摘要：綠色環(huán)保通信方式的提出，為環(huán)境保護(hù)提供了有益的研究方向。射頻信號(hào)在傳遞信息的同時(shí)，攜帶能量可以為受限環(huán)境下的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)提供能量來(lái)源，解決傳統(tǒng)化石能源環(huán)境污染的問(wèn)題，作為一種共享頻譜的資源收集渠道受到了關(guān)注。傳統(tǒng)的射頻信號(hào)受功率轉(zhuǎn)換效率以及能量收集技術(shù)的限制，從射頻信號(hào)中捕獲的能量密度較低，頻譜使用率不足導(dǎo)致輸出電壓低，無(wú)法大范圍使用?；诖?，該文從分別從軟硬件方面進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)天線設(shè)計(jì)、整流設(shè)計(jì)以及阻抗匹配電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)能量傳輸機(jī)制以及信道分配進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低功耗節(jié)點(diǎn)射頻供能高效傳輸，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真并與其他方案進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞：低功耗射頻供能能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TP391.4? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2022）03（b）-0000-00

Research on High-efficiency Transmission Technology of RF Power Supply for Low-power Nodes

HOU Yuanshao

（Department of Mechanical and Electrical Engineering Henan Industry and Trade Vocational College，Zhengzhou，Henan Province，451191China ）

Abstract：The green environmental protection communication method has provided a useful research direction for environmental protection. While transmitting information， radio frequency signals can carry energy to provide energy sources for wireless sensor nodes in restricted environments and solve the problem of environmental pollution of traditional fossil energy sources. It has attracted attention as a resource collection channel that shares spectrum. Traditional radio frequency signals are limited by power conversion efficiency and energy harvesting technology. The energy density captured from radio frequency signals is low， and insufficient spectrum utilization results in low output voltage and cannot be used in a wide range. Based on this， this article makes improvements from the aspects of software and hardware， through antenna design， rectification design， and impedance matching circuit design. At the same time， the energy transmission mechanism and channel allocation are optimized to achieve high-efficiency transmission of low-power node RF power supply. Finally， Through experimental simulation and comparison with other schemes， the effectiveness of the system is verified.

Key Words：Low power consumption; RF power supply; Energy conversion; System Optimization

1射頻能量收集技術(shù)

1.1微能量收集系統(tǒng)

傳統(tǒng)的供電方式生命周期有限，且受制于各種因素影響更換、維護(hù)麻煩。射頻信號(hào)無(wú)需頻繁更換不受物理特性限制，在傳輸信息的同時(shí)，攜帶著能量，為低功耗傳感節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用提供了一種全新的能量供給模式[1]。已有的微能量收集系統(tǒng)有壓電振動(dòng)能量收集系統(tǒng)，通過(guò)壓電材料的壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能對(duì)電能的轉(zhuǎn)換，具有電磁干擾小、易于集成化的特點(diǎn)，但產(chǎn)生的能量在微瓦級(jí)難以滿足網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要;太陽(yáng)能量收集系統(tǒng)，是光電轉(zhuǎn)換較為成熟的系統(tǒng)，通過(guò)光伏電池實(shí)現(xiàn)光能和電能的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而產(chǎn)生微瓦至千瓦級(jí)的能量輸出，具有技術(shù)成熟、輸出電壓穩(wěn)定的特點(diǎn)，但受制于天氣因素以及充電閾值的限制，無(wú)法滿足網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)能量實(shí)時(shí)性的需求;基于信息技術(shù)的飛速發(fā)展，空間中存在大量電磁波，射頻能量收集系統(tǒng)利用同一信號(hào)進(jìn)行能量和信息的傳輸，為物聯(lián)網(wǎng)低功耗網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供能量，不受日照、天氣因素的影響，具有廣闊的應(yīng)用空間[2]。但射頻能量收集系統(tǒng)受制于能量轉(zhuǎn)換效率以及能量密度的制約，具有一定的局限性，基于此，該文首先對(duì)收集系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行梳理分析，通過(guò)天線設(shè)計(jì)、整流設(shè)計(jì)以及阻抗匹配電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高能量的收集效率，同時(shí)對(duì)能量傳輸機(jī)制以及信道分配進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低功耗節(jié)點(diǎn)射頻供能的高效傳輸，提升系統(tǒng)的有效性和可行性。射頻能量收集系統(tǒng)如圖1所示。

1.2射頻供能關(guān)鍵技術(shù)分析

1.2.1天線設(shè)計(jì)

對(duì)空間中的射頻信號(hào)進(jìn)行采集進(jìn)而轉(zhuǎn)換為交流電能，離不開(kāi)接收天線，接收天線決定了接收到的電磁功率[3]。射頻能量收集系統(tǒng)常見(jiàn)的天線技術(shù)有極化天線、偶極子天線以及貼片天線，極化天線接收信號(hào)單一，只能接收極化方向發(fā)射的電磁波，當(dāng)發(fā)射天線和接收天線不對(duì)等時(shí)，會(huì)造成能量的流失以及產(chǎn)生失配現(xiàn)象，具有較大的局限性;偶極子天線雖然具有易于集成化的特點(diǎn)但制作工藝復(fù)雜，且易受外界環(huán)境影響;貼片天線成本低、重量輕，能夠?qū)崿F(xiàn)阻抗、諧振頻率和極化的多樣性，在無(wú)線射頻領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[4]。

1.2.2匹配電路設(shè)計(jì)

匹配電路作為天線和整流倍壓電路的紐帶，通過(guò)增加無(wú)源的電容和電感使天線的輸入阻抗和負(fù)載的輸出阻抗進(jìn)行匹配，抑制中心工作頻率外的其他波段頻率進(jìn)而使功率實(shí)現(xiàn)最大傳輸。匹配電路的性能參數(shù)通過(guò)電壓駐波比和回波損耗進(jìn)行評(píng)判，電壓駐波比又稱為駐波系數(shù)，可以通過(guò)求解等效電路獲得;回波損耗是由于阻抗不匹配產(chǎn)生的反射，又稱為反射損耗[5]。同時(shí)在設(shè)計(jì)匹配電路的時(shí)候需要考慮傳輸線路的阻值，傳輸線路阻值的存在會(huì)降低傳輸線路的功率容量，限制匹配電路的適用范圍。匹配電路原理圖如圖2所示。

1.2.3整流倍壓電路設(shè)計(jì)

整流倍壓電路（RF-DC）作為射頻供能系統(tǒng)中能量收集效率和升壓效果的重要一環(huán)，其利用二極管的整流效果將匹配電路收集到的交流電正弦波轉(zhuǎn)化為電壓值較大的直流電壓，繼而進(jìn)行能量存儲(chǔ);同時(shí)整流倍壓電路的轉(zhuǎn)換效率不僅受二極管的類型影響，還與電路中的容值、電路負(fù)載以及電路前端通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)，因此如何提高射頻交流轉(zhuǎn)換為直流是整個(gè)系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵[6]。肖恩特二極管具有導(dǎo)通電阻小、導(dǎo)通壓降小的特點(diǎn)，可以最大程度地提高整流倍壓電路的轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而使得輸出的電壓穩(wěn)定性能好，滿足低功耗節(jié)點(diǎn)對(duì)能量的需求[7]。

2優(yōu)化節(jié)點(diǎn)部署策略

2.1 數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制

自然界中的射頻信號(hào)受信號(hào)距離、節(jié)點(diǎn)鏈路的影響，信號(hào)強(qiáng)度以及能量密度呈動(dòng)態(tài)趨勢(shì)，使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要花費(fèi)一部分能量來(lái)維持自身的損耗，為了最大程度地提升射頻供能的能效，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制進(jìn)行分析，對(duì)能量感知和能量傳輸進(jìn)行分配，進(jìn)而得到高能效的數(shù)據(jù)傳輸方案。該文采用射頻信號(hào)與能量數(shù)據(jù)并行傳輸，提高了射頻能量轉(zhuǎn)換效率同時(shí)對(duì)寬帶的利用率也得到了一定提高，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低功耗高能效的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。

在對(duì)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí)，需要對(duì)能量管理機(jī)制進(jìn)行合理分配，即在降低微控制器和其他電路對(duì)能量消耗的同時(shí)，提升能量的轉(zhuǎn)化效率。微控制器在接收信號(hào)時(shí)處于工作模式需要消耗大量的能量進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、通信以及計(jì)算，當(dāng)無(wú)信號(hào)接收時(shí)處于休眠狀態(tài)，此時(shí)消耗的能量較小，因此可以通過(guò)對(duì)休眠狀態(tài)和工作狀態(tài)進(jìn)行合理管理，實(shí)現(xiàn)能量的節(jié)省。

2.2 信道分配機(jī)制

數(shù)據(jù)的傳輸面對(duì)的是多個(gè)信道及不同的次級(jí)用戶，如何最大限度地提高信道的利用率，進(jìn)而使每個(gè)信道時(shí)隙都能夠通過(guò)中心系統(tǒng)進(jìn)行信道分配，避免用戶間信道的堵塞以及閑置。因此，信道分配機(jī)制采用自適應(yīng)分配，即通過(guò)優(yōu)先級(jí)機(jī)制，將閑置概率大的信道和優(yōu)先級(jí)高的對(duì)象結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)信道分配，從而避免資源的浪費(fèi)，信道閑置概率的計(jì)算方法為：

式（1）中， 和 表示為次級(jí)用戶對(duì)主用戶的干擾程度，即信道i的轉(zhuǎn)移概率，用戶優(yōu)先級(jí)的計(jì)算方法為：

式（2）中， 為下一級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的最大值， 為數(shù)據(jù)傳輸信道增益與射頻能量之間的相關(guān)系數(shù)， 為系統(tǒng)可用能量， 為數(shù)據(jù)傳輸信道增益。

3仿真分析與實(shí)驗(yàn)

仿真分析與實(shí)驗(yàn)通過(guò)MATLAB軟件以及ADS軟件進(jìn)行模擬仿真，首先對(duì)系統(tǒng)硬件的改進(jìn)如輸入射頻信號(hào)、貼片天線、并行匹配電路以及肖恩特二極管構(gòu)成的整流倍壓電路進(jìn)行仿真，通過(guò)仿真測(cè)試系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)，驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的可行性以及有效性，繼而在ADS上搭建模型并計(jì)算系統(tǒng)能量收集效率以及電路轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制以及信道分配機(jī)制進(jìn)行分析，最后對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)分析可知，經(jīng)過(guò)該文射頻能量收集系統(tǒng)后，數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪苄院娃D(zhuǎn)換效率得到了較大提高，方案具有一定的實(shí)用性和有效性。

4結(jié)語(yǔ)

該文首先分析了微能量收集系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，并對(duì)比不同收集系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀對(duì)射頻供能進(jìn)行研究，并找出影響射頻供能的關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上分析射頻供能改進(jìn)的可能性以及能量轉(zhuǎn)換效率。由于射頻信號(hào)具有低功率和高頻率的特性，能量密度低、不易收集進(jìn)而導(dǎo)致輸出電壓低難以滿足網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的需要，所以需要對(duì)射頻供能系統(tǒng)進(jìn)行硬件上的改進(jìn)，進(jìn)而降低能量消耗，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制以及信道分配機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化，提高能量轉(zhuǎn)換效率，最終實(shí)現(xiàn)低功耗高能效的射頻供能傳輸系統(tǒng)，并最終提高實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性。

參考文獻(xiàn)

[1] 李燕君，陳雨哲，林瑞仲，等.射頻供能傳感網(wǎng)面向融合檢測(cè)的部署調(diào)度方法[J].軟件學(xué)報(bào)，2020， 31（12）：3852-3866.

[2] 李松亭，顏盾.射頻集成電路校準(zhǔn)技術(shù)綜述[J/OL].電子與信息學(xué)報(bào)：1-17（2021-11-09）[2021-12-16].https：//www.kns.cnki.net/kcms/detail/11.4494.TN.20211108.1144.014.html.

[3] 孫慧賢，張玉華，李召瑞.射頻鎖相環(huán)電路工作特性仿真與分析[J].計(jì)算機(jī)仿真，2020，37（3）：414-420.

[4] 葛海江，池凱凱，毛科技，等.無(wú)線供能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)吞吐量約束的供能最小化方案[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2019， 32（9）：1381-1387.

[5] 葛海江，俞湛威，池凱凱.無(wú)線供能網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)收集的能量效率最大化方案[J].電信科學(xué)，2019，35（12）：49-56.

[6] 李未，王楠，李文秀，等.物聯(lián)網(wǎng)中一種基于無(wú)線射頻識(shí)別和傳感器節(jié)點(diǎn)的信息收集協(xié)議[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，40（3）：579-585.

[7] 周吉天白.基于超高速下超高頻射頻識(shí)別信道仿真模型的研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2019，19（34）：234-238.

基金項(xiàng)目：河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目計(jì)劃《基于射頻供能的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)高效收集系統(tǒng)應(yīng)用研究》（項(xiàng)目編號(hào)：22B413003）。

作者簡(jiǎn)介：侯遠(yuǎn)韶（1986—），男，碩士，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)器學(xué)習(xí)與圖像處理。