一种高效环境WiFi能量收集系统

徐 涛，於正超

(沈阳航空航天大学 自动化学院，辽宁 沈阳110136)

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。

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。

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，从移动基站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

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。

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