梁冉

摘要：對空間中廣泛覆蓋的各類無線射頻信號進行能量收集與存儲利用，可為各類負載終端提供電力支持。因此，如何對無線射頻能量進行有效收集及存儲再利用成為一個研究熱點問題。針對上述問題，文章設計實現(xiàn)了一套無線射頻能量收集與存儲系統(tǒng)，利用倍壓檢波電路將無線射頻能量轉換成可供負載使用的直流電，基于電源管理芯片BQ25504設計并實現(xiàn)了能量存儲與管理電路。實驗結果表明，本設計將倍壓檢波電路與能量管理電路相結合，可以為物聯(lián)網(wǎng)低功耗設備進行持續(xù)穩(wěn)定的供電，從而減少對傳統(tǒng)電池的依賴，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：無線射頻能量；倍壓檢波電路；能量收集；能量存儲

中圖分類號：TN92? 文獻標志碼：A

0 引言

近年來，隨著無線通信和物聯(lián)網(wǎng)技術的蓬勃發(fā)展，大量的無線傳感器設備得到了普及。由于多數(shù)領域都需要可持續(xù)使用的無線傳感器終端，因此如何為終端設備提供可持續(xù)能量供給成為實際應用場景中的一個關鍵因素。當前，市面上大多數(shù)的終端設備都采用電池供電方式，而電池的使用與更換不但增加成本還可能造成環(huán)境污染。因此，近年來發(fā)展的能量收集技術得到了廣泛的關注，該技術是一種能夠為各類終端設備進行供電的新興技術。該技術能夠將周圍環(huán)境中的分布式能量進行有效收集并轉換成可供負載使用的電能。通常來講，環(huán)境中包含的分布式能量有太陽能、熱能、振動和射頻能量等多種形式［1-3］，而隨著各類移動通信技術的普及，空間中的射頻信號密度日益提升。因此，本文著重研究基于射頻信號的能量收集技術。

射頻能量收集技術是從散布在空間中的射頻微波信號中收集能量的一種方法，其基本原理是將接收到的電磁能量轉換成直流電，并將電能存儲在鋰電池中以供負載終端使用。目前，射頻能量收集技術的主要工作方式有4種：磁共振式、電磁感應式、電場耦合式、無線電波式［4］。上述4種射頻能量收集技術雖然工作方式不同，但其基本組成原理是相似的。射頻能量收集系統(tǒng)通常由接收天線、阻抗匹配電路、整流電路、儲能元件和負載等部分組成［5］。射頻能量收集系統(tǒng)通過使用天線接收高頻段的電磁波，再通過整流電路［6］轉換成直流電供負載使用。例如，當前廣泛使用的高頻段無源射頻識別標簽，即采用了射頻能量收集技術［7］。

由于傳統(tǒng)的無線射頻能量收集電路普遍存在尺寸大、電路結構復雜等問題，大大限制了射頻能量收集技術應用范圍［8］，因此本文設計了一種具有小型化、高集成化、低成本等特點的射頻能量收集系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過將倍壓檢波電路與能量管理電路相結合，實現(xiàn)了射頻能量收集和存儲，能夠為物聯(lián)網(wǎng)低功耗設備提供持續(xù)穩(wěn)定的電能。

本文后續(xù)內容為射頻能量收集電路的理論分析與設計、電源能量管理與儲能電路的設計以及針對上述電路的測試評估。

1 射頻能量收集電路設計

射頻能量收集電路的作用是將收集到的電磁波信號轉換為單向脈沖型直流電，其功能類似于檢波整流電路。射頻能量收集電路的有效利用有賴于較高的能量轉換效率。因此，本文設計了一種基于倍壓檢波電路的射頻能量收集電路，通過對該電路進行阻抗匹配，可實現(xiàn)較高的能量轉換效率。

1.1 倍壓檢波電路

倍壓檢波電路的主要作用是將高頻信號轉換為直流信號。該電路利用檢波二極管的單向導電性，能夠從高頻或者中頻的無線電信號中提取出低頻信號或者音頻信號［9］。常規(guī)的檢波電路，通常僅包含一個檢波二極管，該檢波二極管能夠從輸入的射頻信號中提取出直流信號。對于倍壓檢波電路而言，其內部包含2個輸入極性相反的檢波二極管，通過對上述2個檢波二極管的輸出電壓按極性相加，倍壓檢波電路的輸出電壓可以達到常規(guī)檢波電路輸出電壓的兩倍。倍壓檢波電路中的檢波二極管建議選用肖特基微波二極管，其工作頻率高，適用于多種情況的高頻、射頻信號的檢測。另外，肖特基二極管在工作過程中的能量消耗小，因而適合于能量收集電路。

圖1給出了本文設計的倍壓檢波電路。電容C1和肖特基二極管D1（封裝內包含2個極性相反的肖特基二極管管芯）構成倍壓檢波電路，電容C2起到濾波的作用。該設計所采集的射頻信號的頻率與輸出端的電容C2成反比，即若采集低頻段的射頻信號可增大輸出端的電容C2，反之若采集高頻段的射頻信號可減小輸出端的電容。

1.2 阻抗匹配設計

阻抗匹配設計是實現(xiàn)高效率射頻能量收集電路的關鍵，其主要作用是抑制信號反射，提高信號傳輸功率，降低信號能量的損耗。

由于本文設計應用于高頻電路，需要采用分布參數(shù)電路理論進行分析。當信號波長和電路尺寸可以比擬時，并且電路存在反射信號，則反射信號會疊加在原始信號上進而改變原始信號形態(tài)，降低了信號傳輸效率。因此，如果傳輸線的特征阻抗與負載阻抗不匹配時，負載一端會發(fā)生信號反射，降低信號傳輸效率。一般情況下，應盡量保證負載阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配。

在實際的高頻檢波電路中，高頻信號通常使用微波傳輸線加載在高頻檢波二極管的正極，因而微波傳輸線與高頻檢波二極管之間需要進行阻抗匹配［10］。對于板級電路設計，目前常用的微波傳輸線為接地共面波導。在接地共面波導中，頂層接地導體和信號導體之間的小間距可以實現(xiàn)傳輸線的低阻抗。底層接地導體和信號導體之間的大間距會引起傳輸線阻抗的增大，并且當接地共面波導的頂層接地導體與信號導體的間距增大時，頂層接地導體對電路的影響會降低。接地共面波導在毫米波頻段具有相對較低的輻射損耗且能實現(xiàn)良好的高階模抑制，這使得接地共面波導成為適用于30 GHz及以上頻段的候選傳輸線技術。本文采用了接地共面波導結構進行了傳輸線設計，經過阻抗計算，在采用1.6mm厚度FR4板材時，接地共面波導的線寬為1.5mm，線距為0.365mm。

1.3 PCB設計

在PCB設計過程中，倍壓檢波電路中的肖特基二極管采用的型號是HSMS2826，其封裝為SOT-23，電容和電阻則采用了0805封裝的貼片電容以及貼片電阻。另外，為了降低射頻信號的輻射，保證電路的接地效果，接地共面波導的頂層接地導體與底層接地導體之間需要采用較多的過孔進行電氣連接。

2 電源能量管理與儲能電路

射頻能量收集電路在距離射頻信號輻射源較遠時，會出現(xiàn)輸出電壓低、供能不穩(wěn)定等情況，不能滿足一些電路負載的實際需求，并且當環(huán)境中的射頻信號輻射功率發(fā)生變化時，此時射頻能量收集電路的輸出電壓也會因此產生一些波動，所以為保證負載的供電質量，維持供電的穩(wěn)定性，需要研究和設計相應的儲能電路對射頻能量收集電路所獲取的能量進行存儲和升壓。本文選取BQ25504芯片來進行電源的能量管理與存儲電路的設計，BQ25504芯片能夠對微弱的電流進行收集和存儲，其內部集成了升壓功能，適合各類低功耗應用［11］。

2.1 能量管理與存儲模塊設計

BQ25504是一款集成能量采集與電源升壓的能量管理與存儲集成電路，適合于智能集成能量采集毫微功耗管理。本設計利用該芯片可對無線射頻信號能量生成的微瓦到毫瓦級功率進行采集和管理。BQ25504內部的升壓電路能夠有效地從低壓輸入源中持續(xù)收集并且存儲能量，該特點非常適用于無線射頻能量存儲電路的設計。

本文設計的能量管理與存儲電路如圖2所示。該電路能夠采集低至VIN（DC）=130mV的直流電能。另外，電路內部的升壓部分能夠有效地從低壓輸入源持續(xù)地收集和存儲能量。

該電路中的VBAT引腳可以外接可充電鋰電池，通過使用外接電阻可防止可充電電池過度放電，并且也能夠防止過度消耗電容中的電荷能。其中，欠壓保護的閾值電壓VBAT_UV由計算式（1）得出，VBIAS是BQ25504芯片的內部參考電壓，為1.25 V。

VBAT_UV=VBIAS1+R9R11（1）

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，外接分壓電阻R8、R9、R10、R11的阻值需滿足R8+R10≤10MΩ，R9+R11≤10MΩ。為了防止能量收集電路過度對電容充電，可設置過壓保護的閾值電壓VBAT_OV，由公式（2）得出：

VBAT_OV=32VBIAS1+R8R10（2）

該芯片有過壓保護和欠壓保護的功能，當電池電壓下降時可通過（3）設置閾值：

VBAT_OK_PROG=VBIAS1+R6R5（3）

當電壓升高時，可通過公式（4）設置閾值：

VBAT_OK_HYST=VBIAS1+R6+R7R5（4）

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，R5、R6、R7為外接分壓電阻，并且R5、R6、R7的電阻值之和不能超過10MΩ。

2.2 儲能元件的選擇

由于射頻能量收集電路的輸出電流功率低、不穩(wěn)定，所以儲能電路還需要增加1個儲能元件來穩(wěn)定地對負載進行能量輸出，通過對儲能元件的性能進行分析，選擇可充電鋰電池作為儲能單元，由于本設計是為物聯(lián)網(wǎng)低功耗設備進行持續(xù)穩(wěn)定的供電，選擇了100mAh的可充電鋰電池。

3 電路測試

3.1 倍壓檢波電路測試

實驗環(huán)境是以2.4 GHz無線路由器作為射頻信號的輻射端，倍壓檢波電路對無線路由器的輻射信號進行能量采集。表1給出了無線路由器與倍壓檢波電路之間不同距離時，倍壓檢波電路負載兩端的實測輸出電壓。可知倍壓檢波電路的輸出電壓會隨著該電路與射頻信號輻射源之間距離的增加而急劇降低，當該電路與射頻信號輻射源的間距較小時，其輸出可以用于低功耗終端的供電。當該電路與射頻信號輻射源的間距較大時，則需要射頻能量存儲與管理電路對采集到的射頻輻射能量進行存儲管理。

若采用LED作為電路負載對倍壓檢波電路進行測試，在貼近無線路由器天線時，倍壓檢波電路輸出電壓可達到3.3 V左右，可以點亮LED，由于無線路由器WiFi信號的波動，LED會進行閃耀。另外，在距離無線路由器20cm左右時，依然可以點亮LED。如果無線路由器還有倍壓檢波電路均采用定向天線，則可以實現(xiàn)更遠距離的無線射頻能量采集。

3.2 能量管理與存儲電路測試

因為能量管理電路的冷啟動輸入電壓范圍為330～450mV，所以射頻能量采集電路通過接收無線射頻能量，使得電路電壓達到330mV時即可啟動能量管理電路，經過一定時間的能量存儲，可以點亮電路上的LED燈。

由于能量管理電路能夠對收集到的能量進行存儲，所以在遠離射頻信號輻射源時依然可以存儲能量，單一的倍壓檢波電路不具備該功能。經過測試，本文設計的無線射頻能量收集與存儲系統(tǒng)（倍壓檢波電路結合能量存儲與管理電路）在距離無線路由器80cm處，經過10min左右的充電后，可以點亮電路上的負載LED燈，比只有倍壓檢波電路的電路板在供能距離上得到了更大的提升。

此外，該系統(tǒng)若外接一個儲能鋰電池，經過對鋰電池的充電蓄能，可以持續(xù)穩(wěn)定地對負載進行供電。經過BQ25504升壓電路升壓后，該系統(tǒng)可以將輸出電壓上升到5.1 V左右。此時，該系統(tǒng)可以對單片機開發(fā)板進行供電，經測試，也可以保證有外接屏幕的單片機開發(fā)板正常運行。

4 結語

針對傳統(tǒng)無線射頻能量收集電路體積大、結構復雜等問題，本文提出了一種由倍壓檢波電路和能量管理電路相結合的無線射頻能量收集系統(tǒng)，可實現(xiàn)對遠距離無線射頻能量的收集存儲再利用。實驗結果證明，該系統(tǒng)在距離路由器80cm處經充能一段時間后，可為負載終端提供有效電能，實現(xiàn)了遠距離供能需求。

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（編輯 王永超）

Design of radio frequency energy harvesting and storage system

Liang? Ran

（China Research Institute of Rodiowave Propagation， Qingdao 266107， China）

Abstract：? By collecting and storing the energy of these signals， it can provide power support for various load terminals. So how to collect， store and reuse these energies has aroused peoples concern. To address this problem， this paper designs and implements a wireless RF energy collection and storage system， and the voltage doubling detector circuit is used to convert the energy into DC power that can be used by the load， and the energy storage and management circuit is designed and implemented based on the power management chip BQ25504. The experimental results show that the combination of rectifier circuit and energy management circuit can provide continuous and stable power supply for IoT low-power devices， thus reducing the dependence on traditional batteries， which has wide application prospects.

Key words： radio frequency energy; voltage doubling detection circuit; energy collection; energy storage