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】TN85
0 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。U.Olgun等人[9]设计射频能量收集装置，可将2.45 GHz的WiFi信号能量进行时长为20 min收集转换，所收集的能源可供室内外温湿度检测装置工作10 min。Kevin M等人[10]设计为结构健康监测应用提供能量的无线能量收集系统，收集频率为2.4 GHz的信号，发射功率为1 W，距离接收天线1 m处，仅需要27 s就能够给传感器节点电池充电到3.7 V。Haocheng Hong[11]设计用于商场收集系统，在无线WiFi信号环境中，距离接收天线2.4 m射频能量转换效率为9.76%，距离为40 cm时，转换效率为33.7%，输出电压为1.5～7.36 V。在文献[12-15]中设计适用在无线局域网或是为WiFi或类似2.4 GHz频段射频能量收集系统，设计整流电路至少在输入功率在-20 dBm条件下才可进行能量收集。
高增益天线但是，环境WiFi信号通常不能为能量收集系统直接提供足够的RF能量源，有必要通过提高天线的灵敏度和转换电路的效率，来获取更多的能量。本文设计了一个WiFi能量收集系统，包括高灵敏度的天线和高转换效率的整理电路，可用于从环境WiFi信号中收集微弱的
能量，进一步的能量收集和存储研究将能够为无线传感器提供电源。
盲源分离
1 天线设计
天线的性能将会影响捕获WiFi信号的能力，天线设计是比较关键的环节，所以必须要选择高灵敏度的天线。微带天线与常用的天线相比，具有体积小、重量轻、与载体结合的特点，适合印刷电路工艺的批量生产。因此，WiFi信号能量收集系统的天线采用微带天线设计，微带天线工作在ISM频率(2.4～2.5 GHz)，馈电方式采用微带线进行馈电，介质基片选择Rogers RO4350，其相对介电常数为εr=3.66，损耗角正切tanδ=0.003 1，厚度h=1.54 mm。按照矩形天线理论公式得到矩形微带天线的宽度和长度(W=40 mm，L=31.5 mm)。微带天线采用微带线进行馈电，并在微带线两侧开对称槽有利于阻抗匹配，通过多次仿真对比调试，得出最佳的开槽尺寸(L1=10 mm，W2=2 mm)。
为了提高收集能量的效率，可以采用增加天线增益的方式即采用天线阵列。本文提出2×2阵列天线，连接采用并联馈电的面阵形式。通过长度相等、结构对称的馈线网络连接各阵元进行馈电方式，实现各个天线单元电流等时等幅到达馈点。天线阵列传输线采用1/4波长阻抗变换器和T型结构连接。由于1/4波长阻抗变换器由多节组成，传输线特性阻抗呈阶梯变气吹
化，所以只要阶梯阻抗变化的足够慢就能保证足够的带宽匹配。天线阵列仿真模型如图1(a)所示，反射系数S11和天线增益变化曲线如图1(b)所示。
图1 天线阵列
天线阵列通过T型连接将各个天线单元收集的能量合并输出，如图1(b)所示，当反射系数小于-10 dB时，反射系数的频率带宽在2.45 GHz(-12.44 dB)和2.47 GHz(-12.64 dB)之间。 在中心频率为2.48 GHz时，反射系数为-68.95 dB，这意味着更小的发射能量损失，同时，中心频点的天线阵增益为12.369 1 dBi。文献[16]设计的天线增益为3.6 dBi，对接收的微弱信号不太敏感。文献[17]中使用的能量收集天线，反射系数最低只有-5 dB，本文设计反射系数最低有-68.9 dB，在天线性能上有很大优势。
2 整流电路设计
在远距离能量收集上，从移动和广播无线电塔实际收获RF能量需要更高的增益。在短距离范围内，如室内无线局域网(WLAN或简称WiFi)接入点，可能是用于能量收集的RF信号的来源，从传输功率为100 mW的典型WiFi路由器收集能量是可能的。由于这种低功率涂覆
传输，环境WiFi信号的功率采集需要高效的转换电路。为了实现这一目标，文献[14]提出了基于Greinacher电路的倍压转换电路，本文对原有电路做出修改，以获得更加高的转换效率。为了降低二极管的导通电压，设计了整流电路采用电流整流二极管HSMS285C，它是零偏置低阻肖特基二极管，所设计的整流电路如图2所示。
图2 整流电路
dds信号源与文献[9]中的整流电路相比，电路中的电感被忽略，以提高包括2个自振部分的电路效率，最终输出4倍的输入电压。即使是低电压输入，整流电路也能输出高电压。
由于整流电路由非线性元器件组成，其输入阻抗会随幅值和频率发生变化。为了能量传输的效率达到最高，整流电路输入阻抗要与RF输入的阻抗尽量相匹配。天线阵列的输入功率在-30～-20 dBm的输入功率时，其输出阻抗为50 Ω，整流电路的输入阻抗也得匹配到50 Ω。通过调整匹配网络的微带尺寸，实现整流电路和天线阻抗匹配。匹配电路选择介质基片为Rogers RO4350。整流电路和匹配电路仿真模型如图3(a)所示，图3(b)为其PCB图。
图3 匹配电路和整流电路
3 能量收集系统实际测量结果
3.1 天线阵列测量
天线阵列使用材料为Rogers RO4350根据PCB的尺寸制作。为了验证天线阵列的最佳工作范围，需要网络分析仪来检测天线阵列的阻抗和反射系数的变化。使用miniVNA Tiny 3G矢量网络分析仪测量2×2天线阵列的反射系数S11，天线阵列和相应的测量结果如图4所示。
图4 制作的天线阵列和实际测量结果
从图4(b)中的测量结果来看，所制作的天线阵列的中心频率为2.43 GHz，相应的反射率参数S11为-52.29 dB。其中反射系数不低于-10 dB时，其对应的输入信号频率为2.415～2.453 GHz。
3.2 整流电路测量
整流电路板的反射系数S11由网络分析仪测量，然后将S11与仿真结果进行比较制作的整流电路板和测量结果如图5所示。整流电路的输入阻抗为50 Ω，与天线阵列的输出阻抗相匹配，
使得天线阵列收集的能量可以传输到整流器电路损失最小。为了测试整流电路的转换效率，它使用SMA RF连接器连接天线阵列，整流电路的输出接口采用间距1.27 mm的连接器。
图5 整流电路模块和实际测量结果
整流电路阻抗匹配后的反射系数S11仿真结果和实际测量结果如图5(b)所示，从图5(b)得出测得的反射系数几乎与理论仿真带宽相同，实际测量在2.41 GHz时，反射系数为-38.39 dB。反射系数小于-10 dB(损失10%)时，实际测得带宽为2.35～2.45 GHz，对应于最佳的传输频率段。这个频率段与天线阵列的工作频率重叠的比较多，将二者连接后能量收集效率会比较高。
3.3 能量收集系统实际测量
能量采集系统的实际输出电压使用室内WiFi路由器进行测量。其中图6所示为能量采集系统与能量源距离为2.3 m，能量采集结果为1 089.916 mV的测试环境。
图6 能量收集系统的测量
能量收集系统测试环境，在室内环境WiFi条件下，能量收集系统天线阵列距离WiFi源不同距离，同时使用NetSpot测量天线接收处WiFi信号的功率，能量收集系统收集到不同的电压输出结果，输出的电压通过6个半测量精度的Agilent 34401A进行测量。在改变能量收集系统和WiFi路由器之间的距离的同时检测输入功率和测量输出电压，测量结果如表1所示。
表1 转换电压和距离之间的关系
序号与发射源距离/m输入功率/dBm转换输出电压/mV12.3-23108922.6-2582133.0-3074743.5-35310
随着距离的增加，环境射频功率和输出电压降低，最小输出电压为310 mV，距离为3.5 m。最大输出电压为1 089 mV，距离为2.3 m。当能量收集系统靠近WiFi路由器时，输出电压将会增加。测量结果表明，能量收集系统可以有效地从WiFi信号中收集能量。
同时，由于天线阵列和简化的整流电路，能量采集系统的效率得到了提高，即使环境射频功率为-35 dBm，系统也能输出310 mV。然而，文献[16]采用7阶段的倍压整流电路作为能量转换电路，由于比较多的倍压电路就意味着更多的能量会被电路消耗，所以最大输出电
压只有30 mV。文献[18]采用整流电路6级倍压电路，当输入功率为-20 dBm时，输出电压为816 mV。因此，当考虑能量转换效率时，所提出的系统更有效。
尽管能量收集系统更加高效，但天线的大尺寸并不适合为无线传感器供电，进一步的研究可能会使高增益天线的尺寸最小化。然而，这项研究可以为高能效的WiFi能量收集系统提供有价值的方案。在实际的测试中，如果连续对电容充电(0.2 mF)，则需要20 min才能充电780 mV，节省了60.84 mJ。
4 结束语
针对射频微能量收集技术，提出了一种更有效的环境WiFi能量收集系统，通过优化接收天线性能和改进整流电路参数的方法，来提高射频能量收集系统的转换效率。经过仿真、测试和对比可以看出，采用天线阵列和改进的整流电路，WiFi能量收集系统天线阵列对捕获射频信号能力更加灵敏，整流电路对RF-DC转化效率更加高效。实验结果表明，环境WiFi能量采集系统的最佳工作距离小于3.5 m，输出电压大于300 mV。将来可设计充电管理单元，把收集的射频能量存储于可充电池或超级电容，为无线传感器等低功耗系统提供能量。
参考文献水泥厂脱硝
[1] BANDYOPADHYAY S，CHANDRAKASAN A.Platform Architecture for Solar，Thermal，and Vibration Energy Combining with MPPT and Single Inductor[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2012，47(9)：2199-2215.
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