环境射频能量收集技术综述

李建坡,丁昱竹,赵佳琪,于廷文

(1.东北电力大学计算机学院,吉林 吉林 132012;2.东北电力大学电气工程学院,吉林 吉林 132012;3.中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司,吉林 长春 130021;4.广东省数字电网技术企业重点实验室(南方电网数字电网研究院有限公司),广东 广州 510000)

0 引 言

近年来,在医疗保健、环境监测、工业自动化、无线传感器网络、智能运输系统等许多领域,低功耗独立设备与装置的应用越来越普及。许多设备受使用环境和安装条件的影响,其供电电源很难更换,这直接影响了设备的使用范围和使用寿命。因此,通过无线方式实现收集能量,进而为设备供电成为了科研人员日益关注的研究热点之一。

能量收集系统是将已经存在于环境中的能源(例如射频能量、光能、机械能和热能等)[1]转换为电能,该系统可以作为辅助电源为设备电池进行充电,也可以作为设备的备用电源[2]。而环境中常见的能源类型及功率密度在文献[3]中进行了总结,反映了各种能源的可采集水平。虽然环境中可收集射频信号的功率密度相对较低,但是随着无线通信和广播设施的逐渐增加,环境中可收集射频信号的功率会逐渐提高;与此同时,随着低功耗设备的迅速发展,设备对驱动能量的需求也在逐渐降低。这些发展趋势都使得射频能量收集技术具有越来越广阔的应用前景[4]。因此本文针对射频能量收集(Radio Frequency Energy Harvesting,RFEH)技术进行综述分析。

从20世纪50年代至今,科研人员围绕射频能量收集技术不断开展研究工作,并取得了一定的科研成果。Brown于1966年创新性地提出了整流天线的理念,并成功地将射频微波信号转换为直流电信号,这为射频能量收集技术的发展奠定了研究基础[5]。本世纪以来,随着数字通信的发展,小型独立设备逐渐普及,许多学者尝试将射频能量收集技术应用于此类设备。Hiroshi Nishimoto在距东京电视塔4 km处收集到电视信号并成功地为无线传感器网络节点供电[6]。美国俄亥俄州立大学的Olgun Ugur等人则成功搭建了一个9 cm×9 cm×1 cm的新型射频能量收集模型,该模型仅使用办公环境中的WiFi信号就可以提供足够的能量以驱动带有LCD显示器的温湿度计[7]。这些成功的实验装置证明了射频能量可以被收集并用于低功耗独立设备。

本文在已有研究工作的基础上,从射频能量收集系统的基本结构出发,结合系统的评价参数,介绍了可能的射频源,并对天线、匹配电路、整流电路的工作原理及优化方法进行了重点概述,最后,讨论了该技术可应用领域及发展趋势。

1 RFEH系统的基本结构及性能评价

1.1 RFEH系统基本结构

RFEH系统主要分为基于集总参数元件的收集系统、基于分布式元件的收集系统和基于控制回路的收集系统三类。

1)基于集总参数元件的收集系统[8]

该系统由接收天线、阻抗匹配电路、升压整流电路、储能元件以及负载构成,系统结构如图1所示。接收天线用来接收空间中的射频信号,并将其转换为交流电能;阻抗匹配电路将收集到的能量以最大的功率传输给后续电路;升压整流电路则将射频交流(Alternate Current,AC)电能转换为直流(Direct Current,DC)电能,同时将电压进行提升以驱动后续负载电路;储能元件一般为充电电池或者超级电容,可以在负载不需要能量时将收集到的能量储存起来;负载需要根据应用场景进行选择,如在无线传感器网络中,传感器节点通常需要长时间运行且无法方便地更换电池。基于集总参数元件的射频能量收集系统可以利用周围的射频信号作为能源,为传感器节点提供持久的供电,从而实现长时间的无线传感器网络监测和控制。

图1 基于集总参数元件的收集系统结构Fig.1 System structure with lumped parameter elements

2)基于分布式元件的收集系统

该系统由整流天线、DC-DC升压电路、储能元件以及负载构成,系统结构如图2所示。其中接收天线、匹配电路由微带线构成,与整流电路共同印刷在基板上,称为整流天线[9],具体结构如图3所示。为满足系统小型化的要求,整流电路不宜过于复杂,导致整流电路升压效果较差,因此需要添加DC-DC升压电路以保证系统的升压效果[10]。在实际射频能量收集过程中,收集到的射频信号强度和频率可能会变化,导致输出电压波动。利用DC-DC升压电路可以在稳定输出所需的电压。

图2 基于分布式元件的收集系统结构Fig.2 System structure with distributed components

图3 整流天线组成结构图Fig.3 The structure ofrectenna

3)基于控制回路的能量收集系统

该系统由接收天线、整流电路、控制回路、DC-DC升压电路、电压调节器以及负载构成[11]。该系统与前两种相比增加了控制回路[12]。控制回路可通过补偿整流电路的阻抗变化,实现功率的最大化传输,根据部署方式可将其分为两类,一类是作用在整流电路上的控制回路[13],如图4所示,该回路通过对整流电路输入阻抗的监测和反馈,来调节电路参数,补偿阻抗变化,最终实现传输功率最大化;另一类则是作用在DC-DC升压电路上的控制回路[14],可以称之为自适应控制电路(Adaptive Control Circuit,ACC),如图5所示,这种电路通过改变ACC的控制开关,定时调节整流电路的有效阻抗,以达到补偿阻抗变化的目的,这类系统的灵活性较高,适合于复杂的应用,基于控制回路的射频能量收集系统可以根据设备的能量需求和供电情况,动态地管理功率分配。系统可以根据设备的能量消耗情况和射频能量收集情况,调整能量分配策略,以保证设备的正常运行并最大限度地利用射频能量,但附加电路较多不适于低功率输入。三种结构的性能对比如表1所示。

表1 射频能量收集系统结构比较Tab.1 Comparison of RFEH structure

图4 基于控制回路的收集系统结构1Fig.4 System structure with control loop 1

图5 基于控制回路的能量收集系统2Fig.5 System structure with control loop 2

1.2 RFEH系统性能评价

1)输出电压

RFEH系统所应用的设备通常为一些低功率独立装置,然而这些设备的启动电压(或额定电压)相对于天线收集到的信号电压来说具有较高的量级。例如在无线传感器网络中,节点的启动电压为2～3 V,而由于射频信号具有低功率的特性,天线端的输出电压通常只能维持在几μV到几mV的范围内,因此如何提高系统的输出电压是影响其实用性的关键问题之一。

系统的输出电压主要受整流电路的影响,在无负载的情况下,N级倍压整流电路最终的输出电压Vout由整流电路的级数和构成整流元件(二极管或半导体场效应(Metal Oxide Semiconductor,MOS)晶体管)的阈值电压决定,可表示为

Vout=Vth(n)=2n(Vn-Vth)

(1)

公式中:Vn为整流电路的输入电压(即天线端的输出电压);Vth为二极管(或MOS管)的阈值电压;n∈[1,N],N为倍压整流电路级数。

2)收集效率及输出功率

RFEH系统的目的是获取能量,因此系统的收集效率和输出功率是评价系统性能的主要参数。

系统的收集效率η取决于天线和负载之间匹配电路的匹配度,以及整流电路的整流效率,可用直流输出功率与天线输入功率的比值来表示:

η=ηCηR=PDC/Pin

(2)

公式中:ηC为匹配电路传输效率;ηR为整流效率,PDC为系统输出到储存元件的直流功率;Pin为天线收集到的信号功率。

通过测量已知负载RL上的直流电压Vdc,可以较容易的获得固定负载下的系统输出功率[15]。

PDC=Vdc2/RL

(3)

3)灵敏度

RFEH系统的灵敏度是指电路运行所需的最小输入功率,通常取决于整流电路的启动电压。而环境中可收集的射频功率密度相对较低,在一些远离城市的郊区,射频能量的功率密度还达不到-40dBm[16]。为了使射频能量收集技术的应用领域更加广泛,研究人员经常将灵敏度作为评估指标[17]。

2 RFEH系统电路原理及优化设计

RFEH系统可以通过全波模拟和非线性谐波平衡分析的方法进行仿真设计,同时还有需满足低成本和小尺寸的要求。本文主要针对基于集成参数的数据收集系统进行阐述,并介绍RFEH系统各部分的工作原理和发展现状。

2.1 RF能量源

系统收集的射频能量可源自两类射频信号:一类是环境中用于通信的射频信号,另一类是具有特定频段的射频信号[18]。前者来自环境中的射频发射器,例如微波中继站、电视发射塔和Wi-Fi路由器等[19];后者则来自专门为射频能量收集系统供电的特定RF发射器,其工作频段通常设定为无线电谱的许可频段。

2.1.1 通信射频信号

通信射频信号指周围环境中用于通信的射频信号,这些信号附带一定的能量,工作在不同的通信频段,例如:移动手机使用的蜂窝通讯信号、无线局域网(Wireless Local Area Networks,WLAN)的WiFi信号,其能量密度分布如表2所示[20]。用于收集该类信号的系统天线需具有宽频带或多频带的功能,以确保在多个频段下都可以收集能量[21,22]。这类信号可以根据时间、距离和位置等因素来估计其发射功率,但是该类信号以传递信息为主,会存在长期或短期的波动,且功率密度很小,对系统的灵敏度和传输效率有较高的要求。

表2 通信射频信号能量分布Tab.2 Communication RF signal power density

2.1.2 特定射频信号

特定射频信号来自稳定且可预测功率的专用射频信号源[23],用于收集该类信号的系统可以在免许可的ISM频带范围内运行,但是由于ISM规则的限制,专用射频信号源无法发射大功率的射频信号。例如在915 MHz ISM频段中,最大允许发射功率为4 W[24],而随着距离的增加能量衰落十分明显,4 W的射频信号在经过20 m的传输路径后,会衰落至10 μW。由于存在这些限制,为了满足用户需求,通常需要设置多个专用射频源,这导致成本较高。然而,使用RFEH系统进行信号收集时,只需要针对单个频段进行能量收集即可[25],这样拥有较高的收集效率。

2.2 电路元件选择

大多数RFEH系统使用具有半导体特性的整流元件构成整流电路,例如二极管或MOS管[26]。由表3可知,本文列举了射频整流的应用实例及其性能对比,可看出,二极管适用于高功率下的整流,而MOS管适用于较小功率下的整流,且具有较低的寄生电容值,对电路性能的影响较小。

2.3 接收天线

2.3.1 工作原理

接收天线是RFEH系统的第一级输入端,负责采集环境中的射频信号,天线的接收射频功率PL可表示为[44]

PL=Pr(λ/4πd·A·G)2

(4)

Gmax=120π2Le2/λ2RA

(5)

公式中:Pr为射频源的发射功率;λ为波长λ=c/fr;c为光的传播速度;fr为天线的中心频率;d为系统与射频源之间的距离;A为空间路径衰减因子,在全开放环境下取值为2～2.5;G为天线的方向增益,其最大值可由公式(5)表示;Le为天线的有效长度;RA为天线的电阻。天线的接收功率、工作频率、方向增益均与天线的有效长度密切相关,因此可通过改变有效长度来优化天线性能。

在RFEH系统中,经常使用贴片天线作为系统的接收天线。贴片天线具有重量轻、简单且制作廉价的特点,且便于集成,其结构如图6所示,由微带馈电线、导体贴片、介电基质和金属接地板叠加组成。根据导体贴片的不同形状,可将贴片天线分为微带天线、偶极天线以及平面天线三类,文献[45]中对已存在的天线结构进行了详细的比较,性能对比如表4所示。

表4 常见天线性能比较Tab.4 Comparison of antenna structure

图6 微带贴片天线的基本结构Fig.6 Structure ofmicrostrip patch antenna

2.3.2 优化设计

由于RFEH系统不仅需要充分收集环境中的射频信号,还需要保持较小的体积,因此针对接收天线的优化设计主要集中在多频化、宽频化及小型化三方面。

1)多频化技术

在RFEH系统中,收集多频段信号的方法由两种:一是通过多个单频段系统单元分别收集,再统一传输给负载设备,此方法违背了系统小型化的理念;另一种是则通过一个多频段天线同时收集信号,并将能量全部传给系统电路,该方法降低了系统的复杂度,减小了系统的尺寸,便于应用,但为系统电路的设计增加了难度。

贴片天线多频化技术包括:开槽/开缝技术、加载技术和寄生贴片技术。开槽/开缝技术通过对辐射贴片蚀刻一些槽或缝隙,改变电流的流向,进而增加天线的接收频段[50];加载技术通过在基板上额外加载不同形状的贴片,改变电流分布,进而增加天线频段[51];寄生贴片技术通过在接地板侧增加寄生贴片,实现天线有效长度的改变,进而增加和改变工作频率[52,53]。文献[54]对近年来三频段及两频段的天线工作频段及尺寸进行了综合比较,如表5所示。

表5 常见三频段及两频段的天线工作频段及尺寸比较Tab.5 Comparison of three-band and two-band antenna

2)宽频化技术

收集宽频段信号的方式与多频段类似,同样,需要一个宽频带天线作为RFEH系统的输入端[64]。实现天线宽频化的方法:采用偶极天线、开槽/开缝技术、选择合适的馈电结构和采用天线阵列。对于偶极子天线,通过偶极子臂加粗,可以得到更宽的带宽[65];在贴片上开槽/缝,不仅可以增加天线的接收频段,还可以展宽天线的频带,文献[66]通过开槽技术优化了方形贴片和接地板的形状,实现了天线的宽频化;合适的馈电结构不仅能改善天线的匹配性能,还能展宽天线的工作带宽[67];采用天线阵列作为接收天线,虽然能增加阻抗带宽和增益,但其尺寸较大,不符合RFEH系统小型化的要求。

3)小型化技术

为使贴片天线具有较小的物理尺寸,通常采用的方法:曲流技术、加载技术和使用高介电常数的介质基板。曲流技术通过在辐射贴片或金属接地板上刻蚀弯曲的窄缝,增大天线表面电流的有效长度,进而降低天线尺寸[68];加载技术在改变天线的输入频率的同时,还可以缩小天线的尺寸,如文献[69]中,利用加载技术将天线的电流分布在两层以通孔相连的介质基板上,在不改变电流有效长度的基础上,有效地减小了天线的体积;使用高介电常数的介质基板构成,可以在一定程度上减小天线尺寸,但会增加制作难度及成本。

2.4 阻抗匹配电路

2.4.1 工作原理

阻抗匹配电路基于最大功率传输定理,即功率最大化的条件是源阻抗和负载阻抗共轭匹配。在RFEH系统中,阻抗匹配电路连接天线和整流电路,用以匹配天线阻抗和整流电路的输入阻抗,以确保传输功率最大[70,71]。带有阻抗匹配电路的系统模型,如图7所示,图中RA为天线的阻抗,RF为天线收集到的射频能量,ZN=RN+jXN为整流电路的输入阻抗。

图7 带有π形结构阻抗匹配电路的系统模型Fig.7 Systemmodel withπ-shaped impedance matching

阻抗匹配电路常用结构有三种:L形、T形和π形,分别如图8、图9和图7所示,其中电感(L)和电容(C)的位置可以互换。三种结构的性能对比如表6所示,L形电路设计简单,只由两个元件组成,元件值和元件组合选取的灵活性低,且工作频段窄,但是该电路具有较高的品质因数,匹配性能好,适用于收集特定频带信号的系统;T形和π形匹配电路由三个元件组成,元件值和元件组合可灵活选择,适当的元件组合可以有效地增加电路的匹配带宽,适用于收集环境中射频信号的系统。系统中匹配元件参数可通过Advanced Design System(ADS)软件仿真获得。

表6 三种匹配电路性能对比Tab.6 Comparison of three main topologies

图8 带有L形阻抗匹配电路的系统模型Fig.8 System model with L-shaped impedance matching

图9 带有T形阻抗匹配电路的系统模型Fig.9 Systemmodel with T-shaped impedance matching

2.4.2 优化设计

在设计阻抗匹配电路的过程中,需要确定整流电路的输入阻抗,而整流电路由非线性元件(二极管或MOS管)构成,表现出非线性,无法准确预知其输入阻抗[72]。这导致阻抗匹配的效果较差,直接影响系统的收集效率,因此,在设计RFEH系统的过程中,如何优化阻抗匹配电路是一个亟需解决的重要问题。

在RFEH系统中,可通过改进匹配电路结构和优化整流电路输入阻抗来实现最优匹配。从匹配电路结构入手,可在原有结构的基础上,增加带有控制单元的分立电容器,以根据输入阻抗的变化实时调节匹配参数,使得匹配网络在输入功率变化时也可以达到完全匹配[72],但该方法加入了额外的控制单元,增加了电路损耗;文献[73]则通过差分整流器交换输入和输出端子,将其配置为互补LC振荡器,作为匹配电路,该方法没有增加额外的控制回路,利用电感和电容的互补关系来确定匹配电路元件参数,但这种计算方法只适用于特定频率且已知负载阻抗的情况,灵活性低。从整流电路入手,文献[74]提出了一个小信号整流电路阻抗计算模型,计算出不同工况下的输入阻抗,通过电路计算的方式确定了匹配电路参数。

2.5 整流电路

2.5.1 工作原理

整流电路的主要作用是将天线收集到的射频交流信号转换为直流信号,同时得到更高的输出电压。常用的电路结构如图10所示,采用的是Dickson倍压结构,由二极管和电容组成,可同时起到整流和升压的作用,故也称为倍压整流电路[75]。

图10 N级Dickson倍压整流电路Fig.10 N-stage Dickson voltage doubled rectifier

倍压整流电路由钳位电路和整流电路相互交叉组合而成,不仅达到了升压的目的,还起到了整流的作用。钳位电路使输入的交流电压产生正向直流偏移,多级此类结构串接起来,可使输出电压远高于输入电压,达到升压的目的;半波整流电路则利用半导体元件的单向导通特性,对输入的正弦电压进行整流处理。

2.5.2 优化设计

由1.2的介绍可知,整流电路的整流效率ηR直接影响系统的效率η,整流电路的输出电压直接决定系统的输出电压。因此,在整流电路设计过程中,如何既保证输出电压又提高整流效率是一个主要研究的问题。

半导体元件(二极管或MOS管)是构成整流电路的主要部件,整流电路的性能主要取决于半导体元件的最大正向导通电压、饱和电流、结电容和导通电阻,由低导通电压元件构成的整流电路可以得到更高的整流效率[75]。还可以通过对元件的正确建模和精确仿真来提高整流效率,如文献[35],在建立二极管模型时考虑了谐波的存在,并据此提出了一个高效整流电路,该电路在2.45 GHz频率下,整流效率可达到70.4%;文献[76]通过构建一种低功率整流电路数学模型设计了一个高效整流电路,模型包括用以描述整流电容动态过程的准静态模型,可准确预估了整流电路的工作过程。

由式(1)可知降低元件阈值电压Vth可提高输出电压Vout,同时还可以提高系统的灵敏度,使其可在低功率下运行[77]。文献[39]提出了一种自适应整流系统,可动态地控制主整流器中MOS管的阈值电压,降低了正向偏置MOS管的阈值电压,增加了收集的功率和输出电压,同时增加反向偏置MOS管的阈值电压,减小了漏电流,防止存储的能量损失,提高系统效率;文献[40]提出了一种提高整流电路效率的方法,该方法增加了辅助晶体管,为整流器的初级MOS管提供前向偏置,降低了元件阈值电压,使得可以在低功率的条件下得到较高的输出电压和效率。

3 RFEH系统的主要应用

RFEH系统可应用在无线传感器网络、医疗保健行业的无线网络和射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)标签,此外,也可为各种低功耗移动设备(如电子手表、MP3播放器、无线键盘和鼠标等)提供充电功能。

3.1 无线网络

无线传感器网络是迄今为止RFEH系统应用最广泛的领域,一个应用射频能量收集技术的无线网络,称为射频能量收集网络[16]。 RFEH系统还可其他与不同类型的无线网络相结合,包括蜂窝网络、认知无线电网络和异构网络[78,79]。同时,在无线网络与RFEH系统结合的过程中,还需要根据系统特点对网络的管理和协议进行优化改进[78],例如射频能量认知无线电网络中的频谱管理和路由协议的重新设计等。在文献[80]、[81]、[82]中介绍了无线网络与RFEH系统结合的多种应用实例。

3.2 医疗保健

在医疗保健行业中,已存在通过磁感应供电的植入设备,有关学者利用松散耦合的线圈在更远的范围内有效地为心脏植入物供电。一些植入设备也可以通过远场射频信号供电以延长设备使用寿命,例如利用射频能量收集技术,实现人体内部温度无创无线监测[83]。

3.3 无源射频识别

低功率电路和能量收集技术的最新发展可以延长传统RFID标签的寿命和操作范围[84]。RFID标签正利用射频能量收集技术,从被动地激活电路,向主动通信进行发展,即从简单的无源标签演变成智能标签。

4 待研究的问题与发展趋势

尽管近年来国际上对射频能量收集技术持续开展了相关的研究工作,但与其他能量收集方式相比(如太阳能、振动能、热力梯度、压力差等),目前的研究还不够充分,射频能量收集技术还没有应用到成熟的商业产品中,相关技术并不完善,存在的问题集中体现在以下几个方面:

1)能量转换效率低:射频能量转换的效率通常比较低,尤其是在低功率射频信号的情况下。这意味着只有小部分收集到的射频能量能够转换为可用的电能。提高能量转换效率是一个重要的挑战。

2)射频信号稀缺:射频信号在环境中的分布是不均匀的,有时甚至很弱或者稀缺(如布置在野外条件下的无线传感器网络)。这使得射频能量的收集变得更加困难。

3)干扰和噪声:射频能量收集过程中,可能会受到来自其他射频设备、电源线或其他无线信号的干扰和噪声。这些干扰和噪声可能会影响能量收集效果。

虽然射频能量收集技术尚不成熟,但随着无线应用的快速发展,射频信号不受时间和空间限制的特点,使得射频能量收集有着很大的发展潜能和应用前景。目前,国际上众多科研机构对射频能量收集技术进行了相关的研究工作,并且在许多应用领域都取得了引人关注的成果。未来射频能量收集技术主要从以下几个方面进行研究:

1)研究小型化和集成化的天线:天线是制约能量收集的重要因素,小型的天线可以大大的减小系统整体的尺寸,可推动RFEH系统在小型低功耗设备上的应用。未来射频能量收集技术在可穿戴设备和可嵌入式系统中有很大的应用潜力,研究热点之一是开发适用于这些应用场景的射频能量收集技术。

2)多频段能量收集:射频信号在不同频段有不同的分布和强度,未来的研究热点之一是开发能够在多个频段收集能量的技术。可以通过设计多频段收集器,实现对不同频段信号的收集和转换,提高能量收集的效率。

3)抗噪处理:射频能量收集过程中,受到干扰和噪声的影响是一个挑战。未来的研究热点之一是开发抗干扰和噪声的技术,如信号处理算法、滤波器设计等,以减小干扰和噪声对能量收集效果的影响。

5 总 结

本文通过分析射频能量收集系统的基本结构,详细介绍了天线、阻抗匹配电路和整流电路的工作原理和优化设计方法,最后分析了RFEH系统的应用水平,并对目前存在的问题及发展趋势进行了探讨和总结。射频能量收集技术是一个具有发展前景的研究领域,随着国内外专家学者的深入研究,其应用范围一定会越来越宽广。