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一种在GSM下行全频带内用于可穿戴设 备的高效射频能量收集技术
梁东伟李国林
清华大学电子工程系
摘要:
针对市场上可穿戴、低功耗设备的兴起,探讨利用环境屮RF能量实现供电的可 能性。针对GSM下行93 5960 MHz下行频段,使用分立元件在R04003C PCB板材 上进行了测试验证。匹配电路中的电感采用自制绕线电感,在接收功率为-10 dBm时,转换效率达到34.7%。
关键词:
环境能量收集;射频能量收集;可穿戴设备;GSM;
作者简介:梁东伟(1981-),男,研究生,主要研究方向:射频电路。
作者简介:李国林(1970-),男,副教授,博士,主要研究方向:集成电路,射 频电路,电子医疗。
收稿日期:2016-03-02
A GSM downlink full-band high efficiency RF harvesting technology for wearable devices
Liang Dongwei Li Guolin
Department of Electronic Engineering, Tsinghua
University;
Abstract:
This paper concerns the possibility of powering wearable devices with ambient RF energy. For the GSM downlink band of 935、960 MHz, RF harvesting efficiency is measured on R04003C PCB. Self-made winding coils are used in the matching cir~cuit. The efficiency of 34. 7 % is gotten when the received power is -10 dBm?
Keyword:
ambient energy harvesting; RF energy harvesting; wearable devices; GSM;
Received: 2016-03-02
0引言
可穿戴设备是穿戴于人体的小型的计算与传感系统,用来周期性地跟踪、存储、 处理关键的人类生理、活动、事件等参数UL但现有的电池技术增加了成本、 体积及重量,同时电池需要定期充电,更换,这些问题都制约了可穿戴设备的 用户体验R1,人们把目光转向环境能量收集。用于可穿戴设备的环境能量收集 方式有多种,包括热能、震动等,其屮,RF能量收集有着自身的优势,因为它 自身就是电能量收集,不需要热梯度或活动部件等能量转换或传感器件R1,当 然相应的天线或线圈不可或缺。本论文着手于环境中充斥的电磁波能量,给出了 一种小体积的可用于可穿戴设备的电磁波能量收集电路,并测量了其性能。
从目前环境的电磁波能量分布来看,在微波频段,CDMA800 (810^870 MHz), GSM900与GSM1800频段的能量是最稳定的[3-5]。根据Friis H由空间损耗公式, 频率越高,衰减越大,因而需要选择频率较低的频段。同时又考虑到可穿戴设备 的特点,需要尽可能小的天线尺寸,因而本篇论文的测试电路最终选择了 GSM900频段进行对环境能量收集的可行性验证。
根据GSM900频段使用情况[6],上行890?915 MHz,下行935^960 MHzo在距离 GSM900基站25 m到100 m的区域,室内与室外功率密度分布在0.3 m W/nT3 m W/m 范围内[7-9]。
根据公式[10]:
可得到天线接收功率范围为8mW^100mW,其屮100 功率由20 m处功率密度 估算值4.6 m W/m确定,也就是说,在基站20 nT100 m范围内,天线可接收到 -21 d BnT-10 d Bm之间的功率。式中匕为接收功率(m W),代为功率密度(m W/m) , (X/4n)为天线有效面积,G「为接收天线增益,估算中取常见的全向接 收天线增益,101g (Gr) =3 d Bio
在上述功率范围内,采用分立元件实现的能量收集电路,其效率一般在10%左 右[11-13]。得到转换后的可用直流功率范围在0.8 11旷10u W之间。最近出现一 些可穿戴设备上的传感器功耗在0. 1 U旷20uW之间[9,14],如文献[9]中的 quartz watch的功耗为5 M W,而文献[14]的可穿戴生物医学信号捕获与数字化 部件,即超低功耗的模拟前端(AFE:anolog front end)与ADC的功耗仅
0. 343 u Wo因而射频能量收集电路可用来为这些传感器提供能量供给,如是可穿 戴设备在启动信号处理前的吋段无需启动电池供能。
1 GSM频带
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