论文阅读——SWIPT Module for Battery Less Ultra Low Power Sensor Nodes
文章目录
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摘要
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一、SWIPT 模块设计
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二、结果与分析
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- A. WPT性能测量
- B. WIT 性能测量
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总结
论文来源：https://ieeexplore.ieee.org/document/10720647
摘要
文章提出了一种能够驱动无电池超低功耗无线传感器节点的同时无线信息与能量传输模块。该模块采用小型化圆形贴片天线，利用近场耦合馈电实现 5GHz Wi-Fi 频段（5.15GHz - 5.825GHz）的无线信息传输（WIT）。WIT 操作可通过使用电容性耦合馈电向该模块进行无线能量传输（WPT）来供电。WPT 由专用射频辐射器实现，其在 4.9GHz - 5.1GHz 频段发射射频能量。为降低互耦效应，WIT 和 WPT 选择了不同的频段。此外，WIT 和 WPT 使用正交极化馈电进一步增强了信息与能量信号之间的隔离度。该设计集成了两个共轭匹配的并联肖特基二极管、一个阶梯阻抗低通滤波器和一个并联直流组合网络，用于对入射射频波进行全波整流（FWR）。
一、SWIPT 模块设计
图 1 展示了所提出的 SWIPT 模块的设计布局。所提出的 SWIPT 模块在FR4基板上进行制作。
图1 所设计的天线.
图 2（a）展示了所提出的 SWIPT 设计的制作原型，展示了各种设计特征和组件。
图2 天线(a)原型和(b)等效电路.
图 1 中所示的两个共极化 WPT 馈线通过电容耦合从圆形贴片提取射频能量。后续 WPT 端口（表示为端口 2 和端口 3）的输入阻抗与并联 SBD（SMS7630 - 079LF）阻抗共轭匹配，以在 5GHz 时实现从圆形贴片的最大射频功率传输并减少插入损耗。此外，电容耦合限制了反向直流流入贴片，提高了模块的 PCE。
此外，一个电感以及作为低通滤波器的阶梯阻抗微带线被用作扼流圈，以限制射频信号通过直流负载流动。如图 2（a）所示，一对并联 SBD 对称地放置在圆形贴片周围，类似于图 2（b）所示的中心抽头 FWR 实现方式。入射射频波在圆形贴片的孔径上感应出模式电流，导致在施加的射频波的交替半周期中每个二极管上产生正电压。随后，直流线路的并联连接确保了每个半周期产生的输出直流功率的耦合，以实现完全集成的 FWR。
为了进行通信，一个 5GHz Wi-Fi 频段收发器模块可以连接到具有端口阻抗（表示为端口 1）的近场耦合 WIT 馈线。此外，WIT 馈线和 WPT 馈线的交叉极化排列确保了信息与能量信号之间的高隔离度。
二、结果与分析
A. WPT性能测量
图3 WPT仿真结果.
图 3（a）绘制了端口 2 和端口 3 的模拟反射系数。结果表明在 5GHz 频率下模拟的与之间的共轭阻抗匹配。这通过图 3（a）所示的直流电压与频率测量结果中 5GHz 时的 557 mV 峰值开路直流电压得到验证。此外，图 3（b）和图 4（c）分别展示了在𝜙 = 0°和𝜙 = 90°仰角平面上的归一化模拟和测量直流功率方向图。结果表明所提出模块的模拟和测量 WPT 辐射特性之间具有良好的一致性。
图4 WPT仿真结果.
评估PCE，并将结果绘制在图 4（a）中，显示在 700Ω 的最佳负载下最大 PCE 为 74.5%，提供 91.44µW 的最大收集直流功率。此外，测量不同下的，并计算相应的 PCE 值。相应结果绘制在图 4（b）中，表明 PCE 和相对于呈非线性增加，这是由于 SBD 的非线性特性所致。
B. WIT 性能测量
图5 WIT仿真结果.
图6 WIT仿真结果.
图 5（a）展示了端口 1 的模拟和测量反射系数。结果表明在 5.15GHz - 5.72GHz 频率范围内，在 5GHz 时模拟的，并且在整个 5GHz Wi-Fi 频段内≥18 dB。在 5.42GHz 处实现了最大增益，在 WIT 工作频段内变化≤1 dBi，辐射效率≥78.5%，如图 5（b）所示。使用 USRP 在端口 1 的不同频率信道上测量了误码率（BER）与信噪比（SNR）的关系。结果如图 5（c）所示，对应于 BPSK 调制，证明了所提出的SWIPT模块在 5GHz Wi-Fi 频段内的有效操作。数据表明所提出的模块在保持低 BER 方面表现良好，证实了其适用于WIT。此外，图 6 所示的模拟和测量 WIT 辐射方向图表明在𝜙 = 0°（𝜙 = 90°）平面内 3 dB 波束宽度为 88°（≥92°），在整个WIT频段内辐射方向图几乎相似。
总结
本文提出了一种结合双极化和频率分割技术来实现 SWIPT 操作的方法。所提出的模块在整个 5GHz Wi-Fi 频段内实现了 557 MHz（5.15GHz - 5.72GHz）的 WIT 阻抗带宽（S11≤-10dB），辐射效率≥78.15%。此外，在 5GHz 时，对于 - 9.16 dBm 的输入射频功率，在 700Ω 的最佳负载下，实现了 4.9GHz - 5.1GHz 的 WPT 操作带宽和 74.5% 的峰值 PCE。收集的直流功率在与 PMU 集成后能够使 BLE 传感器信标模块运行，证实了其在 5GHz Wi-Fi 频段内低功耗 SWIPT 物联网操作的可行性。此外，37×28.6mm² 的小型化尺寸使所提出的设计适用于小型超低功耗传感器节点的无电池操作。