環(huán)境WiFi能量采集系統(tǒng)的匹配網(wǎng)絡(luò)與整流電路設(shè)計

徐力翔 張曉紅 游彬 羅國清

摘要

設(shè)計了一款針對WiFi信號的環(huán)境能量采集系統(tǒng)，工作頻率范圍從2.4 GHz到2.485 GHz。該系統(tǒng)采用了4倍壓整流電路，并設(shè)計了從天線到整流電路的寬帶匹配電路，提升了能量采集的效率。設(shè)計的寬帶匹配電路在WiFi工作頻率范圍內(nèi)，S11均小于-10 dB。整流電路可將采集信號增加4倍，能有效提高RFDC轉(zhuǎn)換效率。測試結(jié)果表明，所設(shè)計的電路達到了設(shè)計要求，在-10 dBm的輸入功率下，達到了40%的RFDC轉(zhuǎn)換效率，并使超級電容在30 min內(nèi)采集到了257 mV的電壓。關(guān)鍵詞環(huán)境能量采集；整流電路；阻抗匹配；射頻直流轉(zhuǎn)換效率

中圖分類號P466

文獻標志碼A

收稿日期20161124

資助項目浙江省教育廳科研計劃（Y201121456）

作者簡介

徐力翔，男，碩士生，研究方向為無線能量采集。479959241@qq.com

張曉紅（通信作者），女，碩士，講師，研究方向為無線能量采集.xhzhang@hdu.edu.cn

1杭州電子科技大學電子信息學院，杭州，310018

0 引言

近年來，智能家居、智能醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域中低功耗的電子器件需求大量增加，這些器件的能耗問題引起了廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)上使用可更換的電池來作為電子器件的能量來源，但在某些難以觸及或危險的領(lǐng)域，更換電池變得不切實際，所以近年來發(fā)展火熱的新能源例如太陽能、風能等成了這些低功耗電子器件的不二選擇。但這些新能源也存在一定的缺陷，例如在夜晚或者沒有太陽的日子里，太陽能裝置就無法工作。與傳統(tǒng)的新能源相比，無處不在的環(huán)境射頻能量具有其獨特的優(yōu)勢。1）來源廣泛：環(huán)境射頻能量可以從周圍無處不在的無線發(fā)射器獲得，包括移動電話、手持無線電設(shè)備、移動基站、電視/無線廣播臺、無線路由器等；2）能量穩(wěn)定：例如電視廣播信號，能量采集系統(tǒng)可以進行一整天的采集而不必擔心信號中斷消失[1]。所以，利用這些“免費”并且取之不竭的環(huán)境射頻能量，是一項具有廣闊發(fā)展前景的課題，大量射頻能量采集的構(gòu)想被提了出來。文獻[2]提出了一個雙頻段的射頻能量采集系統(tǒng)：在10 dBm的輸入功率下，工作在2.1 GHz能得到1.9 V的輸出電壓和24%的最大效率；工作在2.45 GHz能得到1.7 V的輸出電壓和19%的最大效率。文獻[3]提出的射頻能量采集系統(tǒng)在20 dBm的輸入功率下，能達到最高68%的效率。但以上這些設(shè)計要求的輸入信號功率較高，不適合WiFi信號的采集。

WiFi是目前最常用的無線系統(tǒng)，且經(jīng)過近年來無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，WiFi網(wǎng)絡(luò)已無處不在[4].近幾年，對周圍WiFi信號采集的研究已成為周圍能量采集的熱點之一[57]。本文設(shè)計了一款基于周圍WiFi信號的能量采集系統(tǒng)，可有效采集周圍WiFi能量。

1 基本原理

周圍無線能量采集系統(tǒng)主要由天線、匹配網(wǎng)絡(luò)和整流電路等組成，其框圖如圖1所示。其中天線的主要功能是接收周圍環(huán)境中的射頻能量；整流電路的作用是將射頻能量轉(zhuǎn)換為直流能量輸出；匹配網(wǎng)絡(luò)用來將整流電路的輸入阻抗匹配到天線的輸出阻抗，以達到最大功率傳輸?shù)哪康摹?/p>

說，射頻輸入能量很小，必須選擇零偏置二極管以保證最大的轉(zhuǎn)換效率。本文選擇了SMS7630這款肖特基二極管來作為整流器件，它具有極短的反向恢復(fù)時間，可以高速切換開關(guān)狀態(tài)，且為零偏置的二極管。

能量采集系統(tǒng)RFDC轉(zhuǎn)換效率如式（1）和（2）所示：

1.2 匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

WiFi信號總共有14個信道，通常采用IEEE 802.11 b/g/n標準，頻率范圍為2.4～2.485 GHz，共83.5 MHz.由于整流電路由二極管構(gòu)成，在整個WiFi頻帶內(nèi)，整流電路阻抗會隨頻率的不同而略有不同，如圖3所示。對于射頻系統(tǒng)來說，天線阻抗為50 Ω，需要在整個83.5 MHz的WiFi頻帶內(nèi)將50 Ω阻抗與整流電路阻抗進行匹配。

為了實現(xiàn)寬帶匹配，采用如圖4所示的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)進行匹配，采用ADS軟件進行了匹配電路的仿真設(shè)計.表1所示為本文設(shè)計的匹配電路尺寸，圖5所示為匹配電路仿真結(jié)果。由圖5可見：2.443 GHz時達到了最佳匹配，S11為-29.248 dB；在整個WiFi工作頻段，匹配電路S11均小于-10 dB，保證了至少有90%的射頻能量能夠順利傳輸?shù)秸麟娐分?。在該結(jié)構(gòu)中，電容的取值并不會影響電路的匹配，只會影響到充放電的快慢，而各微帶線的尺寸及位置和電感值，則對匹配有較大影響。

2 測試結(jié)果及分析

根據(jù)仿真結(jié)果，本文采用介電常數(shù)為6.15，板厚為25 mil的RO3206高頻板設(shè)計實現(xiàn)了周圍WiFi能量采集電路，如圖6a所示。匹配電路測試結(jié)果如圖6b所示，在整個WiFi頻段內(nèi)，S11均小于-10 dB，最佳匹配點是2.467 5 GHz，S11為-24.579 dB。與仿真結(jié)果基本一致，達到了設(shè)計要求。

由于射頻能量采集系統(tǒng)大多數(shù)被應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上，而傳感器具有一個工作時間占空比[6]，這就要求當傳感器進入睡眠狀態(tài)時，射頻能量采集系統(tǒng)能將能量儲存起來，等到傳感器工作時，再為傳感器供電。本系統(tǒng)采用的儲能器件是超級電容。與普通電池相比，無論是充放電速度，還是可充放電的次數(shù)，超級電容都要更勝一籌。此外，也可以使用一些專用的充電泵IC和升壓IC來進行能量管理，但成本更高，電路也更為復(fù)雜。

將圖2中的DC+和DC-分別接到超級電容的兩端，然后使用Agilent E8267D矢量信號發(fā)生器作為射頻源，輸入頻率為2.465 GHz，不同功率的連續(xù)波，為容值0.5 F的超級電容充電30 min，如圖7所示，測試結(jié)果如表2所示。

此外，本系統(tǒng)也測試了把無線路由器作為射頻源的性能。要從無線路由器接收WiFi信號，首先需要一款合適的天線。天線的增益、帶寬、方向性等因素直接影響到天線輸入到匹配網(wǎng)絡(luò)中的能量。本文選擇了一款增益為10 dBi的全向天線。將天線連接到能量采集系統(tǒng)后放置到路由器旁，進行如圖8的測試，同樣為超級電容充電30 min，VC值如表3所示.

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款針對WiFi信號的周圍能量采集系統(tǒng)，包括倍壓整流電路及匹配電路，并進行了加工測試，制作了一塊3 cm×3 cm大小的能量采集模塊，分別用矢量信號發(fā)生器和路由器對系統(tǒng)性能進行了測試，30 min內(nèi)0.5 F的超級電容最多分別能采集到257 mV和31.6 mV，可有效地采集周圍WiFi信號并轉(zhuǎn)換為直流功率。

參考文獻

References

[1] Nishimoto H，Kawahara Y，Asami T.Prototype implementation of ambient RF energy harvesting wireless sensor networks[J].IEEE Sensors，2010，43（2）：12821287

[2] Khansalee E，Zhao Y，Leelarasmee E，et al.A dualband rectifier for RF energy harvesting systems[C]∥11th International Conference on Electrical Engineering/Electronics，Computer，Telecommunications and Information Technology，2014：14

[3] Zbitou J，Latrach M，Toutain S.Hybrid rectenna and monolithic integrated zerobias microwave rectifier[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2006，54（1）：147152

[4] Cheng Y C，Chawathe Y，Lamarca A，et al.Accuracy characterization for metropolitanscale WiFi localization[C]∥Proceedings of the 3rd International Conference on Mobile Systems，Applications，and Services，2005：233245

[5] Olgun U，Chen C C，Volakis J L.Design of an efficient ambient WiFi energy harvesting system[J].IET Microwaves，Antennas & Propagation，2012，6（11）：12001206

[6] Alneyadi F，Alkaabi M，Alketbi S，et al.2.4 GHz WLAN RF energy harvester for passive indoor sensor nodes[C]∥IEEE 11th International Conference on Semiconductor Electronics （ICSE），2014：471474

[7] Kadir E A，Hu A P，BiglariAbhari M，et al.Indoor WiFi energy harvester with multiple antenna for lowpower wireless applications[C]∥IEEE 23rd International Symposium on Industrial Electronics （ISIE），2014：526530

[8] 余義斌，余江，王貴，等.傳感器節(jié)點環(huán)境能量的收集方法[J].廣東海洋大學學報，2007，27（6）：9396

YU Yibin，YU Jiang，WANG Gui，et al.Methods of scavenging ambient energy for sensor node[J].Journal of Guangdong Ocean University，2007，27（6）：9396