄片；薄膜太阳能电池覆盖于中空的方形环状双层PCB板上；永磁体薄片位于所述中空位置，并通过非金属弹性部件在四方向与双层PCB板连接；永磁体薄片的尺寸小于中空尺寸；所述平面方形螺旋整流天线包括微带接收天线和与微带接收天线相连的宽带整流升压电路组成；微带接收天线为平面方形螺旋微带线，由附于PCB板顶层的铜层构成；PCB板底层的铜层为地平面；微带接收天线工作频率在2.4-2.5GHz；

宽带整流升压电路由二极管D1、二极管D2、电容C1、电容C2和电感L1构成；电容C1和电感L1并联构成并联元件，并联元件的一端连接宽带整流升压电路的输入端，另一端连接二极管D1的阳极和二极管D2的阴极；二极管D1的阴极接地，二极管D2的阳极连接电容C2的一端然后接输出端，电容C2的另一端接地；电容C1容值为1-10nF，电容C2容值大于1μF；由于电容C1容值比较小，因此对于电磁感应产生的低频交变电流容抗很大，因此在电容C1上并联合适的电感L1，拓宽工作带宽，实现对低频信号的整流升压。

二极管D1、二极管D2为肖特基二极管；电感L1为贴片叠层电感。

所述永磁体薄片为圆柱形。所述弹性部件为非金属弹簧。

本发明的工作过程如下：

微带接收天线采用平面方形螺旋形状设计，微带接收天线使用双层金属介质板构成，微带线结构的天线采用顶层的铜层实现，底层的铜层为地平面。微带接收天线中心为镂空，介质板为环状结构，即整个板子是中空的。由于2.45GHz的环境射频电磁波能量最强，设计的微带接收天线工作中心频率在2.45GHz。首先根据微带接收天线工作频段、介质的介电常数、厚度等参数估算微带接收天线的尺寸，然后通过Agilent公司的ADS仿真优化获得微带接收天线的版图，根据此版图的尺度制作微带接收天线实物，然后对实物进行测试改进，最终得到需要的微带接收天线。

宽带整流升压电路，对于高频电磁波信号，电感L1可以当做开路，当输入端电压为1V，上正下负时；二极管D1导通，输入端电压给电容C1充电，电压极性左正右负，电容C1峰值电压可达到1V；当输入端电压上负下正时，二极管D1截止，二极管D2导通，输入端电压和电容C1给电容C2充电，电压极性下正上负，电容C2峰值电压可以达到2V，可以看出，输出电压是输入电压的两倍，达到整流升压的目的。由于电容C1容值为1-10nF，比较小，因此对于电磁感应产生的低频信号容抗很大，因此在电容C1两端并联合适的电感L1降低电抗，拓宽工作带宽，实现对低频信号有效的整流升压。电容C2要选用容值大于1μF的储能电容。和传统的整流升压电路相比，该整流升压电路在不增大版图尺寸的情况下，兼顾对低频和高频信号的同时整流，有效提高了带宽，能够实现从20Hz-2.5GHz的宽频带范围工作。

宽带整流升压电路和微带接收天线之间采用直接共轭匹配，传统的方法是在整流升压电路和微带接收天线之间采用阻抗匹配网络进行匹配，该方法会降低无线能量的转换效率。直接共轭匹配不仅能降低制作的复杂度，还可以抑制高次谐波的再辐射，提高转换效率。直接共轭匹配在PCB设计上将二极管和微带接收天线直接相连，但是焊接点的位置是通过电磁仿真优化得到的最佳位置。

永磁体薄片位于微带接收天线中空位置，此混合环境能量收集装置振动时，永磁体薄片可以相对于微带接收天线上下抖动，相当于线圈在切割磁感线，这样在微带接收天线回路中就产生了低频的交变电流，经过整流就得到了直流输出。由于在微带接收天线上产生的交变电流频率很低，而且永磁体薄片和弹簧都是非金属的，所以几乎不会影响微带接收天线收集高频电磁波信号的效果。

薄膜太阳能电池直接贴在微带接收天线上下表面，选用的非晶硅薄膜太阳能电池，非晶硅薄膜太阳能电池由薄膜太阳能电池层，和上下两层玻璃基板层组成，总厚度和一张A4纸厚度差不多，厚度为50-150μm。薄膜太阳能电池的转换效率为10-20%，太阳光直接照射下接收到的能量为50-100mW/cm²，在阴天或者在室内的情况下，接收到的功率将下降到μW级别。薄膜太阳能电池在光照下可以直接输出直流电，使用很方便。

本发明具有有益效果

本发明通过将薄膜太阳能电池直接贴在微带接收天线上下表面，将永磁体薄片固定于微带接收天线中空位置使其振动时磁生电，在不增加环境能量收集装置尺寸的前提下，实现射频电磁波能量、太阳能和机械振动能量三种不同环境能量的收集一体化；通过将三种能量收集模块协调设计于一体，实现了根据不同的环境情况，三种能量收集模块可以同时工作也可以单一工作，三种能量转换效率不会相互干扰；通过在电容C1上并联合适的电感L1，改进了常用的高频整流升压电路，拓宽了工作带宽，可以同时对高频电磁波和电磁感应产生的低频信号进行整流升压。

附图说明

图1为本发明原理框图。

图2为本发明俯视图；

图3为本发明中心的剖面图；

图4为微带接收天线馈电边缘附近的剖面图；

图5为本发明宽带整流升压电路原理图。

图中：1薄膜太阳能电池，2聚四氟乙烯FR4，3微带接收天线，4非金属弹性部件，5永磁体薄片，6过孔，7馈电处，8地平面。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种一体化混合环境能量收集装置，由薄膜太阳能电池、微带接收天线、宽带整流升压电路以及振动能量收集模块共同组成。微带接收天线和振动能量收集模块的输出接宽带整流升压电路，宽带整流升压电路的输出接后级的电源管理模块，薄膜太阳能电池的输出直接接到后级的电源管理模块，最终后级的电源管理模块输出稳定的直流电。

以双层金属印制电路板PCB为制造工艺，PCB板的剖面图如图4所示。从剖面图可以看出，微带接收天线共有3层,不包括薄膜太阳能电池层，顶层和底层均为铜质材料，其中顶层的铜层作为微带接收天线，接收不同频段辐射信号的天线尺寸不同；底层的铜层为地平面；中间层材料为聚四氟乙烯FR4作为介质。这样就构成了一个微带接收天线。

从图5的宽带整流升压电路原理图来看，宽带整流升压电路由二极管D1、二极管D2、电容C1、电容C2和电感L1构成，电容C1和电感L1并联构成并联元件，并联元件的一端为宽带整流升压电路的输入端，并联元件的另一端连接二极管D1的阳极和二极管D2的阴极，二极管D1的阴极接地，二极管D2的阳极连接电容C2的一端然后接输出端，电容C2的另一端接地。电容C1、电容C2采用漏电很低的贴片电容，电容C2要选用容值大于1μF的储能电容，二极管D1、二极管D2采用肖特基二极管，型号为HSMS-2852，电感L1采用贴片叠层电感。

微带接收天线和宽带整流升压电路都是采用微带线结构实现，其物理尺寸全部由Agilent公司的ADS软件进行计算和仿真优化后获得，双层PCB板的介质采用聚四氟乙烯FR4，介质厚度为1.6mm，介电常数为4.28。

采用常用的非晶硅薄膜太阳能电池，贴在微带接收天线正反表面，如图3和图4所示。薄膜太阳能电池在光照下可以直接输出直流电，为了增大输出电压，所有的薄膜太阳能电池串联相接，输出端接电源管理模块。

考虑到金属会影响微带接收天线辐射场，永磁体薄片选用非金属的。永磁体薄片有一定的重量，由四个非金属弹簧固定在微带接收天线中央的中空处，如图2所示。当有晃动时，永磁体薄片会相对微带接收天线平面上下或前后左右抖动，微带接收天线回路切割磁感线，在微带接收天线回路中产生低频的交变电流，然后经过宽带整流升压电路得到直流输出。

Claims (3)

1.一种一体化混合环境能量收集装置，其特征在于包括：平面方形螺旋整流天线、薄膜太阳能电池和永磁体薄片；薄膜太阳能电池覆盖于中空的方形环状双层PCB板上；永磁体薄片位于所述方形环状双层PCB板的中空位置，并通过非金属弹性部件在四方向与双层PCB板连接；永磁体薄片的尺寸小于中空尺寸；所述平面方形螺旋整流天线包括微带接收天线和与微带接收天线相连的宽带整流升压电路组成；微带接收天线为平面方形螺旋微带线，由附于PCB板顶层的铜层构成；PCB板底层的铜层为地平面；微带接收天线工作频率在2.4-2.5GHz；

宽带整流升压电路由二极管D1、二极管D2、电容C1、电容C2和电感L1构成；电容C1和电感L1并联构成并联元件，并联元件的一端连接宽带整流升压电路的输入端，另一端连接二极管D1的阳极和二极管D2的阴极；二极管D1的阴极接地，二极管D2的阳极连接电容C2的一端然后接输出端，电容C2的另一端接地；电容C1容值为1-10nF，电容C2容值大于1μF。

2.如权利要求1所述的一种一体化混合环境能量收集装置，其特征在于：所述永磁体薄片为圆柱形。

3.如权利要求1所述的一种一体化混合环境能量收集装置，其特征在于：所述弹性部件为非金属弹簧。