论文总字数：40738字

摘 要

随着无线传感器节点在物联网（IOT）和无线体域网（WSN）的普及，节点对供电续航能力和集成体积的需求，使得电池供电的方案渐渐被环境能量收集取代。随着现代微电子系统功耗的降低，环境中无处不在的射频能量也可以成为传感器节点的能量源。射频（RF）能量收集系统的目的是通过天线收集环境中的射频能量，经由整流电路处理后将交流信号转换为直流信号为节点供电。

Dickson整流电路，在设计过程中，由于电路性能与参数之间复杂的影响关系，为了定制一个整流电路的性能往往需要大量的仿真测试，耗时耗力。本论文的主要工作是，对于工作在MOS管饱和区的多级Dickson的整流电路，在饱和区工作电路模型的基础上，进一步考虑到阈值电压补偿对于电路工作的影响，通过合理的数学物理分析和Cadence验证得到准确地多级整流电路模型。利用得到的模型，使用MATLAB将电路的性能参数直观化，并且利用MATLAB迭代计算得到特定需求的传统整流电路的最优设计方案，为多级整流电路的设计做出合理的指导。

所有的模型验证和仿真都基于SIMC0.18μm工艺库进行，主要使用的器件为0.18μm的Native NMOS管。

关键词：SIMC0 .18μm工艺，射频能量收集，Dickson整流器，电路分析与建模，MATLAB仿真，优化设计

ABSTRACT

With the popularity of wireless sensor nodes in the Internet of Things (IOT) and wireless body area networks (WSNs), the need for power-supply and integrated volume of nodes has made battery-powered solutions gradually replaced by environmental energy harvesting. As the power consumption of modern microelectronic systems decreases, the ubiquitous RF energy in the environment can also be the energy source for sensor nodes. The purpose of the radio frequency (RF) energy harvesting system is to collect the RF energy in the environment through the antenna, and then convert the AC signal into a DC signal to power the node through the rectifier circuit.

Dickson rectifier circuit, in the design process, due to the complex relationship between circuit performance and parameters, in order to customize the performance of a rectifier circuit often requires a large number of simulation tests, time-consuming and labor-intensive. The main work of this thesis is to further consider the influence of threshold voltage compensation on the circuit operation on the basis of the saturation circuit working circuit model for the multi-stage Dickson rectifier circuit working in the MOS tube saturation region. Then, an accurate multi-stage rectifier circuit model is obtained through reasonable mathematical physics analysis and Cadence verification. Using the obtained model, using MATLAB to visualize the performance parameters of the circuit, and using MATLAB iterative calculation to obtain the optimal design of the traditional rectifier circuit with specific requirements, to provide reasonable guidance for the design of multi-level rectifier circuit.

All model validation and simulations are based on the SIMC 0.18 process library. The main device used is a 0.18μm Native NMOS transistor.

Keywords: SIMC 0.18 process, RF energy harvesting, Dickson rectifier, circuit analysis modeling, MATLAB simulation, optimization design

目 录

摘 要 2

ABSTRACT 3

第一章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.1.1 能量收集在物联网网络中的应用 1

1.1.2 能量收集在无线体域网（WBAN）的应用 2

1.2环境能量收集 2

1.3 国内外研究现状 3

1.4本论文的主要工作和组织结构 4

1.4.1 本论文的主要工作 4

1.4.2 本论文的组织结构 5

第二章 RF-DC能量收集系统 6

2.1 RF能量收集系统的架构 6

2.1.1 RF能量收集传感网络结构 6

2.1.2 RF能量收集系统节点架构 7

2.2 RF—DC转换器 8

2.2.1 RF—DC整流器性能参数 9

2.2.2整流器件选择 10

2.3 单级RF—DC整流器 11

2.3.1 单端输入单级整流器 12

2.3.2 双端输入差分整流器 13

2.4 多级整流器 13

2.5 本章小结 14

第三章 整流电路的模型分析和利用 15

3.1 整流器电路模型分析 15

3.1.1 单级整流器输出电压 15

3.1.2 单级整流器功率损耗 20

3.1.3 多级整流器输出电压 20

3.1.4 多级整流器功率损耗 21

3.2 仿真验证 22

3.3 整流器模型MATLAB仿真 23

3.4 设计模拟应用 26

3.5 本章小结 28

3.A MATLAB代码 28

第四章 总结与展望 34

4.1总结 34

4.2 展望 34

参考文献 36

致 谢 37

第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

近年来，随着科学技术的发展，微电子系统的进步，越来越多的微型或者便携无线设备，如手机，蓝牙等等，被应用于日常生活中；同时，物联网概念的提出与相关技术的发展，在工业中，各类传感器节点也得到了大量的应用^[1;13-17]。这类设备的主要能量供应源，原先是电池等一些能量储存设备。然而这些能量储存设备的使用，一般会给无线设备引入不小的体积。此外，电池的寿命有限，时常需要更换，然而，对于很多场合的应用的无线设备，更换电池的性价比是十分低下的（例如生物医学中植入式人体传感器；物联网中大规模部署的传感器节点网络），废旧电池又会引起环境污染^[3]。

为了解决微电子系统的工作寿命和可持续性问题，科研工作者们一方面致力于降低微电子系统的功耗，并在这一方面取得长足的进展，如今硅微电子系统的功耗越来越低，已经可以以微瓦级的功耗进行运作。另一方面，既然功耗需求降低，他们也将目光聚焦于新的能源供应模式：从环境中采集能量，直接为微电子系统进行供电。这种采集环境能量进行持续性工作的系统，一般被称为自供电（self—powering）电子微系统。

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