环境射频能量收集技术的研究进展及应用*

韦保林，韦雪明，徐卫林，段吉海

(桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林541004)

0 引言

当前，越来越多的微型或便携式无线通信设备或网络节点被应用于现实生活中，这些无线设备的主要能源供应来源是电池。然而电池的使用给无线设备引入不小的体积;此外，电池的寿命有限，对于某些特定场合应用的无线设备(如无线传感器网络节点、植入式电子设备等)，更换电池的代价是非常昂贵的，废旧电池也容易引起环境污染。多年来，研究工作者们在降低系统功耗方面一直在不懈地探索，以期延长电池的寿命和无线设备的可持续工作时间。

随着硅微电子技术的发展，电子系统的功耗越来越低，出现了微瓦级功耗的电子系统，使得系统能够从周围环境中收集能量以供自身持续工作成为可能［1－2］。这种能够从周围环境中收集能量以供自身持续工作的系统称为自供电(self－powering)或者自充电(self－rechargeable)、免电池(battery－less)电子微系统，它是近几年来对一些无法触及或者难以更换电池的低功耗无线通信系统提供能量的一个研究热点［1－5］。自供电(self－ powering)电子微系统的能量收集来源主要有:运动(振动或机械)能量、射频能量、热力梯度、压力差、太阳能、光能、生物能等［5］。自供电电子微系统的核心部件是高效、灵敏的能量收集器，它能够从周围环境或特定的能量产生源捕获微弱的能量并转化为电能，然后进行累积、存储以供电子系统使用。不同的能量来源需要不同的能量收集器，迄今为止，这些能量收集器所能收集到的电能还很低，通常是毫瓦级，但能量收集技术在低功耗电子设备方面的应用前景十分广阔。

射频能量是自供电(self－powering)电子微系统的重要能量来源之一，文中在总结介绍国内外有关对环境射频能量进行收集利用的技术研究进展及最新应用的基础上，讨论其实现的关键技术及难点，并分析其发展方向。

1 发展历史及其可行性

通过射频电磁波传输功率的历史可以回溯到海因里希·赫兹年代，赫兹证实了空间中电磁波的存在并首次实现了电磁波的收发［6］。1890年开始，现代交流电系统的奠基者尼古拉·特斯拉就开始尝试采用射频电磁波进行无线供电的实验，直到第一次世界大战，尼古拉·特斯拉的无线电能传输实验才无果而终，其原因除了资金短缺以外，最主要的是当时射频微波技术的缺乏［6－7］。一百多年以来，射频无线电磁波收发技术得到不断地发展，虽然其主要应用于无线通信方面并使世界发生了天翻地覆的变化，但其在无线能量传输方面的研究并没有停止过。本世纪以来，无线供电新技术取得不断突破，各大公司和研究机构纷纷推出其研究成果。如麻省理工大学在2007年6月，英特尔在2008年8月，微软公司在2009年都分别推出了自己的无线充电装置或设备;韩国在2010年3月也展示了一辆无线充电电动汽车，但是这些无线充电设备或装置主要是针对近距离大功率用电，一般采用的是磁耦合共振或者电磁感应技术，往往需要直径达10 cm以上甚至几米的铜线电感线圈。在功耗较小的电子微系统方面，射频无线供电的一个最典型代表是无源RFID标签;RFID读卡器通过天线发射高达几瓦的电磁波，当无源RFID标签靠近读卡器天线时，标签天线感应到读卡器发射的信号，并将其进行整流、倍压，实现射频能量收集以供其自身工作。通常情况下无源RFID应用于近距离和低频率，远距离的RFID一般采用有源标签。

无线射频能量传输或收集可分为近场和远场两类［8］。近场的无线射频能量传输主要应用于中等功率(几瓦到上百瓦的功率要求)且距离很近(几米以内)的应用场合，一般工作于100 MHz以内，其主要优点是传输效率高、射频辐射安全限制少，但是低频段工作导致其传输线圈较大。远场无线射频能量传输主要应用于低功耗应用场合，如低功耗无线传感器网络，当然也可用于高功率系统，如太空、军事、工业等应用;它一般采用几百MHz以上的射频或频率更高的微波进行传输，其主要优点是需要的接收天线尺寸相对较小，但是传输效率较低［8－9］。文中主要针对远场无线射频能量传输进行讨论。

远场射频能量收集的能量来源主要有两种:即特定的射频能量发射器所发射的射频能量，以及环境中存在的射频能量。为实现射频无线能量传输而设立的特定射频能量发射器所发射的射频能量能够容易满足低功耗用电设备的需要，因为操作者可容易控制其发射功率、方向等［10］;而周围环境中存在的射频能量能否被收集并转化为电子微系统供电所用?近几年来，科技工作者们围绕这个问题开展了不少的研究，以下讨论对环境射频能量进行收集利用的可行性。

首先，环境射频能量无处不在。在通信技术高速发展的当今，我们生活的周围环境有许多射频广播基站，比如电视发射塔、WiFi、雷达、WLAN、GSM基站等等，这些设备基本上配备全向天线，可向所有方向发射射频信号，虽然射频信号所携带的能量较低，但是从那可获得的功率足以使超低功耗传感器节点或电路工作［11］。为了评价环境射频能量收集的可行性，PINUELA M等对伦敦北郊地铁站外的输入可资用射频功率进行测试考察，结果如图1所示，所有地铁站不同频带内的平均功率密度如表1所示，其中BTx表示基站发射，MTx表示移动设备发射;由此可见，数字电视(DTV)、GSM900、GSM1800、3 G以及WiFi均可作为环境射频能量收集的潜在能量源［10］。VYAS R等也在亚特兰大市中心距离电视发射塔6.5 km处，测出了在500～700 MHz频率范围内不同频道的电视信号强度分布在 －24.83～－16.92 dBm，可作为环境射频能量收集的能量源［12］。

图1 伦敦北郊地铁站外的射频功率密度测试结果［10］Fig.1 Input RF power density measurements outside the north London subway station［10］

表1 伦敦所有地铁站不同频段的平均射频功率密度［10］Table 1 Average RF power density across all London subway stations for different band［10］

其次，电子微系统的功耗越来越低，使环境射频能量收集应用成为可能。射频能量收集技术研究与发展的主要推手是超低功耗电子元器件及电路的出现。当前许多常用的无线传感器网络节点在睡眠状态下功耗仅为几个μW，在激活状态下功耗也仅达到上百μW，许多商业化的元器件的功耗大约是:微处理器为160 μA/MHz、传感器为120 μA、RS － 232 收发机为3 mA、RS －485 收发机为120 μA［13］。虽然环境射频信号所携带的能量较低，但是经过收集与存储可获得足以使这些超低功耗电子微系统电路工作的功率［11］。

再次，射频能量收集技术的发展，使环境射频能量收集应用成为可能。环境射频能量的功率非常低，如上述VYAS R测出的亚特兰大市中心信号较强的某电视频道的信号强度仅为 －16.92 dBm［12］;要想对这些微弱的环境射频能量进行收集，需要灵敏度较高的能量收集器。经过近几年的研究与发展，射频能量收集器的灵敏度得以不断提高，如文献［14］报道的环境射频能量收集器灵敏度可达－20 dBm，效率为18%，文献［15］报道的射频倍压整流电路在采用50级低阈值管整流器的情况下，可将－32 dBm的射频信号整流到1 V，这些成果为环境射频能量收集应用提供了一定的技术积累。

综上所述，高灵敏度、高效率射频能量收集技术的发展以及越来越多的微瓦级、亚微瓦级低功耗电子系统的出现，加上当前环境中泛在的射频信号，使得环境射频能量收集利用成为可能。

2 发展现状及应用实例

近年来，超低功耗、低电压电子元器件及电路的大量出现以及现实生活中大量不易更换电池的电子微系统的广泛使用，引起了人们对环境射频能量收集技术研究的广泛关注。当前，环境射频能量收集的研究及应用主要在低功耗且不易更换电池的无线传感网络节点及植入式电子设备等方面。

2.1 无线传感器网络方面的应用

无线传感器网络具有广泛的应用价值，涉及工业、农业、水文、军事、生物医学等各个领域。当前，电池仍然是无线传感器网络的主要能量来源，但是电池的寿命、尺寸以及维护和更换费用等，在某些场合是不能忍受的。如在智能建筑中，每个建筑物至少有上百个的传感器节点分布于建筑体中的各个部位，用于监测温度、亮度、人流量等参数;通过布线为这些传感器节点提供电源，其代价是十分昂贵的，而采用电池供电主要面临的问题是往后如何判断哪些节点的电池已耗尽并进行更换，这在商业上是难以接受的，而采用环境射频能量收集技术辅以可充电电池则是其比较理想的供电方式［16］。

近几年，环境射频能量收集技术在低功耗、分布广、不易更换电池的无线传感器网络的应用研究取得了一些进展。美国俄亥俄州立大学的OLGUN U等［17］针对无线传感器等无线设备的应用需要，设计了一种新型环境射频能量收集器，通过对2.45 GHz WiFi信号能量进行为时20 min的收集转换，可输出20 μA的最大电流，使带LCD显示的室内外温湿度监测器持续工作10 min。SHIGETA R等［18］设计了一种具有储能电容泄漏感知工作循环控制的环境射频能量收集传感器设备，采用自适应工作循环控制技术对射频能量收集进行优化，通过考虑能量泄漏问题使得感知率有所提高，通过对操作可靠性及泄漏衰退的合计评价控制而改善其效率;该传感器设备已通过在距离东京电视发射塔6.3 km的11楼高度进行现场测试，发现其可为传感器设备提供2.68 V平均电压。VYAS R J等［19］设计了一种免电池嵌入式传感器平台，采用环境中的无线数字电视射频信号作为电源，可成功地为一个16位嵌入式传感器微控制器提供电源使其持续工作，该能量收集器的灵敏度可达－18.86 dBm，系统原型如图2所示。

图2 环境射频能量收集系统原型［19］Fig.2 Ambient wireless energy harvesting prototype system(E － WEHP)［19］

此外，还有不少应用环境射频能量为低功耗无线设备提供电能的能量收集器，它们分别利用不同的射频源，如文献［10，20］是采用环境GSM信号作为射频源，文献［21］则是采用环境WiFi信号作为射频源。

2.2 生物医学电子方面的应用

随着通信、计算机、传感器以及微纳电子技术等领域的研究不断取得突破，生物医学电子系统正朝集成化、微型化、无线化及智能化等方向迅速发展;同时随着老龄化社会的到来以及人们生活水平的提高，各种应用需求应运而生，生物医学电子设备的体积更小、功耗更低。电池是低功耗穿戴式或植入式生物医学电子设备当前的主要能量来源，但为了穿戴的舒适性或更易于植入，自供电显然是其最佳选择，不少科技工作者对此展开了研究。

BARRECA N 等［22］针对无线体域网(WBAN)的应用需要，设计了一种包括双带天线及整流、倍压电路的环境能量收集器，对GSM900/1800频段射频信号进行收集，当射频源的信号强度不低于－10 dBm时，可使WBAN节点持续工作，但是其天线面积为12 cm×8 cm。MAHMOUD H 等［3］设计了一种带5.2 GHz RF能量收集器的可植入式眼内压力检测器芯片，模块框图如图3所示，采用MOS电容进行能量存储，可提供0.8 V电压，驱动功耗为100 μW的负载维持9 μs的工作时间;其效率可达42%，但需要至少7 dBm的射频信号强度，若欲采用环境射频能量，则需进一步优化，提高其灵敏度。

图3 植入式传感器的片内射频能量收集模型［3］Fig.3 On －chip RF power－harvesting module utilized in an implantable sensor［3］

此外，环境射频能量经过收集、转换，还可有望应用于其它可穿戴式低功耗设备、无线供电手持设备、RFID标签、非接触式晶圆级测试等场合［23－24］，具有广阔的应用前景，由于篇幅有限，此处不一一介绍。

3 关键技术及发展趋势

3.1 关键技术

近年来，虽然环境射频能量收集技术研究取得了不菲的进展，但是其广泛应用仍面临诸多关键技术和难点的挑战，主要表现在以下几个方面:

1)天线设计技术。通过科技工作者们多年的不懈努力，在天线设计技术方面取得了不凡的成果，但是小型化、宽频带的天线仍然是环境射频能量收集技术在超低功耗电子微系统中广泛应用所面临关键技术之一。这主要源于以下两个原因:首先，超低功耗电子微系统一般要求其体积尽量小以便于携带(如穿戴式生物医学电子设备等)，而天线是影响系统体积的一个重要部分。其次，环境射频能量比较低、所分布频带比较散。虽然不少文献报道采用对单一频带(如 GSM900/1800、数字电视、WiFi等)射频信号进行能量采集，也可取得较好的效果［17－18，20－21］;但是若能同时对多个频带的环境射频信号进行收集，则其能量来源更可靠，这需要性能良好的宽带天线或者天线阵列，而小型化的宽频带天线，特别是能够与芯片集成在一起的小型化天线设计仍然是当前的一个技术难点［4，22，25］。

2)能量收集器的灵敏度及效率。射频能量收集主要关注的性能指标是功率转换效率、输出功率、灵敏度等。对于完成能量收集后需要连续工作的系统，功率转换效率和输出功率是其最为重要的参数，然而，在一些不需要整个系统全时工作的场合，灵敏度更为重要，因为它决定了最大工作范围。环境射频能量比较低，对其进行有效收集需要灵敏度较高的射频能量收集器，影响灵敏度的因素主要有:天线与整流器之间的匹配情况、整流器件阈值电压的影响等。经过科研工作者的不断努力，射频能量收集器的灵敏度得以不断提高，但是需要几十级的整流电路或者在有源阈值消除电路中需要额外的电源［15］，导致芯片面积的增加、泄漏和寄生参数的增大以及整流器功率效率下降等。

功率转换效率是射频能量收集的另一个重要指标，在近场的射频无线能量传输中，射频信号功率较大时，能量收集器的效率较高，可达到60% ～90%，但随着射频功率的下降，其效率也迅速降低［10］;环境射频信号能量比较低，所以如何提高射频能量收集器的效率也是该技术的技术关键之一。可通过寻求对器件性能参数进行补偿的方法，改善整流器的功率转换效率;目前主要有采用外部阈值、内部阈值、自阈值等补偿法实现对整流MOS管进行阈值补偿，加快其导通速度;采用交叉耦合桥式连接和差分输入结构，以降低导通电阻、减小反向泄漏电流，提高低输入信号时的功率转换效率;此外，还有动态阈值消除技术、动态开关控制技术、自同步整流技术等等。但是当前这些技术的效果还不是很理想，还有待于进一步改进，或发展低输入功率情况下提高转换效率的新方法。

3.2 发展趋势

当前，环境射频能量收集技术正朝着小型化、集成化、阵列化、智能化等方向发展。一般情况下，采用单个硅整流二极管天线(rectenna)实现整流得到的功率往往难以满足设备的供电要求，而通过天线阵列可最大限度地收集环境射频能量并将其汇集在一起［17］;此外，每个天线可配备独立的整流器，在整流器的输出端通过并联电流相加或串联电压相加、或者混合方式将直流叠加，以获得更大的功率。智能化就是通过一定的优化算法或自适应控制技术使其效率最大化［18，26］;小型化、集成化的目标是将射频能量收集器甚至接收天线集成到用电系统芯片中。

4 结语

在通信技术高速发展的当今，环境射频信号无处不在，特别是在城区和近郊;而越来越低的电子系统功耗使得其从周围环境中收集能量供自身所用成为可能，引起了科技工作者们对环境射频能量收集应用研究的广泛兴趣。文中对近五年来环境射频能量收集应用研究的成果以及所面临的关键技术、难点和发展方向做了总结分析，希望能对从事自供电电子系统和微电子等方面研究的人员提供一些帮助，推动我国电子信息技术及产业的发展。

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