摘 要

由于无线通信网络的迅速发展，无线器件的能量补给问题已成为人们研究的重要课题之一。射频能量收集系统由射频天线，整流电路以及储能元件组成。本文针对射频能量系统介绍了现如今射频能量收集系统的发展，射频能量收集系统的结构，并对其中的天线部分做了详细说明。天线有很多种类型，不同种类的天线有着各自不同的特性，其中四臂角锥螺旋天线拥有半球形的方向图和良好的圆极化特性，由于在空气中射频能量的分布很散，所以角锥螺旋天线的这些特性很利于收集这些分散的射频能量，因此本文选择了用四臂角锥螺旋天线作为射频能量收集系统的接收天线，并利用HFSS这款软件对角锥四臂螺旋天线进行了仿真。同时本文还介绍了螺旋天线的结构特点，介绍了几种常见的基础螺旋天线模型.

关键词：能量收集；天线；螺旋天线；HFSS仿真

Abstract

Due to the rapid development of wireless communication networks, energy supply problems of wireless devices has become an important issue for researchers. RF energy harvesting system consists of a radio antenna, a rectifier circuit and storage elements. This paper is talked about the RF energy system describes the recent development of RF energy harvesting systems, the configuration of radio frequency energy collection system, and the antenna section a detailed description. There are many types of antennas, different types of antennas have their own characteristics. The four-arm properties spiral antenna has a hemispherical pattern and good circular polarization characteristics. Since the distribution of RF energy in the air is ambient, so these properties pyramidal helical antenna is very beneficial to collect these ambient RF energy. Therefore, this article chose to use four-arm quadrifilar helical antenna as the receiving antenna of radio frequency energy collection system. And simulate the pyramid quadrifilar helical antenna by the use of the software HFSS. At the same time,this article also describes the structural characteristics of the helical antenna, and it introduces several common helical antenna models

Key words: Energy Harvesting；antenna；Helical antenna；HFSS simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1. 无线能量收集系统的发展及现状 1

1.2. 射频能量收集原理 2

1.2.1.天线设计 2

1.2.2.整流电路 3

1.3. 本文主要工作及内容 4

第2章 天线原理 5

2.1 天线基本理论 5

2.1.1天线的定义 5

2.1.2天线的分类 5

2.1.3天线的基本参数 7

2.2 螺旋天线 9

2.2.1螺旋天线的发展 9

2.2.2非频变天线 9

2.2.3平面等角螺旋天线 12

2.2.4阿基米德天线 13

2.2.5立体螺旋天线 13

第3章 HFSS的仿真 15

3.1 HFSS软件介绍 15

3.2 螺旋天线设计 15

3.2.1 设计原理 15

3.2.2 基础螺旋天线的仿真 15

3.2.3 仿真共形角锥四臂螺旋天线 17

3.2.4 仿真结果图 23

第4章 总结及展望 28

参考文献 29

致谢 30

第1章 绪论

在当今社会，人们越来越越意识到能源的珍贵，无论在何时，无论在何地，人们都提倡着绿色环保。随着信息化的高速发展，人们逐渐对各种智能化设备高度关注，随处可见各种远程控制台，各种电磁波发射基站。在人们生活的各个集聚地，充斥着各个频段的电磁波，而这些电磁波也是具有能量的，将这些能量收集起来利用，又可以节约很多的能源。现如今，射频能量收集已经用来给小型设备供电，已取得很大的进展。

无线能量收集系统的发展及现状

在近几十年的时间里，随着无线网络通信技术的高速发展，全球各个角落都有大量的射频能量从各种无线发射基站发射出来，例如移动电话，电视电台的信号发射基站电话的发射转接基站等等。同时，这些射频能量的频率分布及其广阔，而其中有很大一部分是可以被收集的。因此，利用射频能量来为一些低频率的电路提供能量已经开始成为一种趋势。

利用这些能量为低频电路供电能够降低对电池的需求，同时也可以使得一些带电池的设备工作更长的时间。同时一些无电池的设备也可以设计成一种得到能量或者储备足够能量之后工作的设备。现如今，这一技术的优点在于它能够利用空间中免费的能量——电磁波。而空气中的电磁波能量在一定程度上还会随着社会信息化的高度发展而持续增强。特别是随着移动用户的增加，作为射频能量发射源主体的移动设备，将有可能为各种近距离传感器提供能量。在一些大城市中，人们已经可以从某些位置检测出很多WIFI发射器发出的电磁信号了。例如在近距离的情况下，人们已经可以很容易的在室内无线局域网络中从一个路由器获取1000mW的功率了^[1]。相比而言，如果是针对远距离传输的电磁信号，人们就需要使用具有更宽的频带设备去收集。

一些无源射频接受器^[2]或者一些射频能量采集器件工作的时候，需要的输入电平比较高。为了满足它们的工作条件，就需要提高射频灵敏度，让天线能够接收到更大范围内的电磁波，只有接收到足够的射频能量，才能将其转化成足够高的直流电平，给无源器件供电，但是随着接收电磁波距离的增加，可用的电磁波功率也会越来越低。由此导致，在输入功率很低的时候，也需要比较高的利用率，因此有关低漏电流的技术也就变得非常的重要了，因为只有这样，才能把低功率时收集到的能量利用起来，使能量收集系统的效率提高^[3]。

能够在宽频带的条件下工作，对于射频能量采集器来说，是非常重要的，例如，Powercast的射频能量采集元件。它不需要其他的耗能元件来帮助其工作，这对于射频能量收集系统来说很关键，同时，它可以以很高的转换效率工作在相对宽的频带中，因此它能够被用于很多其他的应用。它还能够自动调谐频率来进一步提高射频能量采集电路的工作效率。同时，它能扩展移动性，因而能简化安装。