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高速和射频电路有何差异?射频能量采集的工作原理分析

2017年06月17日 17:08 次阅读

  高速和射频电路有何差异?

  什么是射频电路?随着频率的升高,相应的电磁波波长变得可与分立电路元件的尺寸相比拟时,电路上的导线、电阻、电容和电感这些元件的电响应开始偏移其理想频率特性。一般将射频定义在30 MHz~4 GHz频段,比射频高的频率称为微波。

  一个数字系统的时钟频率本身可能很高,已经处于射频范围内,或者其时钟频率不够高,但其谐波频率却落在射频范围内。所以,一个高速系统,因其信号存在高频成分,电路上的元件呈现分布参数特性,互连系统表现出传输线效应。所以,在设计高速电路时,应具备射频微波知识是很有必要的。

  但高速系统和射频系统存在差别,主要表现在:

  · 射频系统一般处理模拟信号,而高速系统是针对数字信号而言;

  · 射频系统一股是窄带的,而高速系统覆盖从直流开始的很宽频带;

  · 射频信号靠信号的幅度和相位传播信息,一般从频域进行分析;而高速信号靠波形传播信息,一般从时域进行分析

  射频能量采集的工作原理分析

  能量采集是实现低功耗电子器件(如无线传感器)长期免维护工作的一项关键技术。通过捕获环境中的多余能量(如照明、温差、振动和无线电波(射频能量)),完全可以让低功耗电子器件正常工作。在这些微功率能源中,来自射频发射器的能量具有独特的优势,包括随距离变化可预测和一致的功率,从而允许能量采集器远离能源的束缚。

  环境射频能量如今可以从全球数十亿个无线发射器获得,包括移动电话、手持无线电设备、移动基站以及电视/无线广播台等。捕获这类能量的能力有助于创建新的无电池设备,并允许电池供电设备通过无线方式实现点滴式充电。除了环境射频能量外,还有一种方式是使用专门的发射器发送功率,这能使无线电源系统提供更高的性能。在许多应用中这是首选的解决方案,但成本比较高。政府法规一般将使用免许可频带的无线电设备输出功率限制为4W有效全向辐射功率(EIRP),就像射频标签(RFID)询问器那样。作为对比,基于模拟技术的早期移动电话的最大发射功率为3.6W,而Powercast公司的新款TX91501发射器功率为3W。

高速和射频电路有何差异?射频能量采集的工作原理分析

  环境射频(RF)能量采集有个明显吸引人的地方,即收集的是完全“免费的”能量。虽然具有这种能力的设备在充电时可以移动,但许多射频能量采集方案要求使用指向已知能源(如移动基站)的定向天线。在移动电话领域的应用前景是能够收集足够多的环境射频能量来与移动手机的待机功耗相匹配。如果可能的话,那么移动电话将具有连续的待机能力,而不仅仅是几天时间。虽然这种特殊应用目前还不实用,但许多系统级要素的汇集正在推动适合其它应用的环境射频能量采集方案。这些要素包括低功耗元件不断普及、有更多的发射器作为能源、无源射频采集器的射频灵敏度提升以及低等效串联电阻(ESR)双层电容(也称为超级电容)的推广。

  诸如微控制器等低功耗电子元件的制造商正在不遗余力地降低元件功耗,同时提高性能。来自这些公司的数据手册和其它行销广告都在有意宣传几个纳安级的待机电流,以及能够从电压不到1V的电池进行升压的片上DC/DC转换器。其它元件(如传感器等)被越来越多地设计成有助于降低总体系统功耗的无源器件。这对无电池设备来说尤其重要。通过充分的实时能量采集,无电池设备可以连续运转,但如果能量太低,就必须先储存起来,直到足够维持一次工作周期。随着元件功率水平的降低,由能量采集技术供电的系统可以工作得更加频繁。

  无线电发射器的数量,特别是用于移动基站和手机的发射器数量正在不断增加。据ABI Research公司和iSupply公司估计,移动手机用户数量近期已经超过50亿,ITU估计其中有10亿多是移动宽带用户。此外还有众多的Wi-Fi路由器以及诸如笔记本电脑等无线终端设备。在一些城市环境中,有可能检测到数百个Wi-Fi接入点。在短距离范围内,比如同一房间内,可以从发射功率为50mW至100mW的典型Wi-Fi路由器中收集到微小的能量。在更长距离的情况下,需要使用具有更高增益的更长天线才能真正收集到来自移动基站和无线广播塔的射频能量。2005年,Powercast公司在距一个小型5kW AM广播电台1.5英里(大约2.4公里)的地方成功演示了环境能量采集的实现。

高速和射频电路有何差异?射频能量采集的工作原理分析

  无源射频接收器或射频能量采集器件(如Powercast公司的P2110 Powerharvester接收器)工作时的射频输入电平要大于等于-11dBm。提高射频灵敏度允许在距射频能量源更远的距离范围内实现射频至直流(RF/DC)电源转换,但随着距离的增加,可用功率将降低,充电时间将延长。低漏电流的能量存储技术非常重要,特别是在输入功率非常低时,这样才能最大限度地减小采集到能量的损失,使能量采集过程尽可能高效。

  射频能量采集器的一个重要性能是在宽范围的条件下正常工作的能力,包括输入功率和输出负载电阻的变化。例如,Powercast的射频能量采集元件无需额外的耗能电路来实现最大功率点跟踪(MPPT),而这是将太阳能转换为电能等其它能量采集技术不可或缺的。Powercast元件可以在很宽的工作范围内保持较高的射频至直流转换效率,因而具有跨应用和OEM设备的扩展性。能够适应多频带或宽带频率范围并且支持自动频率调谐的射频能量采集电路可以进一步提高输出电能,也因此能扩展移动性,简化安装。Powercast元件采用标准50Ω输入阻抗设计,不仅有利于缩短设计时间,而且支持使用现成的天线。

  图1显示了Powercast P2110 Powerharvester接收器在多个频段的性能,包括中心频率为915MHz的工业-科学-医疗(ISM)频段。

高速和射频电路有何差异?射频能量采集的工作原理分析

  图1:图中曲线显示了P2110 Powerharvester模块在三种ISM频段工作时射频输入功率与转换效率的关系。

  存储利用能量采集技术捕获到的能量有几种方式,包括传统的可再充电电池、新兴的薄膜电池和电容。在过去20年中,锂(锂离子)电池、镍氢电池(NiMH)和薄膜电池都有了长足的发展。随着能量密度的提高和封装尺寸的缩小,这些产品已被成功地用于长时间地维持微功率传感器设备运转。这些产品的缺点是,就像一次性电池那样,可再充电电池也有有限的寿命和充电次数,最终必须要更换。这正是许多行业需要考虑和研究能量采集与替代性能量存储方案(如超级电容)的原因。

  传统的超级电容或众所周知的电化学双层电容器(EDLC)在2.5V或5V时具有数百欧姆的ESR值,这种电容在能量储备应用中已经有30多年的使用历史了,包括用作各种消费设备(如录像机、收音机和其它电子系统)时钟的后备能量。这些时钟在低电压下工作时消耗电流不到10μA,在许多电路的实时时钟(RTC)应用中也有使用。这些低功耗应用发现,EDLC器件是必须被频繁更换的电池与在实用封装(如钮扣电池)下无法提供足够电荷存储的静电/电解电容之间的极好折衷产品。

  针对客户的要求,在过去10年中业界开发出了低ESR的EDLC电容。这种电容能够在高脉冲功率应用中的接近5V电压条件下提供数安的电流。这种EDLC电容体积小,ESR值低(2OmΩ至50mΩ),容量大(6.8mF至1F),额定工作电压范围是2.5V至20V。这些电容可以提供许多应用要求的数安培的高电流脉冲,比如无线条码扫描机、智能抄表系统以及许多类型的GSM/GPRS蜂窝应用。这些低ESR元件现在还设计用于微功率能量采集系统等新兴应用,因为它们具有两种独特性能:低漏电流和低ESR。现在这些电容已经代替其它电容或其它小型电池成为这类应用的首选。例如AVX公司的BestCap元件就具有低ESR、低漏电流和高电流脉冲特性,非常适合环境能量采集使用。它们不仅具有很小的ESR值,而且具有不到几个微安的低漏电流。

  图2是EDLC电容的横截面图。从图中可以看到两个由电解液包围着的纳米颗粒活性碳层,电解液中间则有一个“隔离”层。这两个碳层与集电极相接触,并由集电极将电流输送到外部。这两个碳层由两个串联电容组成,因此命名为双层电容或DLC。由于电容内的电荷载体实际上处于离子态,因此使用了术语电化学DLC(或EDLC)。这张图也显示了简单的原理,其中电荷主要集中在集电极-碳接口。电容(C)直接正比于有效面积(A),并反比于这些电荷(或C a A/d)之间的隔离距离(d)。双层电容的正负电荷之间的间距在纳米范围,这正是EDLC电容容量如此大的原因(因为这个间距要比静电电容的电荷间距小好几个数量级)。

高速和射频电路有何差异?射频能量采集的工作原理分析

  图2:电化学双层电容(EDLC)的横截面图。

  基于含水电解液的BestCap器件使用质子(一种最小的离子)作为电荷载体。与使用较大离子的其它超级电容技术相比,这种电容设计方法可实现每单位有效面积更低的ESR。由于其自身设计实现了更小的漏电流,BestCap架构也具有更高的可靠性。这种技术还可以在相同封装内构建不同的电容,最终能够在同一封装尺寸下灵活地实现不同的额定电压。这种封装内部不需要外部平衡。

  环境中的无线电波数量非常庞大,特别是在人口稠密的城市内,而且频率范围越来越大,功率水平越来越高。如果这种自由流动的射频能量能够被有效和高效地采集,那么这些无线电波就能够成为一种独特且广泛可用的微能源。数量不断增加的无线发射器将导致射频功率密度和可用性日渐提高。专用功率发射器将进一步使可实现、可预测的无线电源解决方案成为可能。随着电子元件功耗的持续降低、无源射频接收器灵敏度的提高以及低ESR双层超级电容性能的改进,通过射频能量采集方式实现无绳充电的实用性应用将不断推陈出新。

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发表于 2018-03-09 11:52 558次阅读
三大基本变换器公式应该这样推导,通俗易懂!

16M晶振要配多大电容_晶振为什么要配电容

晶振的标称值在测试时有一个“负载电容”的条件,在工作时满足这个条件,振荡频率才与标称值一致,也就是说...

发表于 2018-03-09 11:22 153次阅读
16M晶振要配多大电容_晶振为什么要配电容

科锐与英飞凌越加紧密 27亿收购英飞凌射频功率事...

发光二极体(LED)上游晶粒制造大厂科锐(Cree Inc.)3月6日宣布以3.45亿欧元(约27....

发表于 2018-03-08 18:45 1458次阅读
科锐与英飞凌越加紧密 27亿收购英飞凌射频功率事...

英飞凌射频(RF)功率业务,以约3亿4500万欧...

英飞凌首席执行官Reinhard Ploss说:“Cree是我们射频业务的新东家,在业内有良好的声誉...

发表于 2018-03-07 13:46 1636次阅读
英飞凌射频(RF)功率业务,以约3亿4500万欧...

e络盟与 Amphenol SV Microwa...

全球电子元器件与开发服务分销商e 络盟宣布与 Amphenol SV Microwave 签署新的全...

发表于 2018-03-06 16:19 3249次阅读
e络盟与 Amphenol SV Microwa...

看看5G射频连接器有哪些上市公司

10大5G射频连接器上市公司排名

发表于 2018-03-06 09:50 1541次阅读
看看5G射频连接器有哪些上市公司

万用表的用法详解

交流电压测量:如图1最大量程为20V,也就是说你的输入电压不能超过,红表笔插入v/Ω孔,黑表笔插入c...

发表于 2018-03-05 09:46 1187次阅读
万用表的用法详解

钽电容的优点和最新发展

钽电容向设计工程师提供紧致、高性能的电子电路,以及具有稳定性能的可靠高容值解决方案。钽电容过去一直受...

发表于 2018-03-04 15:50 613次阅读
钽电容的优点和最新发展

电容自举电路电路图大全(六款电容自举电路设计原理...

本文主要介绍了电容自举电路电路图大全(六款电容自举电路设计原理图详解)。自举电路是指用电容器使放大电...

发表于 2018-03-01 11:12 1282次阅读
电容自举电路电路图大全(六款电容自举电路设计原理...

小马达正反转怎么接线

具有动力,在一个立式的普通马达(单相或三相异步电动机)的出力轴前面,安装上一个小机,就构成了一台小马...

发表于 2018-03-01 09:00 1337次阅读
小马达正反转怎么接线

瓷片电容怎么测好坏

瓷片电容分高频瓷介和低频瓷介两种。具有小的正电容温度系数的电容器,用于高稳定振荡回路中,作为回路电容...

发表于 2018-02-27 09:54 448次阅读
瓷片电容怎么测好坏

瓷片电容用在什么地方_瓷片电容有正负极吗

瓷片电容是一种用陶瓷材料作介质,在陶瓷表面涂覆一层金属薄膜,再经高温烧结后作为电极而成的电容器。通常...

发表于 2018-02-27 09:39 237次阅读
瓷片电容用在什么地方_瓷片电容有正负极吗

倍压整流用什么电容_倍压整流电路电容多大

本文开始对倍压整流电路结构的优缺点进行了分析,其次介绍了倍压整流电路电容的选择以及分析了倍压整流电路...

发表于 2018-02-26 15:27 1107次阅读
倍压整流用什么电容_倍压整流电路电容多大

5g射频连接器上市公司排名介绍

射频同轴连接器射频同轴连接器的命名方法型号命名射频同轴连接器的型号由主称代号和结构代号两部分组成,中...

发表于 2018-02-26 10:10 596次阅读
5g射频连接器上市公司排名介绍

基于皮肤阻抗分析帮助实现主动和被动皮肤给药

随着领先企业积极开发各种注射替代方法,给药成为制药行业中增长最快的一个领域。可选的给药方式如口服、局...

发表于 2018-02-15 20:36 762次阅读
基于皮肤阻抗分析帮助实现主动和被动皮肤给药

被动元器件涨声再起 行业巨头订单饱满

进入2018年,电阻、电容等元器件价格继续走高。电容、电阻等被动元器件景气度有望持续,涨价趋势或延续...

发表于 2018-02-15 01:14 3765次阅读
被动元器件涨声再起 行业巨头订单饱满

39种电子元件检验要求与方法

电子元件知识——电阻器、电容器、电感器、半导体器件,集成电路是一种采用特殊工艺,将晶体管、电阻、电容...

发表于 2018-02-14 20:55 2490次阅读
39种电子元件检验要求与方法

射频/微波PCB的信号注入设计与优化

将高频能量从同轴连接器传 递到印刷电路板(PCB)的过程通常被称为信号注入,它的特征难以描述。能量传...

发表于 2018-02-14 07:55 204次阅读
射频/微波PCB的信号注入设计与优化

浅析运放补偿电容的作用及相关知识

为了让运放能够正常工作,电路中常在输入与输出之间加一相位补偿电容。本文浅析了运放补偿电容的作用及相关...

发表于 2018-02-12 15:16 266次阅读
浅析运放补偿电容的作用及相关知识

隔直电容的作用及原理

在交流环境下,电源频率越大,角频率ω就越大,容抗就越小,当小到与其他阻抗忽略不计时,甚至可以认为是短...

发表于 2018-02-12 11:32 554次阅读
隔直电容的作用及原理

万用表怎么测漏电

万用表又称为复用表、多用表、三用表、繁用表等,是电力电子等部门不可缺少的测量仪表,一般以测量电压、电...

发表于 2018-02-09 13:59 1436次阅读
万用表怎么测漏电

用万用表检修各类线路故障的方法以及注意事项

1接触测量法 将万用表转换开关置于交流250V或500V挡,第一支表笔接电源的一端,第二支表笔接大地...

发表于 2018-02-08 17:11 1646次阅读
用万用表检修各类线路故障的方法以及注意事项

展讯与RDA合并完成 紫光展锐进一步推进国际化布...

今年紫光展锐将强势杀入手机芯片市场,推出自主研发CPU和推进4G芯片与大陆的合作,据悉射频前端业务是...

发表于 2018-02-08 10:47 340次阅读
展讯与RDA合并完成 紫光展锐进一步推进国际化布...

UHF频段无源RFID读写器系统总体方案设计

该模块的设计目标是设计出一款通用的应用于915MHz的射频收发模块,与控制部分通过自定义的I/O接口...

发表于 2018-02-08 07:57 507次阅读
UHF频段无源RFID读写器系统总体方案设计

基于接收机的应用提出了一种混合式高动态范围AGC...

基于接收机的应用提出了一种混合式高动态范围AGC算法。该算法由射频前馈与中频反馈算法组成,借助现场可...

发表于 2018-02-07 13:49 791次阅读
基于接收机的应用提出了一种混合式高动态范围AGC...

如何查看钽电容的耐压值是多少

钽电容是 电容器中体积小而又能达到较大电容量的产品,是1956年由美国贝尔实验室首先研制成功的,它的...

发表于 2018-02-05 17:25 344次阅读
如何查看钽电容的耐压值是多少

涤纶电容怎么判断好坏

用两片金属箔做电极,夹在极薄绝缘介质中,卷成圆柱形或者扁柱形芯子,介质是涤纶。涤纶薄膜电容,介电常数...

发表于 2018-02-05 16:39 642次阅读
涤纶电容怎么判断好坏

涤纶电容的特点和优缺点

涤纶电容是指用两片金属箔做电极,夹在极薄绝缘介质中,卷成圆柱形或者扁柱形芯子,介质是涤纶,涤纶薄膜电...

发表于 2018-02-05 16:23 553次阅读
涤纶电容的特点和优缺点

一文了解功分器核心及仿真设计

一个功分器设计实际上就变成了一个阻抗变换器的设计,阻抗变换器有非常多的实现方式:阶梯阻抗变换器/变压...

发表于 2018-02-05 11:06 2128次阅读
一文了解功分器核心及仿真设计

定向耦合器的基础知识解析

定向耦合器是一种极具使用价值的无源射频器件,其可从主传输路径中提取一小部分能量,并将其导向至一个或多...

发表于 2018-02-05 08:42 1423次阅读
定向耦合器的基础知识解析

介绍TVS管原理特性和参数,并分析一下散热选取

这里主要介绍原理特性和参数,然后画一些时间分析一下散热选取,最后把PCB总结一下。瞬态二极管【TVS...

发表于 2018-02-03 13:52 903次阅读
介绍TVS管原理特性和参数,并分析一下散热选取

电容和电池的区别

随着电子技术的发展,现在电容的容量越做也大,在很多地方逐步代替了电池,比如现在自动冲水的水龙头很多都...

发表于 2018-02-02 09:34 305次阅读
电容和电池的区别

电容怎样做成电池用

超级电池作为新型的、环保的动力型电池,能够大幅度改善传统铅酸蓄电池各方面的性能,包括对“硫酸盐化”现...

发表于 2018-02-02 09:24 321次阅读
电容怎样做成电池用

关于贴片钽电容的频率特性分析

钽电容器的电容随温度变化而发生变化。这种变化本身就是一个小的程度上依赖额定电压和电容的大小。从下面的...

发表于 2018-02-01 16:40 275次阅读
关于贴片钽电容的频率特性分析

分享动力电池的性能参数

作为一篇入门的文章,笔者先跟大家分享一下动力电池的性能参数,虽然这些个参数都比较偏理论叙述,但是却是...

发表于 2018-01-30 08:38 878次阅读
分享动力电池的性能参数

向智能化仓储改进的原因以及其特点分析

仓储是企业物资流通供应链的一个重要环节,是现代物流的核心环节,在仓库管理活动过程中,会产生大量的仓储...

发表于 2018-01-29 17:07 1020次阅读
向智能化仓储改进的原因以及其特点分析

去耦电容的选择、容值计算和pcb布局布线详解

去耦电容的应用的非常广泛,在电路应用过程中对于去耦电容的容值计算和PCB电路布局布线有一些我们必须要...

发表于 2018-01-28 18:28 1058次阅读
去耦电容的选择、容值计算和pcb布局布线详解

高通将携手产业链助力5G在2019年成为现实

在昨日举行的 “Qualcomm中国技术与合作峰会”上,Qualcomm总裁克里斯蒂安诺·阿蒙发表了...

发表于 2018-01-27 10:17 2234次阅读
高通将携手产业链助力5G在2019年成为现实

分享15个运算放大器基础知识

1.一般反相/同相放大电路中都会有一个平衡电阻,这个平衡电阻的作用是什么呢? (1) 为芯片内部的...

发表于 2018-01-26 16:47 1731次阅读
分享15个运算放大器基础知识

可控硅的作用介绍及检测方法

. 可控硅的特性。 可控硅分单向可控硅、双向可控硅。单向可控硅有阳极A、阴极K、控制极G三个引出脚。...

发表于 2018-01-26 16:33 575次阅读
可控硅的作用介绍及检测方法

借用电容的一些参数来理解电感

基础元器件里面,电阻接触的比较早,也比较贴近实际,所以比较好理解,电容因为经常用,所以也有些概念,但...

发表于 2018-01-26 16:33 449次阅读
借用电容的一些参数来理解电感