劉蘭蘭， 秦衛(wèi)平， 王冬冬

(南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

0 引 言

能量收集(energy harvesting)是一種將周?chē)h(huán)境中分布式的能量進(jìn)行收集并轉(zhuǎn)換成可供負(fù)載使用的電能的一種技術(shù)。環(huán)境中包含的分布式能量有太陽(yáng)能、熱能、振動(dòng)和射頻能量等多種形式[1～3]，目前，能量收集技術(shù)主要應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、植入式醫(yī)療監(jiān)測(cè)、軍事監(jiān)控設(shè)備、偏遠(yuǎn)地區(qū)天氣站等方面。

周?chē)h(huán)境中分布的可供收集的射頻能量密度與太陽(yáng)能、熱能和振動(dòng)能量密度相比含量較低[4]，使得射頻能量收集的應(yīng)用范圍較少。但隨著無(wú)線通信的發(fā)展，環(huán)境中分布的射頻能量會(huì)持續(xù)增加，使射頻能量收集在低功耗電子設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用前景。射頻能量傳輸?shù)难芯渴加?964年， Brown W C首次成功驗(yàn)證了微波功率傳輸(microwave power transmission,MPT)[5,6]的可行性，之后科學(xué)家在此基礎(chǔ)上得以繼續(xù)對(duì)射頻能量收集技術(shù)進(jìn)行研究，甚至研制出利用MPT技術(shù)驅(qū)動(dòng)直升飛機(jī)等。

本文在已有研究工作和相關(guān)綜述的基礎(chǔ)上，從射頻能量收集的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)效率出發(fā)，在能量收集研究頻率、接收天線、整流電路以及應(yīng)用幾方面綜述了其研究現(xiàn)狀；并對(duì)射頻能量收集技術(shù)進(jìn)行總結(jié)和展望。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)效率

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

射頻能量收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常有2種:1)由接收天線、阻抗匹配、整流電路、儲(chǔ)能元件和負(fù)載等部分組成[7]。接收天線從周?chē)h(huán)境中接收射頻信號(hào)，經(jīng)整流電路將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流并對(duì)其升壓，并存儲(chǔ)能量為負(fù)載供電。儲(chǔ)能元件一般用電容器[8]或超級(jí)電容器。負(fù)載根據(jù)具體的應(yīng)用一般為傳感器節(jié)點(diǎn)、射頻識(shí)別(radio frequency identification,RFID)以及溫濕度測(cè)量?jī)x等。2)由整流天線、升壓電路、儲(chǔ)能元件和負(fù)載等部分組成。其中整流天線由接收天線、低通或帶通濾波器、整流二極管即直流濾波器等組成。低通或帶通濾波器可以阻止后端產(chǎn)生的高次諧波向外輻射，亦可實(shí)現(xiàn)接收天線與整流電路阻抗匹配[9]。直流濾波器有效地將射頻能量短路并使直流分量通過(guò)[10]。整流天線輸出的電壓較低，不能直接供負(fù)載使用，需要升壓電路進(jìn)行升壓，常用的升壓電路有Boost和Flyback等。

1.2 系統(tǒng)效率

如圖1所示,系統(tǒng)從輸入功率Prf到輸出功率Pdc過(guò)程中能量經(jīng)過(guò)4次損失。由此,系統(tǒng)效率可表示為[11]

(1)

式中ηm為阻抗匹配的效率，反映了當(dāng)阻抗不連續(xù)時(shí)，射頻信號(hào)在非線性器件里傳播會(huì)產(chǎn)生反射損耗。文獻(xiàn)[12]提出了可以通過(guò)提高匹配網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)Q來(lái)提高匹配效率；ηp為寄生效率，文獻(xiàn)[11，12]分析了寄生電阻和寄生電容對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率的影響，并指出寄生效應(yīng)不可能同時(shí)避免，唯有合理的布局才能減少影響；η0為整流電路的效率，文獻(xiàn)[11]指出該效率主要與非線性整流二極管有關(guān)，文中給出了詳細(xì)的分析；ηdet為直流功率從非線性器件到直流負(fù)載的效率。

圖1 射頻能量收集系統(tǒng)效率

2 研究現(xiàn)狀

2.1 能量收集頻率

在射頻能量收集過(guò)程中，電磁波頻率低至中波高至毫米波均得到大量研究。2.4～2.5 GHz頻段獲得研究射頻能量收集技術(shù)的關(guān)注[13～16]；后因無(wú)線通信的發(fā)展，基站、移動(dòng)設(shè)備和WiFi等[15]應(yīng)用愈加廣泛，導(dǎo)致這些頻段成為研究熱點(diǎn)。除此之外，還有學(xué)者對(duì)調(diào)幅(AM)[17]信號(hào)和調(diào)頻(FM)[18，19]信號(hào)進(jìn)行了研究。隨著人們對(duì)微型化器件的追求，射頻能量收集技術(shù)開(kāi)始向更高頻率進(jìn)行探索。文獻(xiàn)[20]就對(duì)35 GHz的整流天線進(jìn)行研究，并實(shí)現(xiàn)了37 %的整流效率。但當(dāng)時(shí)考慮到毫米波器件不成熟，并且毫米波在大氣中傳輸衰減較嚴(yán)重，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始將頻段移到了新ISM頻段,即5.725～5.875 GHz。文獻(xiàn)[21]設(shè)計(jì)了一種頻率在5.8 GHz的多極化整流天線，實(shí)現(xiàn)了較高的轉(zhuǎn)換效率。

為了獲得更高的輸出電壓，通過(guò)增加整流天線的工作帶寬，如雙頻、三頻及寬頻整流天線。文獻(xiàn)[22]在2.4 GHz和5.8 GHz 2個(gè)頻率下對(duì)環(huán)境中的無(wú)線信號(hào)進(jìn)行能量收集，在距離發(fā)射功率僅5 dBm的路由器1 m時(shí)，可實(shí)現(xiàn)在10 kΩ負(fù)載下1.3 mW的輸出功率。文獻(xiàn)[23]在500,953 MHz和2 GHz 3個(gè)頻率下收集能量，最終實(shí)現(xiàn)了無(wú)論負(fù)載的大小均可輸出3.5 V恒定電壓。文獻(xiàn)[24]工作頻率在0.9～3 GHz，具有107.7 %的相關(guān)帶寬，可實(shí)現(xiàn)對(duì)最低的射頻功率-20 dBm的能量收集。

2.2 接收天線

在天線設(shè)計(jì)方面，微帶貼片天線因其成本低、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。對(duì)于線極化的接收天線，需要接收天線與發(fā)射天線的極化方向一致接收效率才能最大。文獻(xiàn)[25]提出了一種具有四元電磁耦合貼片的高增益線極化天線，采用指數(shù)錐線變壓器作為饋電網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)在5.2 GHz時(shí)最大增益為15.55 dB。但由于線極化天線對(duì)發(fā)射源方向的依賴(lài)性，使得該天線僅用于有限相位的接收。

但環(huán)境中射頻信號(hào)頻率不一且發(fā)射源較多，接收天線很難達(dá)到與發(fā)射源極化相同，因此，會(huì)造成能量收集的損失。為了解決上述問(wèn)題，提出了雙線性極化整流天線[26，27]。文獻(xiàn)[28]采用兩個(gè)相互正交的線極化天線，各自連接整流電路和負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)在正交的兩個(gè)極化上獨(dú)立進(jìn)行信號(hào)收集和整流，與線極化天線相比提高了天線的接收效率，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率。文獻(xiàn)[29]采用雙饋電技術(shù)獨(dú)立接收兩個(gè)正交方向的射頻能量，實(shí)現(xiàn)了48%的轉(zhuǎn)換效率。相比雙線性極化天線，圓極化天線對(duì)極化方向不敏感，使其在射頻能量收集中更具優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[30]提出了一種新的圓極化高效率整流天線，利用具有圓極化性質(zhì)的雙菱形結(jié)構(gòu)作為單元天線，多個(gè)單元天線間采用級(jí)聯(lián)的方式組成一個(gè)3×3天線陣列，可實(shí)現(xiàn)在5.61 GHz時(shí)最大轉(zhuǎn)換效率為78 %。

為進(jìn)一步提高能量收集的輸出電壓，在周?chē)漕l能量密度低的情況下，提高天線接收射頻能量的面積，實(shí)現(xiàn)提高總體的能量收集。文獻(xiàn)[31]采用2×2電壓組合天線陣列，并在貼片天線上設(shè)計(jì)花型槽濾波器抑制諧波，實(shí)現(xiàn)在3.6～4.8 GHz帶寬內(nèi)70 %的最大轉(zhuǎn)換效率。陣列天線在提高系統(tǒng)輸出電壓的同時(shí)也增大了天線的尺寸，隨著低功耗電子技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)的不斷發(fā)展，雙頻天線、多頻天線以及寬頻天線越來(lái)越受歡迎。文獻(xiàn)[32]采用交叉偶極子天線、低通濾波器和倍壓整流電路，實(shí)現(xiàn)了1.7～3 GHz的寬頻能量收集，最大轉(zhuǎn)換效率為75 %。

2.3 整流電路

整流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要研究倍壓整流電路，為了提高系統(tǒng)的輸出電壓可以使用多倍整流電路。文獻(xiàn)[9]采用單邊定向縫隙天線和4倍壓整流電路，最終實(shí)現(xiàn)了23倍升壓效果。但整流效率的階數(shù)對(duì)電壓增益和整流效果有一定的影響，文獻(xiàn)[13,33]對(duì)此作了分析。

整流電路中的關(guān)鍵部分是整流二極管，主要影響整流效率。目前，肖特基二極管因其技術(shù)成熟被廣泛使用，文獻(xiàn)[34]詳細(xì)闡述了肖特基二極管的歷史和發(fā)展現(xiàn)狀，并指出在未來(lái)十幾年依然會(huì)扮演重要角色。同時(shí)還介紹了自選二極管、隧道二極管和金屬—絕緣體—金屬二極管，并指出在不久的將來(lái)可能會(huì)有新的突破。

在整流電路方面，目前一般能處理的低輸入功率在-20 dBm左右。更高靈敏度的整流電路的設(shè)計(jì)，如文獻(xiàn)[35]采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)整流電路最終可實(shí)現(xiàn)-32 dBm的低輸入功率處理能力。文獻(xiàn)[16]對(duì)周?chē)h(huán)境中的WiFi信號(hào)進(jìn)行能量收集，最終實(shí)現(xiàn)了在-40 dBm的輸入功率下工作。文獻(xiàn)[36]顯示整流電路的工作頻率較窄，造成此現(xiàn)象的原因是整流電路的阻抗會(huì)隨頻率的變化而不同，使其不能與天線達(dá)到最佳匹配。

隨著雙頻和寬頻整流天線的出現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)更寬的工作帶寬，文獻(xiàn)[32]利用低通濾波器作為匹配網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了1.7～3 GHz的頻率范圍。文獻(xiàn)[37]采用可調(diào)節(jié)電感的級(jí)聯(lián)整流電路，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)在940 MHz，1.95 GHz和2.44 GHz 3個(gè)頻率段工作。文獻(xiàn)[38，39]利用源牽引法設(shè)計(jì)了匹配網(wǎng)絡(luò)，其中文獻(xiàn)[38]實(shí)現(xiàn)了在2.1 GHz和2.45 GHz下雙頻工作，而文獻(xiàn)[39]實(shí)現(xiàn)了在0.78～1.43 GHz頻率范圍內(nèi)工作。

2.4 實(shí)際應(yīng)用

射頻能量收集主要在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用較多，除此之外還有醫(yī)療健康、智能家居、可穿戴產(chǎn)品[16]以及物聯(lián)網(wǎng)等。文獻(xiàn)[40]利用從周?chē)h(huán)境中收集數(shù)字電視信號(hào)作為能量，為16位嵌入式傳感器微控制臺(tái)供電。文獻(xiàn)[41]針對(duì)無(wú)線體域網(wǎng)(wireless body area network,WBAN)的應(yīng)用需求，利用能量收集技術(shù)，對(duì)環(huán)境中GSM900/1800射頻信號(hào)進(jìn)行能量收集，當(dāng)射頻源的信號(hào)強(qiáng)度不低于-10 dBm時(shí)，可供WBAN節(jié)點(diǎn)持續(xù)工作。文獻(xiàn)[41]為滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)對(duì)能源利用率和服務(wù)質(zhì)量的高要求，引入了RF-AASP算法用于動(dòng)態(tài)調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)睡眠周期，以便收集周?chē)鶯TE基站射頻能量為節(jié)點(diǎn)供電，提高了能源利用率和服務(wù)質(zhì)量。

3 展 望

盡管射頻能量收集技術(shù)尚不成熟，但隨著無(wú)線應(yīng)用的急劇增長(zhǎng)，使得射頻能量收集在未來(lái)發(fā)展中有很大的潛力和應(yīng)用前景。主要體現(xiàn)在一下幾點(diǎn)：

1)研究寬頻高增益接收天線，提高整流電路轉(zhuǎn)換效率；

2)研究接收天線和整流電路簡(jiǎn)單寬頻匹配網(wǎng)絡(luò)，提高整個(gè)系統(tǒng)的工作帶寬；

3)研究微型化能量收集系統(tǒng)，推動(dòng)收集系統(tǒng)在低功耗器件上的應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

簡(jiǎn)要綜述了射頻能量收集技術(shù)的研究現(xiàn)狀，包括能量收集頻率、天線設(shè)計(jì)、整流電路和應(yīng)用：目前，在頻率研究方面覆蓋范圍較廣，但研究熱點(diǎn)主要在500，900 MHz，1.8，2.45，5.8 GHz；在天線設(shè)計(jì)方面，目前的研究?jī)A主要向于寬頻化和微型化；因系統(tǒng)接收天線寬頻化，為實(shí)現(xiàn)最佳轉(zhuǎn)換效率，目前，整流電路的研究重點(diǎn)為使工作頻率寬頻化；介紹了射頻能量收集技術(shù)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能家居以及物聯(lián)網(wǎng)等方面的研究進(jìn)展;展望了射頻能量收集技術(shù)未來(lái)應(yīng)用前景。