射频能量收集技术研究现状及未来发展趋势

刘兰兰， 秦卫平， 王冬冬

(南京邮电大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210003)

0 引 言

能量收集(energy harvesting)是一种将周围环境中分布式的能量进行收集并转换成可供负载使用的电能的一种技术。环境中包含的分布式能量有太阳能、热能、振动和射频能量等多种形式[1～3]，目前，能量收集技术主要应用于无线传感器网络、植入式医疗监测、军事监控设备、偏远地区天气站等方面。

周围环境中分布的可供收集的射频能量密度与太阳能、热能和振动能量密度相比含量较低[4]，使得射频能量收集的应用范围较少。但随着无线通信的发展，环境中分布的射频能量会持续增加，使射频能量收集在低功耗电子设备中具有广阔的应用前景。射频能量传输的研究始于1964年， Brown W C首次成功验证了微波功率传输(microwave power transmission,MPT)[5,6]的可行性，之后科学家在此基础上得以继续对射频能量收集技术进行研究，甚至研制出利用MPT技术驱动直升飞机等。

本文在已有研究工作和相关综述的基础上，从射频能量收集的系统结构和系统效率出发，在能量收集研究频率、接收天线、整流电路以及应用几方面综述了其研究现状；并对射频能量收集技术进行总结和展望。

1 系统结构和系统效率

1.1 系统结构

射频能量收集系统结构通常有2种:1)由接收天线、阻抗匹配、整流电路、储能元件和负载等部分组成[7]。接收天线从周围环境中接收射频信号，经整流电路将射频信号转换成直流并对其升压，并存储能量为负载供电。储能元件一般用电容器[8]或超级电容器。负载根据具体的应用一般为传感器节点、射频识别(radio frequency identification,RFID)以及温湿度测量仪等。2)由整流天线、升压电路、储能元件和负载等部分组成。其中整流天线由接收天线、低通或带通滤波器、整流二极管即直流滤波器等组成。低通或带通滤波器可以阻止后端产生的高次谐波向外辐射，亦可实现接收天线与整流电路阻抗匹配[9]。直流滤波器有效地将射频能量短路并使直流分量通过[10]。整流天线输出的电压较低，不能直接供负载使用，需要升压电路进行升压，常用的升压电路有Boost和Flyback等。

1.2 系统效率

如图1所示,系统从输入功率Prf到输出功率Pdc过程中能量经过4次损失。由此,系统效率可表示为[11]

(1)

式中ηm为阻抗匹配的效率，反映了当阻抗不连续时，射频信号在非线性器件里传播会产生反射损耗。文献[12]提出了可以通过提高匹配网络的品质因数Q来提高匹配效率；ηp为寄生效率，文献[11，12]分析了寄生电阻和寄生电容对系统转换效率的影响，并指出寄生效应不可能同时避免，唯有合理的布局才能减少影响；η0为整流电路的效率，文献[11]指出该效率主要与非线性整流二极管有关，文中给出了详细的分析；ηdet为直流功率从非线性器件到直流负载的效率。

图1 射频能量收集系统效率

2 研究现状

2.1 能量收集频率

在射频能量收集过程中，电磁波频率低至中波高至毫米波均得到大量研究。2.4～2.5 GHz频段获得研究射频能量收集技术的关注[13～16]；后因无线通信的发展，基站、移动设备和WiFi等[15]应用愈加广泛，导致这些频段成为研究热点。除此之外，还有学者对调幅(AM)[17]信号和调频(FM)[18，19]信号进行了研究。随着人们对微型化器件的追求，射频能量收集技术开始向更高频率进行探索。文献[20]就对35 GHz的整流天线进行研究，并实现了37 %的整流效率。但当时考虑到毫米波器件不成熟，并且毫米波在大气中传输衰减较严重，国内外学者开始将频段移到了新ISM频段,即5.725～5.875 GHz。文献[21]设计了一种频率在5.8 GHz的多极化整流天线，实现了较高的转换效率。

为了获得更高的输出电压，通过增加整流天线的工作带宽，如双频、三频及宽频整流天线。文献[22]在2.4 GHz和5.8 GHz 2个频率下对环境中的无线信号进行能量收集，在距离发射功率仅5 dBm的路由器1 m时，可实现在10 kΩ负载下1.3 mW的输出功率。文献[23]在500,953 MHz和2 GHz 3个频率下收集能量，最终实现了无论负载的大小均可输出3.5 V恒定电压。文献[24]工作频率在0.9～3 GHz，具有107.7 %的相关带宽，可实现对最低的射频功率-20 dBm的能量收集。

2.2 接收天线

在天线设计方面，微带贴片天线因其成本低、体积小、质量轻等优点被广泛使用。对于线极化的接收天线，需要接收天线与发射天线的极化方向一致接收效率才能最大。文献[25]提出了一种具有四元电磁耦合贴片的高增益线极化天线，采用指数锥线变压器作为馈电网络，可实现在5.2 GHz时最大增益为15.55 dB。但由于线极化天线对发射源方向的依赖性，使得该天线仅用于有限相位的接收。

但环境中射频信号频率不一且发射源较多，接收天线很难达到与发射源极化相同，因此，会造成能量收集的损失。为了解决上述问题，提出了双线性极化整流天线[26，27]。文献[28]采用两个相互正交的线极化天线，各自连接整流电路和负载，可实现在正交的两个极化上独立进行信号收集和整流，与线极化天线相比提高了天线的接收效率，从而提高了整个系统的效率。文献[29]采用双馈电技术独立接收两个正交方向的射频能量，实现了48%的转换效率。相比双线性极化天线，圆极化天线对极化方向不敏感，使其在射频能量收集中更具优势。文献[30]提出了一种新的圆极化高效率整流天线，利用具有圆极化性质的双菱形结构作为单元天线，多个单元天线间采用级联的方式组成一个3×3天线阵列，可实现在5.61 GHz时最大转换效率为78 %。

为进一步提高能量收集的输出电压，在周围射频能量密度低的情况下，提高天线接收射频能量的面积，实现提高总体的能量收集。文献[31]采用2×2电压组合天线阵列，并在贴片天线上设计花型槽滤波器抑制谐波，实现在3.6～4.8 GHz带宽内70 %的最大转换效率。阵列天线在提高系统输出电压的同时也增大了天线的尺寸，随着低功耗电子技术和微机电系统的不断发展，双频天线、多频天线以及宽频天线越来越受欢迎。文献[32]采用交叉偶极子天线、低通滤波器和倍压整流电路，实现了1.7～3 GHz的宽频能量收集，最大转换效率为75 %。

2.3 整流电路

整流电路的拓扑结构主要研究倍压整流电路，为了提高系统的输出电压可以使用多倍整流电路。文献[9]采用单边定向缝隙天线和4倍压整流电路，最终实现了23倍升压效果。但整流效率的阶数对电压增益和整流效果有一定的影响，文献[13,33]对此作了分析。

整流电路中的关键部分是整流二极管，主要影响整流效率。目前，肖特基二极管因其技术成熟被广泛使用，文献[34]详细阐述了肖特基二极管的历史和发展现状，并指出在未来十几年依然会扮演重要角色。同时还介绍了自选二极管、隧道二极管和金属—绝缘体—金属二极管，并指出在不久的将来可能会有新的突破。

在整流电路方面，目前一般能处理的低输入功率在-20 dBm左右。更高灵敏度的整流电路的设计，如文献[35]采用互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)整流电路最终可实现-32 dBm的低输入功率处理能力。文献[16]对周围环境中的WiFi信号进行能量收集，最终实现了在-40 dBm的输入功率下工作。文献[36]显示整流电路的工作频率较窄，造成此现象的原因是整流电路的阻抗会随频率的变化而不同，使其不能与天线达到最佳匹配。

随着双频和宽频整流天线的出现，为了实现更宽的工作带宽，文献[32]利用低通滤波器作为匹配网络，实现了1.7～3 GHz的频率范围。文献[37]采用可调节电感的级联整流电路，实现了同时在940 MHz，1.95 GHz和2.44 GHz 3个频率段工作。文献[38，39]利用源牵引法设计了匹配网络，其中文献[38]实现了在2.1 GHz和2.45 GHz下双频工作，而文献[39]实现了在0.78～1.43 GHz频率范围内工作。

2.4 实际应用

射频能量收集主要在无线传感器网络的应用较多，除此之外还有医疗健康、智能家居、可穿戴产品[16]以及物联网等。文献[40]利用从周围环境中收集数字电视信号作为能量，为16位嵌入式传感器微控制台供电。文献[41]针对无线体域网(wireless body area network,WBAN)的应用需求，利用能量收集技术，对环境中GSM900/1800射频信号进行能量收集，当射频源的信号强度不低于-10 dBm时，可供WBAN节点持续工作。文献[41]为满足物联网对能源利用率和服务质量的高要求，引入了RF-AASP算法用于动态调整传感器节点睡眠周期，以便收集周围LTE基站射频能量为节点供电，提高了能源利用率和服务质量。

3 展 望

尽管射频能量收集技术尚不成熟，但随着无线应用的急剧增长，使得射频能量收集在未来发展中有很大的潜力和应用前景。主要体现在一下几点：

1)研究宽频高增益接收天线，提高整流电路转换效率；

2)研究接收天线和整流电路简单宽频匹配网络，提高整个系统的工作带宽；

3)研究微型化能量收集系统，推动收集系统在低功耗器件上的应用。

4 结束语

简要综述了射频能量收集技术的研究现状，包括能量收集频率、天线设计、整流电路和应用：目前，在频率研究方面覆盖范围较广，但研究热点主要在500，900 MHz，1.8，2.45，5.8 GHz；在天线设计方面，目前的研究倾主要向于宽频化和微型化；因系统接收天线宽频化，为实现最佳转换效率，目前，整流电路的研究重点为使工作频率宽频化；介绍了射频能量收集技术在无线传感器网络、智能家居以及物联网等方面的研究进展;展望了射频能量收集技术未来应用前景。