射频能量收集技术的研究进展

射频能量收集技术的研究进展

田龙，刘征，鞠家欣，姜岩峰

（北方工业大学信息工程学院，北京 100144）

摘要：随着无线通信技术的发展，射频能量资源变得越来越丰富，这很可能使低功耗电子设备利用射频能量为自身供电。本文在分析了射频能量收集技术发展现状的基础之上，系统介绍了射频能量收集器的整体结构。基于整体结构的介绍，对关键部分，包括天线、RF-DC转换电路进展进行了总结；对关键问题，包括天线、灵敏度和转换效率进行了分析。最后阐述了射频能量收集技术的发展趋势。

关键词：无线通信；射频能量收集；自身供电

The Research Progress of RF Energy Harvesting Technique

Tian Long, Liu Zheng, Ju Jia-xin, Jiang Yan-feng

(College of Information Engineering, North China University of Technology, beijing 100144, P. R. China)

Abstract: With the development of wireless communication technology, the resources of RF energy become more and more rich, which makes it possible for low power consumption electronic products become self-powering devices using the RF energy. This paper systematically introduces the structure of the RF energy harvesting device based on the analysis about the current situation of the development of RF energy harvesting technique. Basing on the introduction of the whole structure, to the key parts, including the antenna and the RF-DC conversion circuit, are summarized, to key issues, including the antenna, sensitivity and the conversion efficiency, are analyzed. Finally, the developing trend of the RF energy harvesting technique is presented.

Key words: Wireless communication; RF energy harvesting; self-powering

1 引言

近50年来，随着无线通信技术的不断发展，射频能量正在从世界各地数十亿的无线电发射器中发射而出，这些发射器包括移动电话、移动电话基站和电视/电台信号发射基站等。因此，利用射频能量来为一些低功耗电路供电已经成为一种趋势。图1给出了频率分布的范围，由此可见，射频能量中有很大一部分是可以被收集的。

图1 频率范围分布图

Fig.1. the range of frequency

利用这些能量为设备供电能够降低设备对电池的需求，同时可以使拥有电池的设备充电去延长电池的使用时间，也可延长一次性电池的使用寿命；无电池的设备可以设计成一种得到能量就能运行或有足够的充电累积就会运行的结构。这一技术的优点在于其能够利用例如基站和手机等无线发射器产生的“免费”能量，射频能量发射器将会随着用户的增加而持续增加，特别是宽带移动用户的增加，已经接近10亿。移动电话作为射频能量的发射源的主体，将有可能为各种近距离传感器应用提供能量。在一些城市中，人们已经可以从一个位置检测出很多WIFI发射器发射出来的射频信号了。在近距离情况下，比如室内无线局域网络，人们可以很容易的从一个路由器获取100mW的功率。当然，对于远距离的射频能量信号，则需要使用拥有更宽频带的装置去收集[1]。

为了试验射频能量收集的可行性，需要在不同的位置对可用的射频能量进行测试。在结合收集器性能方面知识的情况下，可以确定射频能量收集装置部署的地点。然而缺乏对能量水平和特定时间、位置等因素的认识限制了射频能量收集开发的应用范围。

在低输入射频功率转换效率进步的情况下，已经有少数针对射频能量收集的报道。例如：一种比较有效的硅整流二极管天线，利用的是改进的全贴片天线，在射频输入功率为-20dBm时的转换效率达到18%。在东京做过的一个试验是从一个频率为845MHz的移动电话基站收集射频能量，在收集能量长达65小时以后，这些能量能够使液晶温度计工作4分钟 [2]。

在20世纪90年代后期，射频能量发射设备的增加和低功耗消费类电子产品的使用为射频能量收集的研究提供了基础。在前期的工作中，Hagery 等人提出了一种宽带整流天线阵列，试图收集频率范围在2-18GHz的射频能量。Powercast公司在2005年做过一个试验：在1.5英里外，用了一个小功率（5kW AM）的无线电发射站作为基站来获取射频能量。然而，这些系统并未发展到实际应用[3]。

2 基本原理

射频能量信号是通过天线接收的，所以天线的工作频率必须与所接收到信号的频率相同，射频信号通过天线接收后既可以用在RF-DC转换器上又可以用在单纯的RF应用上；RF-DC转换器将RF信号转换为DC信号，从而可以将获取的能量存储在能量储存装置中；能量储存装置可以给RF-DC转换器、RF装置、低功耗应用提供能量。射频能量收集系统示意图如图2所示：

图2射频能量收集系统示意图

Fig.2. RF energy harvesting system

2.1 天线

图3为天线示意图。发射信号的天线有很多种，如手机基站、电视信号发射塔和WIFI路由器等；接收信号的天线则属于射频能量收集器的一部分，通过它接收外界的射频信号来进行后续工作。

图3天线示意图

Fig.3. Antenna

在任何移动设备中天线的设计都是相当重要的。平面贴片天线是一种形状适宜、重量轻、易于操作的天线。然而，其本身却也不那么小。

图4 天线增益

Fig.4. The gain of antenna

一种减小天线尺寸的方法是在高介电常数的材料上制备贴片天线（这里使用的是Rogers RO6010,εr=10.2，d=2.54mm）。图4是测量的是频率为2.45 GHz天线的增益。一般来说，单个的天线不能收集到足够的能量去驱动一个器件，多天线结构可以获取一个更大范围的射频能量[2]。

2.1.1 电视信号

图5 Digital-TV能量收集装置原理图

Fig.5. D-TV energy harvesting device