【摘 要】
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随着物联网时代的到来,低能耗电子产品的应用越来越广泛,对小型电子产品的供能已成为行业研究热点。利用能量收集技术,获取自然环境中的不同能量,并转化为电能,用于电子产品供电,拥有非常可观的发展前景。本文研究了基于压电材料与太阳能薄膜的光能、射频与振动环境混合能量收集技术,通过将压电材料与太阳能薄膜作为天线介质层,形成三种能量一体化收集天线结构,打破了传统单一能量收集的限制。针对射频和振动能量收集模块分
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随着物联网时代的到来,低能耗电子产品的应用越来越广泛,对小型电子产品的供能已成为行业研究热点。利用能量收集技术,获取自然环境中的不同能量,并转化为电能,用于电子产品供电,拥有非常可观的发展前景。本文研究了基于压电材料与太阳能薄膜的光能、射频与振动环境混合能量收集技术,通过将压电材料与太阳能薄膜作为天线介质层,形成三种能量一体化收集天线结构,打破了传统单一能量收集的限制。针对射频和振动能量收集模块分别设计了相应的整流电路,实现了整流电路高效率的设计目标,最后设计了两种环境混合能量收集整流天线,并对其做实测,具体研究内容和设计结果如下:1、设计了一种基于PVDF压电材料的扇形环境混合能量收集天线,该天线以PVDF为天线介质,表面覆扇形铜皮贴纸作为天线辐射单元,实现了天线的小型化设计。该天线的工作带宽为2.3GHz-2.7GHz与3.9GHz-6GHz,谐振点分别是2.4GHz和4.4GHz,在谐振点处增益分别为2.05d B与2.7d B;PVDF材料的一阶特征频率为71Hz;2、设计了一种基于PVDF材料与太阳能薄膜的叠圆形环境混合能量收集天线,该天线在PVDF材料的下表面粘贴太阳能薄膜,两者共同构成天线介质层,然后在PVDF材料的上表面覆叠圆形铜皮为天线辐射单元。该天线的工作带宽是1.9GHz-2.8GHz,可覆盖2.4GHz无线Wi-Fi频段,谐振点是2.4GHz,在谐振点处增益为3.4d B;PVDF与太阳能薄膜的一阶特征频率点是75Hz;3、针对单频段与双频段天线,设计单支路与双支路整流电路。射频整流电路均通过电容与电感进行阻抗匹配,并在PCB板上进行实物制作,最终单频段整流电路在2.4GHz时实测效率为58%;双频段整流电路在2.4GHz和4.4GHz时的实测效率分别是51%与57%;4、针对振动能量收集部分,进行了低频整流电路的设计。为了提高输出电压的电压值和稳定性,在仿真软件Multisim中进行低频整流电路的优化仿真,最终当输入电压为2V时,电压输出有效值和转化效率分别为2.52V和126.2%,纹波电压和其系数分别是0.1V和2.63%,输出电压达到稳态的时间是0.29秒。5、研制了两种环境混合能量收集装置并进行实验测试。基于压电材料的环境混合能量收集装置在2.4GHz处,射频部分的输出电压是1.47V、输出功率是216.09?W;在振动频率为71Hz时,压电部分的输出电压是1.17V、输出功率是684.45?W。基于太阳能薄膜与压电材料的环境混合能量收集装置在频率为2.4GHz时,射频部分的输出电压是1.77V、输出功率是313.29?W;在振动频率为75Hz时,压电部分输出电压是1.51V、输出功率是1.14m W,当光强度为100m W/cm~2时,光能部分输出电压为1.42V,输出功率为2.0164m W,输出功率值可以达到对低能耗电子产品的供电要求。
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