基于射頻無線電力傳輸供電的無電池資產跟蹤模塊的先進監控系統

3.系統設計

本文的主要研究目的是如何將基礎設施成本降至最低，基礎設施成本與讀取器的安裝數量直接相關。圖4 表明，完成初始啟動所需讀取器的數量NoR 與兩個參數相關：一個是電壓V_stor 可以達到的最大值Vh，另一個是標簽每次跨越讀取器間距Dx 后電壓增量DV_stor，如下面的公式所示：     (1)

V_stor 的增量電壓DVstor 與RF-DC 轉換器輸出的平均電流Iavg 以及標簽跨過讀取器間距Dx 所用時間Dt 相關，如以下公式所示：   (2)

其中C_storage 是儲電電容。在資產運輸系統中，物體的移動速度v 保持恒定。因此，可以假定：   (3)

根據公式(3), 公式(2)可以改寫為:   (4)

最后，公式(1)可以改寫為:   (5)

實際上，公式(5)在對系統性能有影響的基本參數之間建立起一個有用的關系，為設計系統重要參數提供了有價值的見解，能夠幫助設計人員選擇最佳的系統架構，獲得最佳的性能。該公式表明，在儲電電容C_storage、電壓V_stor 的最大值V_h 和標簽速度v 給定時，通過最大化I_avg 和Dx 的乘積可以實現最佳性能。參數I_avg 和Dx 都與RF-DC 轉換器的設計和架構有關。實際上，I_avg 是RF-DC 轉換器輸出的平均電流，電流值與PCE 性能有關，因此，若發射功率已定，則PCE 越高， Iavg 電流值就越大。Dx 取決于RF-DC 轉換器的靈敏度性能，因此，靈敏度性能越高，讀取器間距就越大。為了減少讀取器數量，必須將靈敏度和PCE 雙雙提高。資產跟蹤系統中的無線電力傳輸需要處理千差萬別的功率狀況。事實上，根據讀取器與標簽的間距、天線方向、發射通道數量，輸入功率在從極低到較高的范圍內變化，更嚴重的是，可用輸入功率大小可能是隨機變化的。在本文提出的系統中，資產標簽在經過讀取器時需要處理輸入功率的巨大變化。當位于讀取器掃描范圍的最遠端時，標簽接收到能量很小；隨著標簽逐漸接近讀取器，收到的能量越來越高。標準RF-DC轉換器體系結構僅優化標簽距離讀取器相對較遠時的接收靈敏度，不適用本文提出的系統。同理，僅優化標簽在某一特定輸入功率時的PCE 性能，盡管當標簽靠近讀取器時效果良好，但也不勝任本文提出的系統。當然，在靜態工作條件下，讀取器和標簽之間的距離是固定并已知的，這些解決方案可能效果理想，但在動態工作條件下則差強人意。不幸的是，對于典型的RF-DC 電路架構，很難同時優化靈敏度和PCE 性能，因為這兩個參數往往是相互對立的。因此，動態系統需要具有利用MPPT 技術在較大范圍內動態跟蹤可用能量的能力^[73-78]。所有的MPPT 技術都有一個共同的要求，就是測量輸入功率。然而，這在超低功率環境中并不是一項簡單的事情，因為這個功能不可避免地會消耗更多的電能，并有可能進一步降低系統的PCE 效率，這也是為什么在被收集能量非常低的情況下，通常很難確定MPPT 電路是否有使用價值的原因。關于這一專題，參考文獻^[79]提出了一種創新技術，介紹了如何通過監測復制和空載的通用能量采集器(RF-DC 轉換器)的輸出DC 開路電壓，有效、動態地跟蹤標簽接收到的輸入功率。CMOS RF-DC 轉換器的典型結構是一系列級聯倍壓器，即經典的兩級Dickson 電荷泵^[80]。達到系統要求的靈敏度功率值必需使用多級電荷泵。此外，在給定輸入功率值Pin 時，電路PCE 性能通常是最大值，Pin 取值非常接近或在大多數情況下就是靈敏度功率值。系統使輸出DC 電壓保持固定，通常使用最大允許電壓。但是，如果輸出DC 電壓恒定，并且級數NoS 保持不變，則隨著輸入功率變高，電路不再是最理想狀態，能效將會降低。如圖5 所示，這是一個基于6 級RF-DC 轉換器的系統，射頻功率分為三個等級：P1 = 18 dBm（靈敏度功率值），P2 = 12 dBm 和P3 = 6 dBm。

因此，如圖6 所示，為了保持最高的靈敏度性能，同時恢復和優化PCE 性能，必需根據已知輸入功率Pin 改變轉換器的級數NoS。此外，圖6 還給出了一個三級RF-DC 轉換器的三種不同設置，即N1 = 6，N2 = 4 和N3 =2。當級數最高時，N_oS = N1 = 6，PCE 數值在最低輸入功率P_in= P1 = 18 dBm 時最大。如果功率增加到P_in = P2 = 12 dBm，通過將級數減少到N_oS = N2 = 4，可以實現最大PCE。當輸入功率進一步增加到P_in = P3 = 6 dBm 時，要想獲得最高PCE，級數必須減到N_oS = N3 = 2。

圖5. 靜態RF-DC 轉換器的功率轉換效率(PCE) 與DC 輸出電壓關系

圖6. 動態RF-DC 轉換器的功率轉換效率(PCE) 與DC 輸出電壓關系.

在本文提出的系統中，按照本文提出的設計建議，RF-DC 轉換器采用868 MHz 頻率。有限狀態機（FSM）電路發出數字信號NoS，用于確定RF-DC 轉換器的最佳級數，如圖1 所示。超低功耗管理單元通過開路電壓Voc 信號測量輸入接收功率。這些功能使系統在靈敏度和PCE 性能之間找到最佳平衡點。圖7 是RF-DC 轉換器的輸入功率關系。

圖7. 在868 MHz 時PCE 與輸入功率的關系.