无线能量收集系统
无线射频能量收集系统设计
无线射频能量收集系统设计杨涛，刘兴，李健，周洋（国网江西省电力有限公司信息通信分公司，江西南昌330096）摘要：微型电子设备供电方式仍是以电池为主，更换电池带来的困难使这些设备无法长久运行，无线射频能量技术为低功率微电子设备的供电提供了一种新的方式。
文中设计了一套接收2.4GHz射频信号的射频能量收集系统，该系统主要由微型贴片天线、阻抗匹配电路、整流升压电路和存储电路构成，利用ADS仿真工具验证了系统设计的可行性，当负载电阻在100kΩ，输入功率在-10dBm-5dBm之间时，能量转换效率均在30%以上，可实现低功率微电子设备的持续供电。
关键词：射频能量收集；接收天线；阻抗匹配电路；整流升压电路中图分类号：TM461.3文献标志码：B文章编号：1006-348X（2021）04-0016-050引言随着无线通信技术的迅速发展，便携式和分布式无线设备应用越来越普及，如何为这些设备提供稳定可靠的电源正成为限制无线设备应用和普及的问题之一。
无线射频能量收集技术的发展为低功率无线设备的供电提供了一种新的方式。
无线射频能量收集系统既可以收集环境中的射频信号，也可以收集特定发射器产生的射频信号。
文献[1]设计了一种基于超宽带阿基米德螺旋天线和半波乘法器电路的射频能量收集系统，在0dBm的输入功率下得到了30%的整流效率，且得到的输出电压及功率均可满足低功耗设备的工作需求，但是仍然避免不了能量收集系统体积过大的问题。
文献[2]设计了一个以4-RF频带天线为接收天线的射频能量收集系统，该系统同时从GSM900（全球移动通信系统）、GSM1800、UMTS（全球移动通信系统）和WiFi频段获取能量，在4个射频波段均匀分布的10dBm累计输入功率下，能量转换效率为62%，在5.8dBm时达到84%，但是该系统的天线体积过大的问题仍然存在。
一些最近的非常先进的研究[3-6]，采用CMOS的方案进行射频能量收集系统的设计；文献[7]已经实现在输入功率1MW的情况下转换效率高达74%，通过从外部给所述电路供电，并在CMOS配置中使用自体偏置技术来改变阈值电压并更快地打开晶体管，然而，在整流电路中已经达到高效率的方案没有使用真正的无源配置。
RF能量收集系统的设计与优化
RF能量收集系统的设计与优化随着无线通信技术的不断发展，射频（RF）能量收集技术也越来越受到人们的关注。
RF能量收集系统具有很强的适应性和灵活性，可以应用于无线电能传输、传感器网络、物联网等领域。
本文将介绍RF能量收集系统的设计及其优化方法。
一、RF能量收集系统的基本原理RF能量收集系统主要包括天线、整流电路、滤波电路、电容、电池等组成。
其中，天线是收集RF信号的关键部件，整流电路则是将收集到的RF信号转换为直流电能的核心部件。
RF能量收集系统的基本原理是通过天线感应周围的RF信号，将其转化成电流，然后将电流通过整流电路转换为电压，最后存储至电容或电池。
整个过程可以简单地描述为：收集、整流、存储。
RF能量收集系统可以利用环境中的RF信号对无线设备进行供电，减少或消除电池更换的需求，从而降低维护成本。
二、RF能量收集系统的设计要点1. 天线设计天线的设计是RF能量收集系统的关键，其性能直接影响整个系统的收集效率。
天线的选择应该考虑到天线的尺寸、阻抗匹配、频率响应等因素。
常见的天线类型包括：微带天线、PCB天线、陶瓷天线等。
2. 整流电路设计整流电路是将收集到的RF信号转换为直流电能的核心部件。
一般采用电荷泵整流电路或整流桥电路。
电荷泵整流电路适用于低功率、低压的应用；整流桥电路适用于高功率、高压的应用。
3. 滤波电路设计滤波电路的主要功能是滤去天线感应得到的噪声信号，减少电路的干扰和噪声。
常见的滤波电路包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。
4. 电容和电池设计电容和电池的选择应该考虑整个系统的功耗、负载电流和储能需求。
对于充电电容，应该选择电容性能好、充电时间短的电容器；对于储能电池，应该选择放电性能好、自放电率低的电池。
三、RF能量收集系统的优化方法1. 天线增益优化天线增益是指天线感应周围RF信号的能力。
增加天线增益能够提高系统的收集效率。
常用的优化方法包括选择合适的天线尺寸与类型、增加天线密度等。
应用于无线传感网的能量收集系统关键电路
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能量管理模块
传感节点
负责管理和优化能量的存储和使用，确保 传感节点的持续供电。
负责监测和传输数据，通过无线方式与网 关进行通信。
硬件设计
01
硬件设计概述
硬件设计包括传感器选择、微控制 器、电源管理电路等。
微控制器
选择具有低功耗、高性能的微控制 器，用于数据处理和控制。
03
02
传感器选择
根据应用需求选择合适的传感器， 如温度、湿度、压力等。
研究内容与结构
研究内容：本研究旨在开发一种应用于无线传感网的 能量收集系统关键电路。具体研究内容包括：高效能 能量收集器的设计与优化、能量管理电路的研究与设 计、系统集成与测试等。
研究结构：本研究共分为五个部分。第一部分为引言， 介绍研究背景、意义、国内外研究现状及研究内容与结 构。第二部分为高效能能量收集器的设计与优化，主要 涉及太阳能、风能等能量收集器的原理、设计方法及优 化策略。第三部分为能量管理电路的研究与设计，重点 探讨能量储存、转换及管理电路的设计与实现。第四部 分为系统集成与测试，包括能量收集系统关键电路的集 成、测试平台搭建及性能测试。第五部分为结论，总结 研究成果及对未来工作的展望。
02
能量来源包括太阳能、风能、振动能等可再生能源 ，以及射频能量、热能等其他能源。
03
能量收集系统的目标是实现高效、可靠的能源获取 和存储，以满足无线传感网的能源需求。
关键电路类型与功能
整流电路
将交流（AC）转换为直流（DC），为传感 器节点提供稳定的电源。
面向无线传感器网络的能量收集与管理系统设计
面向无线传感器网络的能量收集与管理系统设计无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量的分布式无线传感器节点组成的网络系统。
在WSN中，节点通过无线通信收集环境中的信息，并将其传输到基站进行处理和分析。
然而，由于传感器节点的能量供应有限，且很难更换节点电池，能量收集与管理系统的设计变得尤为重要。
本文将针对无线传感器网络的能量收集与管理系统进行设计，以提高传感器节点的能源效率，延长网络寿命，并确保系统的可靠性和稳定性。
一、能量收集子系统设计在无线传感器网络中，能量收集子系统的任务是从环境中收集能量，为传感器节点提供能源补给。
以下是能量收集子系统设计的几个关键方面：1. 能量收集方式：根据环境特点和能量来源的不同，能量收集子系统可以采用多种方式进行能量收集，包括太阳能、风能、振动能等。
设计时需要考虑能量源的稳定性、可获得性和效率，选择适合的能量收集方式。
2. 能量收集电路：能量收集子系统需要设计适合能源的电路来收集和转换能量，以适应传感器节点的能量需求。
常见的能量收集电路包括太阳能电池阵列、电感耦合电池等，设计时需要考虑能量转换效率、电路稳定性和成本。
3. 能量存储器：能量收集子系统还需要设计能量存储器来储存收集到的能量，以便在传感器节点需要时进行供能。
常见的能量存储器包括超级电容器、锂电池等，设计时需要考虑存储容量、充放电速度和寿命。
二、能量管理子系统设计能量管理子系统的任务是合理分配和管理传感器节点的能量资源，以提高能源利用效率和系统稳定性。
以下是能量管理子系统设计的几个关键方面：1. 能量分配策略：能量管理子系统需要设计合理的能量分配策略，根据节点的能量需求、工作状态和环境情况，动态调整能量分配比例。
例如，可以根据节点的工作负载和距离基站的距离，分配不同比例的能量供给。
2. 能量监测与调度：能量管理子系统需要监测传感器节点的能量消耗情况，及时发现能量不足的节点，并进行能量调度。
物联网中的无线传感与能量收集技术
降低能量收集技术的成本，使其更具有市场竞争力。
多源能量收集
开发多源能量收集技术，整合多种可再生能源，提高能源利用效率。
智能管理
开发智能能量管理系统，实现对能量的智能管理和优化分配。
04
无线传感与能量收集技术在物联网中 的应用
智能家居
智能照明
通过无线传感器控制灯光，实现自动化调节 和节能。
息。
无线传感器的应用场景
环境监测
用于监测空气质量、温湿度、光照等 环境参数，实现环境自动控制和调节 。
智能家居
用于家庭安全监控、智能照明、智能 家电控制等，提高生活便利性和舒适 度。
工业自动化
用于生产过程中的参数监测、设备故 障预警等，提高生产效率和降低成本 。
农业物联网
用于农田环境监测、作物生长监测、 精准灌溉等，提高农业生产效益和资 源利用率。
解决方案与建议
技术创新
加强研发力度，提高传感器精度和稳定性，优化能量 收集技术。
安全策略制定
建立完善的安全策略，保护用户隐私，加强防御外部 攻击的措施。
应用拓展
鼓励跨行业合作，降低成本，推动物联网技术的普及 和应用。
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物联网的应用领域
智能家居
通过物联网技术将家居用品连 接起来，实现智能化控制和管 理，提高生活便利性和舒适度
。
智能交通
通过物联网技术实现交通工具 的智能化管理和调度，提高交 通效率和安全性。
智能农业
通过物联网技术实现农业生产 的智能化监测和管理，提高农 业生产效率和农产品质量。
智能工业
通过物联网技术实现工业生产 的智能化监测和管理，提高工
要点二
特点
物联网具有全面感知、可靠传输和智能处理三大特点。全 面感知是指通过传感器、RFID等技术对物品信息进行感知 和识别；可靠传输是指通过互联网、移动通信等技术将感 知到的物品信息进行可靠传输；智能处理是指通过云计算 、大数据等技术对海量数据进行处理和分析，挖掘出有价 值的信息，实现智能化决策和控制。
无线传感网络中的能量收集技术
无线传感网络中的能量收集技术传感器技术的发展使得传感网络在监控、环境感知、智能城市等领域得到了广泛应用。
然而，传感器节点的能源限制成为制约其长期运行和持续性数据采集的主要因素。
为了解决这一问题，无线传感网络中的能量收集技术应运而生。
本文将介绍无线传感网络中的能量收集技术的原理和应用以及未来的发展趋势。
一、能量收集技术的原理能量收集技术是利用环境中的能量资源，如光能、热能、振动能等，将其转化为传感器节点的电能供应。
常用的能量收集技术包括太阳能收集、热能收集和振动能收集。
太阳能收集是最常见的能量收集技术之一。
通过将太阳能转化为电能，传感器节点可以实现长期运行。
太阳能电池板是太阳能收集的核心部件，它可以将光能转化为电能并存储起来。
然而，在室内等无法接收到足够阳光的环境中，太阳能收集效果较差。
热能收集技术是利用传感器节点周围的温度差异来生成电能。
通过热电转换材料，温度差会产生电子流，将热能转化为电能。
热能收集技术适用于环境温度变化较大的场景，如工业生产现场和火电站等。
振动能收集技术是利用传感器节点周围的振动能量来生成电能。
通过振动发电器件，将机械振动转化为电能。
振动能收集技术适用于很多场景，如机械结构表面、地铁隧道等。
二、能量收集技术的应用能量收集技术在无线传感网络中具有广泛的应用前景。
首先，能量收集技术可以延长传感器节点的工作寿命。
传统的电池供能方式往往需要频繁更换电池，而能量收集技术可以充分利用环境中的能量资源，延长传感器节点的工作时间。
这对于一些无法进行电池更换的场景尤为重要，如远程监测、海洋测量等。
其次，能量收集技术可以提高传感网络的稳定性和可靠性。
通过能量收集技术，传感器节点可以实现自主供能，不再依赖于外部电源，减少了系统的故障率。
能量收集技术还可以通过多能源供能方式，使得传感器节点在能量供应不足的情况下仍能正常工作。
再次，能量收集技术可以降低传感网络的成本。
无线传感网络通常由大量的传感器节点组成，传统的电池供能方式需要大量的电池更换和维护工作，成本较高。
IoT设备中常见的能量收集系统
IoT设备中常见的能量收集系统在功率范围的低端，对能量收集系统有毫微功率转换需求，例如：IoT设备中常见的能量收集系统。
在此类系统中，必须使用能够处理非常低功率、非常小电流的电源转换IC。
功率和电流可能分别为数十微瓦和数十纳安。
最新和现成有售的能量收集（E H）技术，例如：振动能量收集产品以及室内或可穿戴光伏电池，在典型工作条件下产生mW量级的功率。
尽管这个量级的功率或许看似有限，但是无线传感器节点（WSN）等能量收集组件在若干年内持续工作可能意味着，无论从所提供的能量还是从单位能量的成本上看，能量收集产品与长寿命主电池都大致相当。
虽然主电池声称能够提供长达10 年的寿命，但这在极大的程度上取决于从其取出的功率级别以及抽取功率的频度。
拥有能量收集能力的系统一般能够在电量耗尽后再充电，而仅由主电池供电的系统却做不到这一点。
不过，大多数实施方案都将用某种环境能量源作为主电源，而用主电池作为环境能源的补充，如果环境能量源消失或中断，就可以接入主电池。
这可被认为是一种“电池寿命延长器”能力，可为系统提供很长的工作寿命─这接近于电池的工作寿命，对于锂亚硫酰氯化学组成来说通常约为12 年。
当然，能量收集电源所提供的能量取决于该电源能工作多长时间。
因此，能量收集电源的主要比较指标是功率密度，而不是能量密度。
能量收集的可用功率一般很低、可变和不可预测，所以常常使用连接至收集器和辅助电源的混合结构。
辅助电源可能是一块可再充电电池或者一个存储电容器。
收集器由于能量供应无限及功率不足而成为系统的能量源。
辅助电力储存库（或是电池或是电容器）产生较大的输出功率，但存储较少的能量，在需要时供电，而在其他情况下则定期从能量收集器接收电荷。
因此，在由于某种原因而没有环境能量可供收集的时候，辅助电力储存器可用来给下游电子系统或WSN供电。
IoT也推动了需求支持物联网（IoT）的无线传感器在激增，这增大了对面向较低功率无线设备而定制的小型、紧凑和高效率电源转换器的需求。
一种高效环境WiFi能量收集系统
一种高效环境WiFi能量收集系统徐涛;於正超【摘要】针对无线传感器系统高效率供电的问题,提出通过射频收集能量并转换为电能的方式将能量提供给无线传感器系统使用的方法.重点研究一款高效的环境WiFi能量收集系统,主要包括天线和整流电路优化设计2大部分.天线由2×2微带天线阵列组成,主要负责捕获环境中2.4 GHz WiFi信号,提高接收天线的灵敏度.整流电路设计基于Greinacher倍压电路,通过改变倍压电路参数或元器件的方式来提高转换效率即可以高效地转换能量.通过调整天线阵列和整流电路的参数,当输入功率在-35～-10 dBm时,能量收集系统的转换效率可以达到最佳状态.在特定的频带进行仿真测试,能量收集系统接收天线距离WiFi路由器2.3 m时,输出整流电压为1089 mV.实验结果表明,能量收集系统可以有效地从周围的WiFi信号中收集能量.【期刊名称】《无线电工程》【年(卷),期】2018(048)006【总页数】5页(P492-496)【关键词】能量收集;天线阵列;微带天线;整流电路【作者】徐涛;於正超【作者单位】沈阳航空航天大学自动化学院, 辽宁沈阳110136;沈阳航空航天大学自动化学院, 辽宁沈阳110136【正文语种】中文【中图分类】TN850 引言随着电子产品功耗的降低和能量收集技术的发展，一些免电池的供电方式成为热门研究领域，这些方法已经能够从环境中捕获微弱的能量并转换为电能，并进行积累、存储，实现对无线传感器的供电[1-6]。
在人们生活环境中，WiFi或其他2.4 GHz信号覆盖比较广阔，这些信号能够为RF 能量收集提供充足的能量来源。
因此，这种环境下的RF能量收集技术得到了很多人的重视。
Le T等人研究的接收频率为900 MHz的RF-DC能源转换系统，当接收功率为-22.6 dBm时，能量收集系统可输出电流为0.3 A，电压为1 V直流[7]。
Ungan等人[8]分别针对900 MHz和300 MHz的信号、阻抗为50 Ω的天线，采用肖特基二极管电荷泵整流设计射频能量转换系统，当输入功率分别为-26 dBm和0 dBm时，可获得直流电压0.3 V和0.337 V。
无线传感器网络的能量收集与管理技巧
无线传感器网络的能量收集与管理技巧无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种由大量分布在空间中的无线传感器节点组成的网络系统，用于感知、采集和传输环境中的信息。
然而，由于传感器节点通常被部署在无人区域或者难以维护的环境中，能源的供给成为了WSN面临的主要挑战之一。
本文将探讨无线传感器网络的能量收集与管理技巧，以提高其能源利用效率和延长其工作寿命。
一、能量收集技巧1. 太阳能光伏技术太阳能光伏技术是目前最常用的能量收集技术之一。
通过在传感器节点上安装太阳能电池板，将太阳能转化为电能，为传感器节点提供能源。
然而，由于太阳能的不稳定性和不可预测性，需要对能量收集系统进行优化设计，以提高能源利用效率。
2. 热能收集技术热能收集技术是一种利用环境中的热能转化为电能的方法。
通过在传感器节点上安装热电转换器，将环境中的热能转化为电能，为传感器节点提供能源。
然而，由于热能的稀缺性和不稳定性，需要对能量收集系统进行优化设计，以提高能源利用效率。
3. 振动能收集技术振动能收集技术是一种利用环境中的振动能转化为电能的方法。
通过在传感器节点上安装振动能收集装置，将环境中的振动能转化为电能，为传感器节点提供能源。
然而，由于振动能的不稳定性和不可预测性，需要对能量收集系统进行优化设计，以提高能源利用效率。
二、能量管理技巧1. 能量感知与调度为了实现能量的有效利用，传感器节点需要具备能量感知与调度的能力。
通过对能量消耗的实时监测和分析，可以根据节点的能量状况进行调度，合理分配节点之间的能量负载，以延长整个网络的工作寿命。
2. 节能算法设计节能算法设计是一种通过优化传感器节点的工作方式和通信协议，以减少能量消耗的方法。
通过采用低功耗的硬件设计和优化的数据传输协议，可以降低传感器节点的能量消耗，延长其工作时间。
3. 能量回收与再利用能量回收与再利用是一种通过将能量从低能耗设备或废弃物中回收，再利用于传感器节点的方法。
超高频无线电波能量收集技术
超高频无线电波能量收集技术引言随着无线电技术的不断发展，人们对无线电波能源的收集和利用也越来越感兴趣。
超高频（UHF）无线电波是指频率在300MHz至3GHz之间的电磁波，由于其具有较高的穿透力和较远的传输距离，被广泛应用于通信、雷达、遥感等领域。
而利用超高频无线电波来收集能量，不仅可以实现无线电设备的自动供电，还可以为一些远程地区提供清洁、可再生的能源。
本文将介绍超高频无线电波能量收集技术的发展历程、原理及其在各个领域的应用，并对未来发展趋势进行展望。
一、超高频无线电波能量收集技术的发展历程超高频无线电波能量收集技术起源于上世纪初的无线电技术。
当时，人们发现一些电子元件能够利用无线电波的能量来产生电荷，比如晶体管和电子二极管。
这些元件逐渐被应用于无线电接收机和雷达系统中，但由于其效率较低，能量收集的范围有限，因此并没有引起大规模应用。
随着半导体技术的发展，人们开始研究利用新型材料和结构来改善超高频无线电波能量收集器件的性能。
1990年代初，激光二极管和光伏电池的发展，使得将太阳能技术与超高频无线电波能量收集技术结合成为可能。
这一技术有望在宇宙空间中，甚至在极端环境下实现能源供应。
在此基础上，研究人员进一步完善了超高频无线电波能量收集技术，提高了能量转换效率和传输距离。
目前，超高频无线电波能量收集技术已经被应用于一些特定领域，如智能物联网、环境监测、医疗设备等。
二、超高频无线电波能量收集技术的原理超高频无线电波能量收集技术是利用无线电波的电磁场来产生电流，从而供给电子设备所需的能量。
其原理可以分为两部分：超高频无线电波能量的收集和转换。
下面将对这两部分进行详细介绍。
1. 超高频无线电波能量的收集超高频无线电波能量的收集是通过天线来实现的。
天线是一种能够接收无线电波的装置，通过电磁感应原理将无线电波中的能量转化为电流。
一般来说，天线的结构可以分为共振天线、偶极天线、小型磁环天线等。
其中，共振天线是一种特定长度的导体，能够将特定频率的无线电波转换为电流；偶极天线是由两根相等长度的导线组成，一般用于接收电磁波垂直方向的能量；小型磁环天线则是利用磁场感应原理来收集能量，适用于超高频的短波段。
双频无线射频能量收集系统的设计
双频无线射频能量收集系统的设计靳贵平;曾广德;邓楚虹【摘要】为了尽可能高效地吸收和整流分布在周围自然空间中的射频能量,提出了一种工作在GSM-1800和UMTS-2100频段的双频射频能量收集系统的设计方法:系统的接收天线部分采用结构简单的宽带八木天线;系统的整流电路部分为应用于低输入功率的双频整流电路;整流电路的匹配电路部分使用微带线匹配,没有使用任何分立贴片元件,以保证整流电路在高频时稳定的性能,同时降低电路实际加工制作的复杂度.最后对系统整体进行了实验室和室外环境的联合测试.实测结果表明,文中提出的双频无线射频能量收集系统在-20～-5 dBm低输入功率下,能够在1.8 GHz 和2.1 GHz频段获得良好的双频匹配,并且在-5 dBm输入功率下获45％的整流效率,且具有从环境中收集射频能量并输出一定直流电压的能力.【期刊名称】《华南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(046)008【总页数】8页(P38-45)【关键词】射频能量收集;接收天线;整流电路;低能量密度【作者】靳贵平;曾广德;邓楚虹【作者单位】华南理工大学电子与信息学院,广东广州510640;华南理工大学电子与信息学院,广东广州510640;华南理工大学电子与信息学院,广东广州510640【正文语种】中文【中图分类】TN015随着现代无线通信技术的飞速发展,移动通信基站和无线局域网络越来越普及,空间中分布的电磁信号能量量级也得到很大程度的提升.因此，射频能量作为一种分布越来越广泛的能量形式,将其收集回收再利用问题开始引发大家的思考,射频能量收集概念也由此应运而生.射频能量收集(REH)技术是对环境周围空间分布的低能量密度电磁信号进行收集，进而转化为可用直流电能的一种技术.REH技术由微波功率传输(MPT)技术发展而来.MPT技术是将较大功率的电能转化为电磁信号,通过中远距离的无线传输对不易直接供电的区域或设备进行供电的一种技术.上述两种技术虽然均采用了整流天线结构,一般由接收天线和整流电路两部分组成，但两者存在很大的差别:MPT需要设计微波发射源,且传输功率大,频率单一,效率高;射频能量收集一般不需要特定的发射源,是针对空间中广泛分布的电磁波,其特点为多频率、多极化、功率密度低、能量量级小[1].因此,MPT技术大多采用单频段的整流天线或阵列,且其整流电路要求具有较高的输入功率[2- 8];而REH技术采用的整流天线则要求具有较宽的工作带宽,其接收天线部分通常为多频或宽带的天线,并且其整流电路需要在低输入功率下获得较高的整流效率[9- 17].文献[15]提出了一款工作在980和1 800 MHz的双频射频能量收集整流天线,其接收天线采用全向天线以更好地吸收各方向的来波,但该整流天线在1.8 GHz时7.4 dBm输入功率下的最大整流效率只达到17.0%.文献[12]提出了一款能够达到理论上最大可获得的高整流效率的射频能量收集整流天线.该整流天线通过略去接收天线与整流二极管之间的匹配电路来减少整流效率的损失,使整流天线能够在2.45 GHz时-5 dBm输入功率下达到61.4%的整流效率.但这种设计方法只能获得一个窄带的高效率整流天线,无法达到多频或宽带的要求.文献[11,13- 14]中提出的多频能量收集整流天线的整流电路部分均使用了大量的分立贴片元件进行匹配电路的设计,虽然分立元件可以减小电路的整体尺寸,但其在高频工作时的寄生效应会影响电路的性能,并且增加了电路制作加工的复杂程度.文献[11]中的整流电路使用了18个贴片电容和电感实现多频段匹配,该整流电路在低频段工作时能够较好地匹配,但分立元件在高频段工作时对电路的匹配产生较大的影响(理论上在2.10和2.45 GHz的两个谐振点,实测时变为仅在2.3 GHz处的一个谐振点).文献[16]提出了一款工作在915 MHz和2.45 GHz的双频整流天线,其接收天线部分通过在弯折的偶极子进行缝隙加载的方式获得双频匹配效果;其双频整流电路在-9 dBm输入功率下在915 MHz和2.45 GHz的实测分别获得了37%和30%的整流效率.文献[17]提出了一款工作在900 MHz、1 900 MHz以及2 400 MHz的三频段射频能量收集整流天线，其整流电路在输入功率较高的15 dBm下获得最大整流效率,在-10 dBm输入功率下3个频段的整流效率基本上均低于30%.为了尽可能高效地吸收和整流分布在周围自然空间中的射频能量,文中提出了一种双频段射频能量收集系统的设计方法:接收天线部分采用结构简单的平面宽带八木天线,使系统具有八木天线的高增益、高定向性特点,以应用于单侧或者特定方向能量较高的应用场景,如分布在建筑外墙的传感器等;系统的整流电路部分为应用于低输入功率的双频整流电路;整流电路的匹配电路部分使用微带线匹配,没有使用任何分立贴片元件,以保证整流电路在高频时稳定的性能,同时降低电路实际加工制作的复杂度.最后将天线与整流电路联合,分别在实验室和室外环境中对系统进行了测试.1 接收天线的设计与测试1.1 天线设计双频射频能量收集系统的接收天线结构如图1所示.天线正面包括一对宽带对称振子、间距渐变的共面微带线、带缝隙的长方形地和两个矩形寄生单元;背面仅蚀刻了一段弯折的馈电信号线.介质基板采用相对介电常数为4.4、损耗正切角为0.02、厚度为1.6 mm的FR4板材.馈电接头使用1.6 mm间距的SMA射频接头,接头内芯焊接于背面弯折的馈电信号线上,底座外芯焊接在正面矩形地上.图1 平面宽带八木天线结构Fig.1 Geometry of planar broadband yagi antenna该天线基于八木天线的工作原理,利用介质基板背部馈线以及正面金属地上的缝隙形成缝隙-微带耦合馈电方式,通过对共面微带线上的对称振子馈电,振子上方的两个寄生矩形单元充当八木天线的引向器,为天线提供更好的端射方向性和更高的增益,振子下方的地则起到了八木天线反射器的作用.间距渐变的微带线设计借鉴了Vivaldi天线,为天线提供了更宽的阻抗匹配以及更好的方向性.共面微带线的渐变设计服从指数方程:(1)式中:r=0.12,表征指数曲线的弯曲程度;w=4 mm;为指数曲线端点到原点的距离.天线参数取值如下:W1=10.0 mm,L1=28.0 mm,W2=3.5 mm,L2=8.3 mm,W3=2.0 mm,L3=17.0 mm,W4=4.4 mm,L4=5.6 mm,W5=5.0 mm,L5=17.0mm,Wg=34.0 mm,Lg=47.5 mm,Wd=12.0 mm,Ld=45.0 mm,Wdir1=5.0 mm,Ldir1=37.0 mm,Wdir2=4.0 mm,Ldir2=22.0 mm,Wf=4.8 mm,Lf=21.5 mm,H=1.6 mm.根据图1的结构图进行加工制作,得到平面宽带八木天线实物如图2所示.1.2 天线测试对图2所示的宽带八木天线测试其电参数和辐射参数.天线的|S11|参数使用是德科技公司生产的型号为Agilent N5230- 420的二端口矢量网络分析仪(VNA)进行测试,实物测试图如图3(a)所示.图2 宽带八木天线的实物图Fig.2 Photographs of the broadband yagi antenna天线的辐射参数(主要包括辐射方向图、增益、辐射效率等)使用盛路通信科技有限公司生产的SG 64多探头球面近场暗室测量系统进行远场测试,天线远场参数实物测试如图3(b)所示.图3 宽带八木天线的实物测试图Fig.3 Photographs of the broadband yagi antenna measurement图4给出了宽带八木天线的|S11|参数的实测结果与仿真结果的对比.由图可知,宽带八木天线的|S11|参数实测值与仿真值基本上一致.测试结果表明,宽带八木天线工作频段为1.56～2.36 GHz,阻抗带宽为40.8%.天线在低频的带宽略微减少了40 MHz左右,并且两个谐振点略微向高频偏移,谐振深度也略有偏差,这主要是由天线实物加工或焊接工艺的误差、SMA连接器等所带来的损耗引起的.图4 宽带八木天线的|S11|仿真与实测结果Fig.4 Simulated and measured results of |S11| of the broadband yagi antenna图5给出了宽带八木天线在水平面(XOY平面)和垂直面(YOZ平面)上1.8 GHz和2.1 GHz频点处的主极化和交叉极化,包含实测与仿真的归一化方向图.由图可知,宽带八木天线的仿真结果和实测结果的主极化吻合较好,交叉极化的测试结果比仿真结果略微增大,主要是由于实测环境对天线性能产生了影响.总体来看,宽带八木天线在Y方向上有良好的定向辐射效果,且方向图比较稳定.图5 宽带八木天线在1.8和2.1 GHz上的实测与仿真方向图Fig.5 Simulated and measured radiation patterns of the broadband yagi antenna at 1.8 GHz and 2.1 GHz图6给出了宽带八木天线增益的实测与仿真结果对比.可以看出,宽带八木天线在1.5～2.4 GHz的实测增益基本上稳定在5.5 dBi左右,实测结果比仿真结果略微下降了0.5～1.5 dBi.这主要是由测试时天线的SMA连接头与测试馈线上的损耗以及测试环境等因素引起的.从以上测试结果可知:平面宽带八木天线在1.56～2.36 GHz频段内的实测|S11|<-10 dB,相对带宽为40.8%;天线在1.8和2.1 GHz频段上的方向图稳定,具有明显的方向性,平均增益约5.5 dBi,符合在GSM- 1800和UMTS- 2100频段的双频射频能量收集系统接收天线的设计要求.图6 宽带八木天线增益的仿真和实测结果Fig.6 Simulated and measured gains of the broadband yagi antenna2 双频整流电路的设计与测试2.1 整流电路设计双频整流电路使用ADS电磁仿真软件进行设计,图7为双频整流电路在ADS中的原理设计图.双频整流电路的设计步骤如下:首先确定整流电路的整流拓扑结构以及负载的阻值;然后根据整流部分的输入阻抗设计双频匹配电路使之与天线(50 Ω功率源)进行阻抗匹配.由图可知,电路的匹配部分使用了两个扇形开路支节和两个短路支节.整流部分采取倍压型的拓扑结构,从而保证了电路较高的整流效率和负载上较高的直流输出电压.整流结构中电容采用100 pF的GRM18型号村田系列贴片电容;整流二极管采用Skyworks公司提供的SMS7630- 005LF型号肖特基二极管;电路的负载采用10 kΩ的贴片电阻.整流电路的负载一般情况下根据后续电路或具体应用取值各不相同.为了提高数字电路的稳定性,在设计时通常会使电路具有较高的输入阻抗.因此,文中在设计时选取一个相对较大的负载阻值10 kΩ.电路的介质基板采用介电常数为2.2、损耗正切角为0.000 2、厚度为1.6 mm的Rogers5880高频微波板材.图7的电路ADS原理设计图经过优化得到的电路版图结构如图8所示.由图可知:板材正面蚀刻了整流电路的微带金属部分;背面全部覆盖金属充当电路的地;电路中过孔和挖槽均接地,即为金属化的孔(槽).电路参数取值如下:W1=1.2 mm,L1=13.0 mm,W2=7.0 mm,L2=12.4 mm,W3=1.6 mm,L3=17.0 mm,W4=2.4mm,L4=1.0 mm,W5=2.6 mm,L5=9.6 mm,L6=5.8mm,φ1=122°,φ2=160°,H=1.6 mm.将图8所示的电路版图进行加工制作,得到的实物如图9所示.2.2 整流电路测试整流电路测试的主要参数为电路的|S11|和整流效率(负载上的直流电压或电流).电路|S11|的测试方法与天线相同,整流电路的|S11|和整流效率实物测试图如图10所示,测试方法为:首先使用模拟信号发生器发出特定频率和功率的高频模拟信号,并输入到整流电路,然后使用万用表测量在负载电阻上的直流电压或电流,最后计算电路的整流效率,即图8 双频整流电路的结构Fig.8 Geometry of the dual-band rectifying circuit 图7 文中双频整流电路的ADS原理设计图Fig.7 ADS schematic design of the proposed dual-band rectifying circuit图9 双频整流电路实物图Fig.9 Fabricated prototype of dual-band rectifying circuit(2)通过万用表测得整流电路负载RL上的直流电压Vout或电流Iout,可以计算得到电路的输出功率Pout;然后,用输出功率除以信号发生器输入电路中的功率Pin,即可得到电路的整流效率.计算时可适度加入0.1～0.5 dB的功率损耗(线缆和连接接口处产生的损耗).图10 整流电路的实物测试图Fig.10 Photographs of rectifying circuit measurement在-20、-15及-10 dBm输入功率下整流电路|S11|的实测结果如图11所示.由图可知,整流电路的|S11|均能够在1.8 GHz和2.1 GHz频段附近发生谐振.整流电路在低输入功率下能够表现出明显的双频特性.在1.8 GHz和2.1 GHz两个频点上,整流电路的整流效率随输入功率(-20～0 dBm)的变化曲线如图12(a)所示.从图中可知,在分别输入1.8 GHz和2.1 GHz的单音高频信号时,电路整流效率的变化趋势大致相同:在-10 dBm输入功率时,电路整流效率为30%左右;在-5 dBm输入功率时,电路整流效率可达到最大,接近45%.由于实验室设备条件有限,同时输入两个频率双音高频信号的整流效率没有进行测试.在不同输入功率时,在1.5～2.3 GHz频段整流电路的整流效率随频率的变化如图12(b)所示.由图可知,电路在1.8 GHz和2.1 GHz频段附近的整流效率均显著升高,表现出明显的双频性.图11 整流电路|S11|的测试结果Fig.11 Measured results of |S11| of rectifying circuit图12 整流电路的整流效率测试结果Fig.12 Measured rectification efficiencies of rectifying circuit从测试结果可以看出,在-20～-5 dBm低输入功率情况下,整流电路在1.8 GHz和2.1 GHz频段上可实现良好的匹配,并且在上述频段附近具有较高的整流效率.实测最高整流效率接近45%(-5 dBm左右),测试结果表明,该双频整流电路能够达到双频段射频能量收集系统对整流部分的设计要求.3 双频射频能量收集系统的联合测试将图2的八木天线与图9的双频整流电路通过双内螺内针的双通SMA射频接头连接组成完整的双频射频能量收集系统.系统实物如图13所示.图13 双频射频能量收集系统实物图Fig.13 Photograph of dual-band RF energy harvesting system3.1 实验室环境使用喇叭天线作为功率源测试双频射频能量收集系统在实验室环境中的测试示意图如图14所示.使用一个宽带喇叭天线通过信号发生器分别辐射一定强度1.8 GHz和2.1 GHz的电磁波;在天线的辐射远场范围中放置图2所示的平面宽带八木天线作为接收天线,通过频谱分析仪测量天线接收到的电磁能量信号的电平强度.在进行射频信号电平强度测试的相同位置上,将八木天线替换为图13所示的双频射频能量收集系统,然后使用万用表测量在特定输入功率下系统的负载电阻的直流电压，最后根据式(2)计算能量收集系统的整流效率.表1给出了1.8 GHz和2.1 GHz频点时双频能量收集系统在-5、-10和-15 dBm输入功率时的直流输出电压和相应的整流效率.图14 已知功率源的双频射频能量收集系统测试示意图Fig.14 Schematic diagram of dual-band RF energy harvesting system measurement with the known power source表1 双频能量收集系统在1.8和2.1 GHz时的测试结果Table 1 Measured results of dual-band RF energy harvesting system at 1.8 GHz and 2.1 GHz频点/GHz系统输入功率/dBm负载上的直流输出电压/V系统整流效率/%1.82.1-51.1241.8-100.5732.5-150.2317.6-51.1544.1-100.5934.8-150.2622.53.2 日常环境中使用移动基站作为功率源测试由于缺少便携式射频能量密度检测设备,双频无线能量收集系统进行室外测试时,无法对系统所在环境的电磁能量功率密度进行准确测量;并且环境因素的改变对系统测试结果的影响较大.因此,没有对系统整体的整流效率进行定量计算,只对系统进行了较为简单的直流输出电压测试.如图15所示,在室外选取了一个距离移动基站天线约50 m、无明显遮挡的开阔环境对系统进行测试.由图可知,系统实测在负载上获得了323.3 mV的直流电压.由于环境以及空间能量密度不稳定等因素,双频射频能量收集系统实际测试过程中在负载上能够获得250～350 mV的直流电压.图15 双频射频能量收集系统的测试图Fig.15 Photograph of dual-band RF energy harvesting system measurement4 结论文中提出了一种双频无线射频能量收集系统的设计方法.该系统的接收天线部分为一个平面宽带八木天线,天线实测|S11|<-10 dB频段为1.56～2.36 GHz,工作频段内辐射方向图稳定,具有显著方向性,平均增益约5.5 dBi；系统的整流部分为工作在1.8 GHz和2.1 GHz的双频整流电路,电路实测结果表明,电路在GSM- 1800和UMTS- 2100频段上取得良好的双频匹配和较高的整流效率,电路实测最大整流效率接近45%.最后,对双频射频能量收集系统分别在实验室环境和室外环境中进行联合测试.结果表明:该射频能量收集系统在-5 dBm输入功率时,最高整流效率可以达到44.1%;在开放的室外环境时,电路负载能够获得250～350 mV的直流电压.仿真与实测结果表明,该双频射频能量收集系统的设计是可行有效的.虽然文中提出的系统输入功率要求-20～0 dBm的应用范围,与现实环境中(肉眼范围内无大功率的射频能量发射源)的射频能量量级(基本维持在-30 dBm以下)存在一定的差距,但文中方法为射频能量收集技术在未来生活中的实际应用进行了一定程度的积极尝试. 参考文献：【相关文献】[1] 赵争鸣,王旭东.电磁能量收集技术现状及发展趋势 [J].电工技术学报,2015,30(13):1- 11. 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一种应用于无线传感器网络无线能量收集系统的整流电路
66收稿日期:2019-08-25*基金项目:本论文工作获得江西省水信息协同感知与智能处理重点实验室开放基金(2016WICSIP016)、2016年国家级大学生创新创业 训练计划资助项目(201611319008)资助。
作者简介:刘彦伶(1997—),男,江西遂川人,硕士研究生,主要从事电路和大数据研究工作。
通信作者:刘宝宏(1975—),男,湖北黄梅人,博士,讲师,主要从事电路与系统研究工作。
图1 2.45GHz无线能量收集系统结构图2 整流电路图0 引言随着通信及电子技术发展,超低功耗的无线传感器网络广泛应用于健康监测、智能建筑、汽车工业等领域。
对于这些超低功耗的无线传感器网络能量供应是其考虑的关键问题。
虽然电池能够较为稳定提供能量供应,但这些传感器网络携带的电池通常只能储存有限能量,其工作寿命受限于电池储存能量多少。
更换这些电池将会给无线传感器网络应用带来难以接受成本和环境污染问题。
解决无线传感器网络能量供应问题的一个极具潜力的方案是采用无线能量收集,通过收集定向发射电磁波信号或自然界中的电磁波信号实现能量储存和供应从而解决这些超低功耗无线传感器网络的能量供应问题。
本文介绍了一款能够用于无线能量收集系统的整流电路,该电路结构简单,功率转换效率高,能够广泛应用于无线能量收集系统用于能量供应。
1 45GHz无线能量收集系统结构图1是2.45GHz无线能量收集系统结构[1],该系统包含天线,匹配电路,整流电路,DC-DC模块,存储器(电容或负载阻抗)。
天线主要用于无线能量信号的捕获,将空中传输的电磁波信号转换成电路可用的电压信号,匹配电路主要用于天线和整流电路之间进行信号匹配,实现电磁波信号无损耗传输到整流电路,整流电路主要用于电磁波信号转换成直流信号,DC-DC电路主要实现将整流电路的输出信号稳定输出为固定电压信号,同时避免负载阻抗对电源电压影响。
存储器的作用主要是将DC/DC电路的输出电压存储成电能供后续电路使用或直接供应给负载电路提供稳定的能量供应。
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无线能量收集系统的设计
传感器的最爱
背景
超低功率微控制器的近期发展造就了具有空前集成 度的器件。事实上，运行这些器件所需的功率非常 之低，以至于许多传感器逐步实现了无线化，因为 它们可以方便地通过电池来供电。
不幸的是，电池必须定期更换，这种维护工作既费 钱又费事。而从传感器的局部环境中采集环境机械 能、热能或电磁能则有可能是一种更为有效的无线 电源解决方案。无线能量收集系统就应用而生！
一个能量收集电源系统
在换能器和能量储存元件之 间或许还需要布设一个电压整流 器网络。用于防止能量回馈至传 感器中，或在采用压电器仵的情 况下负责对AC信号进行整流。
模拟与混合信号IC领导厂商Silicon Laboratories 宣布推出业界最节能的采用 太阳能收集系统供电的无线传感器节点解 决方案。
无线能量收集系统的要求
• 低静态电流（典型值为 350 na） • 即使电流低至 15 µA，转换效率仍高于 90% • 具有最大功率点跟踪 (MPPT) 以优化能量 收集的用户可编程器件 • 具有在输入很低的条件下冷启动的能力
一个能量收集电源系统
• 能量源/传感器 • 能量储存原件 • 一种用于将该储能转换为一个可用稳定电压的设 备
优点
• 经济：电池成本高且替换麻烦； • 环保：减少了废旧电池的回收和填埋处理；
用于收集的环境能量源
• • • • • • 光能 温差 震动梁 射频（RF)发射信号 压电器件通过器件的压缩和弯曲 通过某种换能器产生电荷的信号源
环境能量源的具体应用
• 人们采用小型太阳能电池板为手持式电子 设备供电已有多年，此类电池板在阳光直 射和间接光照射的情况下能够分别产生几 百mW／cm2和几百uW／cm2的功率密度。 • 压电器件可通过器件的压缩或弯曲而产生 能量。压电元件能够产生几百pW／cm2的 功率密度（取决于其尺寸和结构）。
环境能量源的具体应用
• 当存在温度梯度9塞贝克时，器件可将热能 转换为电能。热能量源多种多样，从体热 （可产生几十pW／cm2的功率密度）到锅 炉排气烟囱Байду номын сангаас其表面温度能产生几十mW／ cm2的功率密度）各不相同； • RF能量收集由天线来完成9可产生几百pW ／cm2的功率密度。
无线能量收集系统的要求