无线射频能量收集与存储系统设计

梁冉

摘要：对空间中广泛覆盖的各类无线射频信号进行能量收集与存储利用，可为各类负载终端提供电力支持。因此，如何对无线射频能量进行有效收集及存储再利用成为一个研究热点问题。针对上述问题，文章设计实现了一套无线射频能量收集与存储系统，利用倍压检波电路将无线射频能量转换成可供负载使用的直流电，基于电源管理芯片BQ25504设计并实现了能量存储与管理电路。实验结果表明，本设计将倍压检波电路与能量管理电路相结合，可以为物联网低功耗设备进行持续稳定的供电，从而减少对传统电池的依赖，具有广泛的应用前景。

关键词：无线射频能量；倍压检波电路；能量收集；能量存储

中图分类号：TN92  文献标志码：A

0 引言

近年来，随着无线通信和物联网技术的蓬勃发展，大量的无线传感器设备得到了普及。由于多数领域都需要可持续使用的无线传感器终端，因此如何为终端设备提供可持续能量供给成为实际应用场景中的一个关键因素。当前，市面上大多数的终端设备都采用电池供电方式，而电池的使用与更换不但增加成本还可能造成环境污染。因此，近年来发展的能量收集技术得到了广泛的关注，该技术是一种能够为各类终端设备进行供电的新兴技术。该技术能够将周围环境中的分布式能量进行有效收集并转换成可供负载使用的电能。通常来讲，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］，而随着各类移动通信技术的普及，空间中的射频信号密度日益提升。因此，本文着重研究基于射频信号的能量收集技术。

射频能量收集技术是从散布在空间中的射频微波信号中收集能量的一种方法，其基本原理是将接收到的电磁能量转换成直流电，并将电能存储在锂电池中以供负载终端使用。目前，射频能量收集技术的主要工作方式有4种：磁共振式、电磁感应式、电场耦合式、无线电波式［4］。上述4种射频能量收集技术虽然工作方式不同，但其基本组成原理是相似的。射频能量收集系统通常由接收天线、阻抗匹配电路、整流电路、储能元件和负载等部分组成［5］。射频能量收集系统通过使用天线接收高频段的电磁波，再通过整流电路［6］转换成直流电供负载使用。例如，当前广泛使用的高频段无源射频识别标签，即采用了射频能量收集技术［7］。

由于传统的无线射频能量收集电路普遍存在尺寸大、电路结构复杂等问题，大大限制了射频能量收集技术应用范围［8］，因此本文设计了一种具有小型化、高集成化、低成本等特点的射频能量收集系统。该系统通过将倍压检波电路与能量管理电路相结合，实现了射频能量收集和存储，能够为物联网低功耗设备提供持续稳定的电能。

本文后續内容为射频能量收集电路的理论分析与设计、电源能量管理与储能电路的设计以及针对上述电路的测试评估。

1 射频能量收集电路设计

射频能量收集电路的作用是将收集到的电磁波信号转换为单向脉冲型直流电，其功能类似于检波整流电路。射频能量收集电路的有效利用有赖于较高的能量转换效率。因此，本文设计了一种基于倍压检波电路的射频能量收集电路，通过对该电路进行阻抗匹配，可实现较高的能量转换效率。

1.1 倍压检波电路

倍压检波电路的主要作用是将高频信号转换为直流信号。该电路利用检波二极管的单向导电性，能够从高频或者中频的无线电信号中提取出低频信号或者音频信号［9］。常规的检波电路，通常仅包含一个检波二极管，该检波二极管能够从输入的射频信号中提取出直流信号。对于倍压检波电路而言，其内部包含2个输入极性相反的检波二极管，通过对上述2个检波二极管的输出电压按极性相加，倍压检波电路的输出电压可以达到常规检波电路输出电压的两倍。倍压检波电路中的检波二极管建议选用肖特基微波二极管，其工作频率高，适用于多种情况的高频、射频信号的检测。另外，肖特基二极管在工作过程中的能量消耗小，因而适合于能量收集电路。

图1给出了本文设计的倍压检波电路。电容C1和肖特基二极管D1（封装内包含2个极性相反的肖特基二极管管芯）构成倍压检波电路，电容C2起到滤波的作用。该设计所采集的射频信号的频率与输出端的电容C2成反比，即若采集低频段的射频信号可增大输出端的电容C2，反之若采集高频段的射频信号可减小输出端的电容。

1.2 阻抗匹配设计

阻抗匹配设计是实现高效率射频能量收集电路的关键，其主要作用是抑制信号反射，提高信号传输功率，降低信号能量的损耗。

由于本文设计应用于高频电路，需要采用分布参数电路理论进行分析。当信号波长和电路尺寸可以比拟时，并且电路存在反射信号，则反射信号会叠加在原始信号上进而改变原始信号形态，降低了信号传输效率。因此，如果传输线的特征阻抗与负载阻抗不匹配时，负载一端会发生信号反射，降低信号传输效率。一般情况下，应尽量保证负载阻抗与传输线的特征阻抗相匹配。

在实际的高频检波电路中，高频信号通常使用微波传输线加载在高频检波二极管的正极，因而微波传输线与高频检波二极管之间需要进行阻抗匹配［10］。对于板级电路设计，目前常用的微波传输线为接地共面波导。在接地共面波导中，顶层接地导体和信号导体之间的小间距可以实现传输线的低阻抗。底层接地导体和信号导体之间的大间距会引起传输线阻抗的增大，并且当接地共面波导的顶层接地导体与信号导体的间距增大时，顶层接地导体对电路的影响会降低。接地共面波导在毫米波频段具有相对较低的辐射损耗且能实现良好的高阶模抑制，这使得接地共面波导成为适用于30 GHz及以上频段的候选传输线技术。本文采用了接地共面波导结构进行了传输线设计，经过阻抗计算，在采用1.6mm厚度FR4板材时，接地共面波导的线宽为1.5mm，线距为0.365mm。

1.3 PCB设计

在PCB设计过程中，倍压检波电路中的肖特基二极管采用的型号是HSMS2826，其封装为SOT-23，电容和电阻则采用了0805封装的贴片电容以及贴片电阻。另外，为了降低射频信号的辐射，保证电路的接地效果，接地共面波导的顶层接地导体与底层接地导体之间需要采用较多的过孔进行电气连接。

2 电源能量管理与储能电路

射频能量收集电路在距离射频信号辐射源较远时，会出现输出电压低、供能不稳定等情况，不能满足一些电路负载的实际需求，并且当环境中的射频信号辐射功率发生变化时，此时射频能量收集电路的输出电压也会因此产生一些波动，所以为保证负载的供电质量，维持供电的稳定性，需要研究和设计相应的储能电路对射频能量收集电路所获取的能量进行存储和升压。本文选取BQ25504芯片来进行电源的能量管理与存储电路的设计，BQ25504芯片能够对微弱的电流进行收集和存储，其内部集成了升压功能，适合各类低功耗应用［11］。

2.1 能量管理与存储模块设计

BQ25504是一款集成能量采集与电源升压的能量管理与存储集成电路，适合于智能集成能量采集毫微功耗管理。本设计利用该芯片可对无线射频信号能量生成的微瓦到毫瓦级功率进行采集和管理。BQ25504内部的升压电路能够有效地从低压输入源中持续收集并且存储能量，该特点非常适用于无线射频能量存储电路的设计。

本文设计的能量管理与存储电路如图2所示。该电路能够采集低至VIN（DC）=130mV的直流电能。另外，电路内部的升压部分能够有效地从低压输入源持续地收集和存储能量。

该电路中的VBAT引脚可以外接可充电锂电池，通过使用外接电阻可防止可充电电池过度放电，并且也能够防止过度消耗电容中的电荷能。其中，欠压保护的阈值电压VBAT_UV由计算式（1）得出，VBIAS是BQ25504芯片的内部参考电压，为1.25 V。

VBAT_UV=VBIAS1+R9R11（1）

根据数据手册，外接分压电阻R8、R9、R10、R11的阻值需满足R8+R10≤10MΩ，R9+R11≤10MΩ。为了防止能量收集电路过度对电容充电，可设置过压保护的阈值电压VBAT_OV，由公式（2）得出：

VBAT_OV=32VBIAS1+R8R10（2）

该芯片有过压保护和欠压保护的功能，当电池电压下降时可通过（3）设置阈值：

VBAT_OK_PROG=VBIAS1+R6R5（3）

当电压升高时，可通过公式（4）设置阈值：

VBAT_OK_HYST=VBIAS1+R6+R7R5（4）

根据数据手册，R5、R6、R7为外接分压电阻，并且R5、R6、R7的电阻值之和不能超过10MΩ。

2.2 储能元件的选择

由于射频能量收集电路的输出电流功率低、不稳定，所以储能电路还需要增加1个储能元件来稳定地对负载进行能量输出，通过对储能元件的性能进行分析，选择可充电锂电池作为储能单元，由于本设计是为物联网低功耗设备进行持续稳定的供电，选择了100mAh的可充电锂电池。

3 电路测试

3.1 倍压检波电路测试

实验环境是以2.4 GHz无线路由器作为射频信号的辐射端，倍压检波电路对无线路由器的辐射信号进行能量采集。表1给出了无线路由器与倍压检波电路之间不同距离时，倍压检波电路负载两端的实测输出电压。可知倍压检波电路的输出电压会随着该电路与射频信号辐射源之间距离的增加而急剧降低，当该电路与射频信号辐射源的间距较小时，其输出可以用于低功耗终端的供电。当该电路与射频信号辐射源的间距较大时，则需要射频能量存储与管理电路对采集到的射频辐射能量进行存储管理。

若采用LED作为电路负载对倍压检波电路进行测试，在贴近无线路由器天线时，倍压检波电路输出电压可达到3.3 V左右，可以点亮LED，由于无线路由器WiFi信号的波动，LED会进行闪耀。另外，在距离无线路由器20cm左右时，依然可以点亮LED。如果无线路由器还有倍压检波电路均采用定向天线，则可以实现更远距离的无线射频能量采集。

3.2 能量管理与存储电路测试

因为能量管理电路的冷启动输入电压范围为330～450mV，所以射频能量采集电路通过接收无线射频能量，使得电路电压达到330mV时即可启动能量管理电路，经过一定时间的能量存储，可以点亮电路上的LED灯。

由于能量管理电路能够对收集到的能量进行存储，所以在远离射频信号辐射源时依然可以存储能量，单一的倍压检波电路不具备该功能。经过测试，本文设计的无线射频能量收集与存储系统（倍压检波电路结合能量存储与管理电路）在距离无线路由器80cm处，经过10min左右的充电后，可以点亮电路上的负载LED灯，比只有倍压检波电路的电路板在供能距离上得到了更大的提升。

此外，该系统若外接一个储能锂电池，经过对锂电池的充电蓄能，可以持续稳定地对负载进行供电。经过BQ25504升压电路升压后，该系统可以将输出电压上升到5.1 V左右。此时，该系统可以对单片机开发板进行供电，经测试，也可以保证有外接屏幕的单片机开发板正常运行。

4 结语

针对传统无线射频能量收集电路体积大、结构复杂等问题，本文提出了一種由倍压检波电路和能量管理电路相结合的无线射频能量收集系统，可实现对远距离无线射频能量的收集存储再利用。实验结果证明，该系统在距离路由器80cm处经充能一段时间后，可为负载终端提供有效电能，实现了远距离供能需求。

参考文献

［1］KOCAKULAK M，BUTUN I.An overview of Wireless Sensor Networks towards internet of things：2017 IEEE 7th Annual Computing and Communication Workshop and Conference（CCWC）［C］.Las Vegas：IEEE，2017.

［2］NOBLE F K，ALAM F，POTGIETER J，et al.Energy Harvesting and Current State of the Technology with Application to Traffic Monitoring：International Conference on Mechatronics & Machine Vision in Practice［C］.Auckland：IEEE，2008.

［3］SOYATA T，COPELAND L，HEINZELMAN W.RF Energy Harvesting for Embedded Systems：A Survey of Tradeoffs and Methodology［J］.IEEE Circuits & Systems Magazine，2016（1）：22-57.

［4］王建輝.智能无线充电的技术及其应用［J］.数字技术与应用，2020（8）：54-57.

［5］VISSER H J，VULLERS R J M.RF Energy Harvesting and Transport for Wireless Sensor Network Applications：Principles and Requirements［J］.Proceedings of the IEEE，2013（6）：1410-1423.

［6］左琳.面向充电管理应用的射频能量收集天线与整流电路设计［D］.邯郸：河北工程大学，2020.

［7］薛涛.关于射频能量收集系统研究现状分析［J］.产业科技创新，2020（24）：25-26.

［8］刘建，张明华.适用于射频能量收集系统的新型宽带整流电路设计［J］.华南师范大学学报（自然科学版），2021（1）：1-5.

［9］曾子倩.基于分布阻抗的宽带电场测量天线的设计［D］.西安：西安电子科技大学，2020.

［10］杨涛，刘兴，李健，等.无线射频能量收集系统设计［J］.江西电力，2021（4）：16-20.

［11］吴纳磊，李英春，贾海旭.微能源管理策略在架空设备的应用［J］.农村电气化，2021（5）：42-46.

（编辑 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