射頻能量收集技術研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢

劉蘭蘭， 秦衛(wèi)平， 王冬冬

(南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210003)

0 引 言

能量收集(energy harvesting)是一種將周圍環(huán)境中分布式的能量進行收集并轉換成可供負載使用的電能的一種技術。環(huán)境中包含的分布式能量有太陽能、熱能、振動和射頻能量等多種形式[1～3]，目前，能量收集技術主要應用于無線傳感器網(wǎng)絡、植入式醫(yī)療監(jiān)測、軍事監(jiān)控設備、偏遠地區(qū)天氣站等方面。

周圍環(huán)境中分布的可供收集的射頻能量密度與太陽能、熱能和振動能量密度相比含量較低[4]，使得射頻能量收集的應用范圍較少。但隨著無線通信的發(fā)展，環(huán)境中分布的射頻能量會持續(xù)增加，使射頻能量收集在低功耗電子設備中具有廣闊的應用前景。射頻能量傳輸?shù)难芯渴加?964年， Brown W C首次成功驗證了微波功率傳輸(microwave power transmission,MPT)[5,6]的可行性，之后科學家在此基礎上得以繼續(xù)對射頻能量收集技術進行研究，甚至研制出利用MPT技術驅(qū)動直升飛機等。

本文在已有研究工作和相關綜述的基礎上，從射頻能量收集的系統(tǒng)結構和系統(tǒng)效率出發(fā)，在能量收集研究頻率、接收天線、整流電路以及應用幾方面綜述了其研究現(xiàn)狀；并對射頻能量收集技術進行總結和展望。

1 系統(tǒng)結構和系統(tǒng)效率

1.1 系統(tǒng)結構

射頻能量收集系統(tǒng)結構通常有2種:1)由接收天線、阻抗匹配、整流電路、儲能元件和負載等部分組成[7]。接收天線從周圍環(huán)境中接收射頻信號，經(jīng)整流電路將射頻信號轉換成直流并對其升壓，并存儲能量為負載供電。儲能元件一般用電容器[8]或超級電容器。負載根據(jù)具體的應用一般為傳感器節(jié)點、射頻識別(radio frequency identification,RFID)以及溫濕度測量儀等。2)由整流天線、升壓電路、儲能元件和負載等部分組成。其中整流天線由接收天線、低通或帶通濾波器、整流二極管即直流濾波器等組成。低通或帶通濾波器可以阻止后端產(chǎn)生的高次諧波向外輻射，亦可實現(xiàn)接收天線與整流電路阻抗匹配[9]。直流濾波器有效地將射頻能量短路并使直流分量通過[10]。整流天線輸出的電壓較低，不能直接供負載使用，需要升壓電路進行升壓，常用的升壓電路有Boost和Flyback等。

1.2 系統(tǒng)效率

如圖1所示,系統(tǒng)從輸入功率Prf到輸出功率Pdc過程中能量經(jīng)過4次損失。由此,系統(tǒng)效率可表示為[11]

(1)

式中ηm為阻抗匹配的效率，反映了當阻抗不連續(xù)時，射頻信號在非線性器件里傳播會產(chǎn)生反射損耗。文獻[12]提出了可以通過提高匹配網(wǎng)絡的品質(zhì)因數(shù)Q來提高匹配效率；ηp為寄生效率，文獻[11，12]分析了寄生電阻和寄生電容對系統(tǒng)轉換效率的影響，并指出寄生效應不可能同時避免，唯有合理的布局才能減少影響；η0為整流電路的效率，文獻[11]指出該效率主要與非線性整流二極管有關，文中給出了詳細的分析；ηdet為直流功率從非線性器件到直流負載的效率。

圖1 射頻能量收集系統(tǒng)效率

2 研究現(xiàn)狀

2.1 能量收集頻率

在射頻能量收集過程中，電磁波頻率低至中波高至毫米波均得到大量研究。2.4～2.5 GHz頻段獲得研究射頻能量收集技術的關注[13～16]；后因無線通信的發(fā)展，基站、移動設備和WiFi等[15]應用愈加廣泛，導致這些頻段成為研究熱點。除此之外，還有學者對調(diào)幅(AM)[17]信號和調(diào)頻(FM)[18，19]信號進行了研究。隨著人們對微型化器件的追求，射頻能量收集技術開始向更高頻率進行探索。文獻[20]就對35 GHz的整流天線進行研究，并實現(xiàn)了37 %的整流效率。但當時考慮到毫米波器件不成熟，并且毫米波在大氣中傳輸衰減較嚴重，國內(nèi)外學者開始將頻段移到了新ISM頻段,即5.725～5.875 GHz。文獻[21]設計了一種頻率在5.8 GHz的多極化整流天線，實現(xiàn)了較高的轉換效率。

為了獲得更高的輸出電壓，通過增加整流天線的工作帶寬，如雙頻、三頻及寬頻整流天線。文獻[22]在2.4 GHz和5.8 GHz 2個頻率下對環(huán)境中的無線信號進行能量收集，在距離發(fā)射功率僅5 dBm的路由器1 m時，可實現(xiàn)在10 kΩ負載下1.3 mW的輸出功率。文獻[23]在500,953 MHz和2 GHz 3個頻率下收集能量，最終實現(xiàn)了無論負載的大小均可輸出3.5 V恒定電壓。文獻[24]工作頻率在0.9～3 GHz，具有107.7 %的相關帶寬，可實現(xiàn)對最低的射頻功率-20 dBm的能量收集。

2.2 接收天線

在天線設計方面，微帶貼片天線因其成本低、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點被廣泛使用。對于線極化的接收天線，需要接收天線與發(fā)射天線的極化方向一致接收效率才能最大。文獻[25]提出了一種具有四元電磁耦合貼片的高增益線極化天線，采用指數(shù)錐線變壓器作為饋電網(wǎng)絡，可實現(xiàn)在5.2 GHz時最大增益為15.55 dB。但由于線極化天線對發(fā)射源方向的依賴性，使得該天線僅用于有限相位的接收。

但環(huán)境中射頻信號頻率不一且發(fā)射源較多，接收天線很難達到與發(fā)射源極化相同，因此，會造成能量收集的損失。為了解決上述問題，提出了雙線性極化整流天線[26，27]。文獻[28]采用兩個相互正交的線極化天線，各自連接整流電路和負載，可實現(xiàn)在正交的兩個極化上獨立進行信號收集和整流，與線極化天線相比提高了天線的接收效率，從而提高了整個系統(tǒng)的效率。文獻[29]采用雙饋電技術獨立接收兩個正交方向的射頻能量，實現(xiàn)了48%的轉換效率。相比雙線性極化天線，圓極化天線對極化方向不敏感，使其在射頻能量收集中更具優(yōu)勢。文獻[30]提出了一種新的圓極化高效率整流天線，利用具有圓極化性質(zhì)的雙菱形結構作為單元天線，多個單元天線間采用級聯(lián)的方式組成一個3×3天線陣列，可實現(xiàn)在5.61 GHz時最大轉換效率為78 %。

為進一步提高能量收集的輸出電壓，在周圍射頻能量密度低的情況下，提高天線接收射頻能量的面積，實現(xiàn)提高總體的能量收集。文獻[31]采用2×2電壓組合天線陣列，并在貼片天線上設計花型槽濾波器抑制諧波，實現(xiàn)在3.6～4.8 GHz帶寬內(nèi)70 %的最大轉換效率。陣列天線在提高系統(tǒng)輸出電壓的同時也增大了天線的尺寸，隨著低功耗電子技術和微機電系統(tǒng)的不斷發(fā)展，雙頻天線、多頻天線以及寬頻天線越來越受歡迎。文獻[32]采用交叉偶極子天線、低通濾波器和倍壓整流電路，實現(xiàn)了1.7～3 GHz的寬頻能量收集，最大轉換效率為75 %。

2.3 整流電路

整流電路的拓撲結構主要研究倍壓整流電路，為了提高系統(tǒng)的輸出電壓可以使用多倍整流電路。文獻[9]采用單邊定向縫隙天線和4倍壓整流電路，最終實現(xiàn)了23倍升壓效果。但整流效率的階數(shù)對電壓增益和整流效果有一定的影響，文獻[13,33]對此作了分析。

整流電路中的關鍵部分是整流二極管，主要影響整流效率。目前，肖特基二極管因其技術成熟被廣泛使用，文獻[34]詳細闡述了肖特基二極管的歷史和發(fā)展現(xiàn)狀，并指出在未來十幾年依然會扮演重要角色。同時還介紹了自選二極管、隧道二極管和金屬—絕緣體—金屬二極管，并指出在不久的將來可能會有新的突破。

在整流電路方面，目前一般能處理的低輸入功率在-20 dBm左右。更高靈敏度的整流電路的設計，如文獻[35]采用互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)整流電路最終可實現(xiàn)-32 dBm的低輸入功率處理能力。文獻[16]對周圍環(huán)境中的WiFi信號進行能量收集，最終實現(xiàn)了在-40 dBm的輸入功率下工作。文獻[36]顯示整流電路的工作頻率較窄，造成此現(xiàn)象的原因是整流電路的阻抗會隨頻率的變化而不同，使其不能與天線達到最佳匹配。

隨著雙頻和寬頻整流天線的出現(xiàn)，為了實現(xiàn)更寬的工作帶寬，文獻[32]利用低通濾波器作為匹配網(wǎng)絡，實現(xiàn)了1.7～3 GHz的頻率范圍。文獻[37]采用可調(diào)節(jié)電感的級聯(lián)整流電路，實現(xiàn)了同時在940 MHz，1.95 GHz和2.44 GHz 3個頻率段工作。文獻[38，39]利用源牽引法設計了匹配網(wǎng)絡，其中文獻[38]實現(xiàn)了在2.1 GHz和2.45 GHz下雙頻工作，而文獻[39]實現(xiàn)了在0.78～1.43 GHz頻率范圍內(nèi)工作。

2.4 實際應用

射頻能量收集主要在無線傳感器網(wǎng)絡的應用較多，除此之外還有醫(yī)療健康、智能家居、可穿戴產(chǎn)品[16]以及物聯(lián)網(wǎng)等。文獻[40]利用從周圍環(huán)境中收集數(shù)字電視信號作為能量，為16位嵌入式傳感器微控制臺供電。文獻[41]針對無線體域網(wǎng)(wireless body area network,WBAN)的應用需求，利用能量收集技術，對環(huán)境中GSM900/1800射頻信號進行能量收集，當射頻源的信號強度不低于-10 dBm時，可供WBAN節(jié)點持續(xù)工作。文獻[41]為滿足物聯(lián)網(wǎng)對能源利用率和服務質(zhì)量的高要求，引入了RF-AASP算法用于動態(tài)調(diào)整傳感器節(jié)點睡眠周期，以便收集周圍LTE基站射頻能量為節(jié)點供電，提高了能源利用率和服務質(zhì)量。

3 展 望

盡管射頻能量收集技術尚不成熟，但隨著無線應用的急劇增長，使得射頻能量收集在未來發(fā)展中有很大的潛力和應用前景。主要體現(xiàn)在一下幾點：

1)研究寬頻高增益接收天線，提高整流電路轉換效率；

2)研究接收天線和整流電路簡單寬頻匹配網(wǎng)絡，提高整個系統(tǒng)的工作帶寬；

3)研究微型化能量收集系統(tǒng)，推動收集系統(tǒng)在低功耗器件上的應用。

4 結束語

簡要綜述了射頻能量收集技術的研究現(xiàn)狀，包括能量收集頻率、天線設計、整流電路和應用：目前，在頻率研究方面覆蓋范圍較廣，但研究熱點主要在500，900 MHz，1.8，2.45，5.8 GHz；在天線設計方面，目前的研究傾主要向于寬頻化和微型化；因系統(tǒng)接收天線寬頻化，為實現(xiàn)最佳轉換效率，目前，整流電路的研究重點為使工作頻率寬頻化；介紹了射頻能量收集技術在無線傳感器網(wǎng)絡、智能家居以及物聯(lián)網(wǎng)等方面的研究進展;展望了射頻能量收集技術未來應用前景。