南方科技大学深港微电子学院在JSSC发表射频能量收集芯片研究成果

近日，南方科技大学深港微电子学院副教授詹陈长和澳门大学微电子研究院正教授罗文基团队取得重要进展。相关成果以“A High-Efficiency Low-Cost Multi-Antenna Energy Harvesting System with Leakage Suppression” [1]为题发表在集成电路设计领域顶级期刊《固态电路杂志》(IEEE Journal of Solid-State Circuits, JSSC)上，双方联合培养的博士生张兆博是论文的第一作者，深港微电子学院詹陈长教授为论文的通讯作者，南方科技大学深港微电子学院为论文的第一单位，该论文得到了国家自然科学基金，深圳科创委和澳门科技发展基金的支持。与此同时，上述研究[1]申请了一项发明专利[2]，申请号为202311102317.1，专利所有权由南方科技大学和澳门大学各占50%。

借助射频能量收集技术，超低功耗无线传感网络设备、物联网设备可以从射频能量中获取能量，从而减少电池的使用，降低物料和维护成本。传统射频能量收集系统中通常仅有单根天线用于能量收集，由于电磁波在传播过程中的多径效应会使空间中分布一些盲点（电磁场强度非常低的区域），最终导致射频能量收集设备可以接收到能量的角度和强度受限。本工作提出了一种全新的低成本高效率多天线射频能量收集解决方案，从而有效解决了盲点挑战，提高了系统的可靠性。

图 1 具有漏电抑制功能的多天线射频能量收集系统

图1展示了本工作提出的多天线射频能量收集系统结构框图。该系统具有3个分布在不同位置的射频天线，从而降低盲点对整个系统的影响。多个射频通道通过共用同一个储能电容从而降低系统成本，因为无需额外的通道间隔离开关，芯片的复杂度得到降低，并具备扩展更多天线数量的能力。电路第二级采用开关电感升压电路来实现最大功率追踪（MPPT）和输出电压稳压功能。同时，该系统实现了冷启动功能。针对不同射频通道共用一个储能电容带来的互相干扰和通道间漏电问题，本工作提出了一种全新的射频整流器及其控制电路如图2所示。通过分别对射频整流器栅极电压的直流分量和交流分量进行控制，使得整流器导通时转化效率提高，而在漏电时可以完全关闭从而降低损耗。最终，该系统获得了44%的峰值转化效率，15dB的高转换效率功率输入范围（转换效率>35%对应的输入功率范围），在无线测试中，相比于仅用单根天线，使用双天线和三天线时的输出功率均有不同程度的提高。图3展示了芯片照片及系统测试照片。

图 2 具有漏电抑制功能的射频整流器

图 3 芯片及能量收集系统照片