環(huán)境電磁能量拾取動(dòng)力學(xué)模型分析

張海鵬，盧寧寧，宋瑞良，李 捷

(中國電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院，河北 石家莊 050081)

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開始在環(huán)境監(jiān)測、智慧物流、倉儲(chǔ)管理等領(lǐng)域的應(yīng)用布局，人們會(huì)在生活、工作中發(fā)現(xiàn)越來越多的物端節(jié)點(diǎn)影響和改變著大家的生活和工作習(xí)慣。大規(guī)模機(jī)器類通信(mMTC)是第五代(5G)無線通信的三大應(yīng)用場景之一，其關(guān)鍵性能指標(biāo)之一為連接密度達(dá)到每平方千米100萬臺(tái)設(shè)備。隨著各國科研機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化組織開啟6G移動(dòng)通信相關(guān)研究，不少相關(guān)組織在mMTC領(lǐng)域所提出的連接密度指標(biāo)要到達(dá)每平方千米1 000萬臺(tái)設(shè)備以上。

環(huán)境中將逐步部署越來越多的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，而目前物端節(jié)點(diǎn)主要采用電池進(jìn)行供電。在延長電池供電物端節(jié)點(diǎn)運(yùn)行壽命的通常手段中主要采用兩種方式：1)采用更大容量的電池供電；2)降低物端節(jié)點(diǎn)的工作頻率。然而，電池技術(shù)的發(fā)展并不理想，其能量密度并沒有出現(xiàn)革命性變化，而且受限于物端節(jié)點(diǎn)體積，電池不可以更大；同時(shí)，降低通信頻率的辦法不但對使用場景有嚴(yán)格限制，并且依舊存在能量用盡的時(shí)刻。根據(jù)5G標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)性能參數(shù)，以及未來6G網(wǎng)絡(luò)中對于萬物互聯(lián)能力的進(jìn)一步提升，采用替換電池的方式來維持物端節(jié)點(diǎn)持續(xù)運(yùn)行是很不現(xiàn)實(shí)的，并且在某些領(lǐng)域的替換更是不可能的。目前在具體應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)存在諸如采用太陽能等進(jìn)行電能補(bǔ)充的方式，如共享單車，然而太陽能是一種受天氣、季節(jié)、時(shí)間影響較大的能量源，其只能作為一種輔助方式，并不能完全取代電池進(jìn)行供電。

無線充電技術(shù)的發(fā)展為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)能源供給的解決提供了新的途徑，如果能夠使用無線電磁能量為多個(gè)物端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能量補(bǔ)充，可以進(jìn)一步拓展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用空間。目前，在遠(yuǎn)距離無線能量傳輸領(lǐng)域，主要有兩種方式：主動(dòng)輻射方式和被動(dòng)收集方式。主動(dòng)輻射方式即設(shè)置主動(dòng)輻射源，為一定范圍內(nèi)的物端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能源補(bǔ)充，如美國的Powercast公司和Ossia公司，他們都采用主動(dòng)輻射源的方式，能夠?yàn)閿?shù)米范圍內(nèi)的若干臺(tái)設(shè)備供電，但該方式受限于部署環(huán)境，以家庭或商場、工廠等環(huán)境較為理想；被動(dòng)收集的方式，即利用環(huán)境中普遍存在的電磁信號(hào)進(jìn)行能量收集，并利用一定的裝置，將電磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流功率，以驅(qū)動(dòng)物端節(jié)點(diǎn)運(yùn)行，其優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)，雖然功率較低，但可以持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),目前DARPA等也在持續(xù)關(guān)注該技術(shù)在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用問題[1]。

1 相關(guān)研究

1.1 環(huán)境電磁能量密度

過去二十年中，電信技術(shù)的發(fā)展是革命性的，從2G、3G發(fā)展到現(xiàn)在的5G技術(shù)，并且國際及我國都已開始6G技術(shù)的研究和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。在自然環(huán)境中，移動(dòng)通信，廣播電視，短距離通信等頻段上已經(jīng)存在諸多能量信號(hào)，而隨著新的蜂窩基站的建成，更多的頻帶及能量信號(hào)將會(huì)出現(xiàn)。不同于太陽能、風(fēng)能等受天氣、季節(jié)要求較為嚴(yán)格的環(huán)境能源，環(huán)境電磁能源具備全天候全時(shí)段的能量供給能力。環(huán)境電磁能量密度是對環(huán)境電磁能量強(qiáng)度的評估，也是環(huán)境電磁取能的輸入，如果環(huán)境電磁能量密度過低就無法驅(qū)動(dòng)環(huán)境取能電路。同時(shí)，根據(jù)國家相關(guān)規(guī)定，環(huán)境電磁輻射強(qiáng)度不能超過一定限制，否則將對人體或環(huán)境造成危害。

環(huán)境中充滿了電磁能量，但是其中的能量相對比較集中于一些特殊頻段，大體上可以分為三類：1)數(shù)字電視廣播；2)移動(dòng)通信頻段；3)ISM頻段，以我國為例，自然空間的輻射源大致區(qū)分如表1～表3所示。

表1 數(shù)字電視廣播

表2 移動(dòng)通信頻段

表3 ISM頻段

目前，國內(nèi)外一些學(xué)者在世界各地的不同城市進(jìn)行了多個(gè)環(huán)境射頻能量測量。為了探索環(huán)境射頻能量收集的潛力，文獻(xiàn)[2]在倫敦270個(gè)地鐵站外進(jìn)行了全市范圍的射頻功率密度調(diào)查，并針對GSM900頻段，設(shè)計(jì)了一套環(huán)境電磁能量收集電路模型。文獻(xiàn)[3]對位于英國拉夫堡的一家汽車制造廠內(nèi)的射頻功率密度進(jìn)行了測量，經(jīng)測量可知，廠內(nèi)的主要頻譜集中于GSM1800和3G頻段,且不同與文獻(xiàn)[2]，此次測量位于室內(nèi)，受其特殊環(huán)境影響，其電磁能量密度明顯低于室外環(huán)境。文獻(xiàn)[4]對英國布里斯托爾市內(nèi)辦公室和居住室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了電磁能量強(qiáng)度測量，并進(jìn)行了對比，不同居住室內(nèi)存在明顯差異。文獻(xiàn)[5]在中國順德市購物中心廣場和住宅區(qū)進(jìn)行了射頻頻譜能量強(qiáng)度測量，測試結(jié)果表明CDMA800、GSM900和GSM1800頻段的可用射頻功率水平對于環(huán)境能量收集設(shè)計(jì)和戶外應(yīng)用最有前景。文獻(xiàn)[6]在美國波士頓市重點(diǎn)針對GSM850、GSM1900、LTE730和DTV頻段開展環(huán)境電磁能量強(qiáng)度測試，共在40個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行測量，測量結(jié)果顯示，不同地點(diǎn)中環(huán)境電磁能量強(qiáng)度最高的頻段集中于LTE700和GSM850頻段。文獻(xiàn)[7]在加拿大蒙特利爾市商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、地鐵口等區(qū)域進(jìn)行了電磁能量強(qiáng)度測量，不同于其他研究，此次測量采用采集車輛進(jìn)行持續(xù)測量，其測量結(jié)果表明，蜂窩通信頻段(GSM/LTE850和LTE700)是市區(qū)(居民區(qū))射頻能量回收的最佳選擇，而在蜂窩通信信號(hào)普遍較弱的郊區(qū)，數(shù)字電視頻段的峰值電平為-47.68 dBm，是所有頻帶中最大的，并且在一個(gè)工作日的周期內(nèi)，所測得的電磁能量密度并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的波動(dòng)。更多不同頻段上的信號(hào)強(qiáng)度如表4、表5所示。

表4 不同頻段環(huán)境電磁能量強(qiáng)度測量成果

表5 不同地點(diǎn)環(huán)境電磁能量強(qiáng)度測量成果

1.2 拾能整流天線

根據(jù)上面的分析可以知道，環(huán)境中的電磁能量大體集中在DTV、移動(dòng)通信和ISM頻段。拾能整流天線即環(huán)境電磁能量收集器，是將環(huán)境電磁能量轉(zhuǎn)換成直流功率以驅(qū)動(dòng)低功耗設(shè)備的核心設(shè)備，由天線，匹配網(wǎng)絡(luò)，整流器和儲(chǔ)能設(shè)備四部分組成，如圖1所示。拾能整流天線大體上可以分為三類：1)單頻段拾能；2)多頻段多路復(fù)合拾能；3)多頻段單路拾能。

圖1 拾能整流天線組成

拾能整流天線大體上以頻率、靈敏度和轉(zhuǎn)化效率為主要評價(jià)手段，表6中列出了相關(guān)研究的一些研究成果。

表6 整流天線設(shè)計(jì)相關(guān)研究成果

綜合上面的分析，環(huán)境中的大部分能量集中于一些特殊頻段，而利用環(huán)境電磁能量進(jìn)行能量收集需要利用到一些轉(zhuǎn)化設(shè)備，根據(jù)表6中所列的整流天線，其轉(zhuǎn)換效率高峰值出現(xiàn)在輸入功率為5 dBm，10 dBm，甚至20 dBm以上，而目前環(huán)境中并不存在這么高的電磁能量強(qiáng)度，除非進(jìn)行主動(dòng)電磁輻射，這又背離了環(huán)境取能減少能源損耗的初衷，在此項(xiàng)研究中，更應(yīng)主要關(guān)注低功耗輸入條件下的能量拾取。

2 動(dòng)力學(xué)模型

環(huán)境電磁能量收集過程是一個(gè)由環(huán)境無線射頻能量到超級(jí)電容中直流能量儲(chǔ)存的過程，為了準(zhǔn)確描述此過程，采用動(dòng)力學(xué)模型方式對環(huán)境電磁能量儲(chǔ)存過程進(jìn)行描述。拾能設(shè)備從環(huán)境中所收集到的環(huán)境能量功率大約為

(1)

式中：Gr為接收天線增益；λ為所設(shè)計(jì)的拾能射頻頻率波長；S(t)為環(huán)境電磁能量密度參數(shù)；ηPEC為整流電路效率參數(shù)，與整流電路設(shè)計(jì)和輸入功率強(qiáng)度有關(guān)。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)面向915 MHz的單頻拾能電路的所測得的電壓結(jié)果以及由此計(jì)算所得的轉(zhuǎn)換效率。如圖2所示，整流電路的輸出電壓最高為1.407 V@-2 dBm，當(dāng)輸入能量小于-10 dBm時(shí)，整流電路的輸出電壓在0.5 V以下。如圖3所示，該拾能整流電路在輸入功率為[-24 dBm,-2 dBm]時(shí)，輸入功率與轉(zhuǎn)換效率呈現(xiàn)一個(gè)較為明顯的線性遞增關(guān)系。

圖2 拾能整流電路測量電壓

圖3 拾能整流電路轉(zhuǎn)換效率

采用電容將收集到的能量進(jìn)行儲(chǔ)存，然而理想的電容模型在現(xiàn)實(shí)中并不存在，電容中存在一定的泄電流，會(huì)逐步釋放出電容中儲(chǔ)存的能量，泄電流大小與施加的直流電壓有關(guān)，施加的電壓越大，泄電流越大。同時(shí)，也與施加直流電壓的時(shí)間有關(guān)系，時(shí)間越長，泄電流就越小。而具體的泄電流模型與電容的具體類型相關(guān),，日本RUBYCON 50YXJ1000-M16X25直插鋁電解電容的泄電流公式模型為

(2)

式中：C為超級(jí)電容的電容量參數(shù)；I為超級(jí)電容的泄電流；U為超級(jí)電容的電壓；Urated為超級(jí)電容的額定電壓。

那么超級(jí)電容中所儲(chǔ)存的能量為

(3)

式中：E為超級(jí)電容中儲(chǔ)存的能量。

環(huán)境電磁強(qiáng)度是對環(huán)境電磁能量的描述參數(shù)，其受距離輻射源距離、地形等多因素影響，是隨時(shí)間變化的。如圖4所示為我們在北京西南四環(huán)外某辦公場所內(nèi)部所測量的915 MHz頻段的環(huán)境電磁信號(hào)能量密度，其信號(hào)強(qiáng)度還是會(huì)隨著時(shí)間而變化。

圖4 環(huán)境電磁能量強(qiáng)度變化

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證在上文提到的模型，我們利用環(huán)境中電磁能量測量數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，并與理論模型進(jìn)行對比分析。我們截取了部分測量數(shù)據(jù)，如圖5所示，利用其進(jìn)行仿真分析，假設(shè)C=100 μF，G=2 dB，λ=32.78 cm，其中理論分析采用的是環(huán)境電磁能量數(shù)據(jù)的均值作為輸入，即

圖5 環(huán)境電磁強(qiáng)度測量數(shù)據(jù)

(4)

根據(jù)上面的分析可以知道，轉(zhuǎn)換效率、輸出電壓以及電容的泄電流均與環(huán)境電磁能量強(qiáng)度有關(guān)，如圖2、圖3和公式(2)所示。仿真得到電容中所能儲(chǔ)存的直流能量和理論分析結(jié)果對比圖，如圖6所示。理論分析和仿真結(jié)果存在一定的偏差，造成偏差的原因是由于我們采用環(huán)境電磁能量強(qiáng)度的均值替代環(huán)境電磁強(qiáng)度數(shù)據(jù)，而環(huán)境電磁強(qiáng)度是隨機(jī)的，雖然隨著積分效應(yīng)的作用，數(shù)據(jù)的隨機(jī)性會(huì)被減弱，但在積分結(jié)果上依然會(huì)存在一定的影響。雖然存在一定的偏差，但是理論結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合，采用此模型的方式可以較為準(zhǔn)確地描述整流電路的能量收集速度，能夠?yàn)槲磥淼沫h(huán)境電磁取能物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用提供支撐。

圖6 仿真數(shù)據(jù)與理論模型對比圖

4 結(jié) 語

環(huán)境電磁能源是一種清潔且普遍存在的能源，采用環(huán)境電磁能量采集技術(shù)是解決下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中超大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)部署的有效途徑之一，本文從環(huán)境電磁能量強(qiáng)度分布、拾能轉(zhuǎn)化電路介紹開始，提出了環(huán)境電磁能量拾取動(dòng)力學(xué)模型，模型描述了物端節(jié)點(diǎn)從環(huán)境中拾取能量到自身儲(chǔ)能的整個(gè)過程。在本文的研究過程和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析中，得到以下結(jié)論：

1)環(huán)境中充滿電磁能量，但會(huì)依據(jù)具體地點(diǎn)和頻段的有所區(qū)別。環(huán)境中電磁能量集中于廣播電視、移動(dòng)通信頻段等重點(diǎn)頻段，但在不同的地點(diǎn)可能在重點(diǎn)頻段上依舊有所區(qū)別。所以在未來的環(huán)境電磁能量拾取電路的具體應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮地點(diǎn)和頻段的影響。

2)環(huán)境電磁轉(zhuǎn)換電路應(yīng)側(cè)重于低功率輸入水平的高效率轉(zhuǎn)化。受限于相關(guān)法律法規(guī)和通信標(biāo)準(zhǔn)等，環(huán)境電磁能量強(qiáng)度水平不會(huì)太高，在以環(huán)境電磁能量為主要輸入的拾取整流電路設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮在低功耗輸入下的高轉(zhuǎn)化效率。

3)儲(chǔ)存的能量在后續(xù)使用中需要更加精細(xì)的能量管理電路。根據(jù)此類型的電路我們收集到的能量電壓較低，而依據(jù)一些典型的低功耗MCU，如TI的MSP432，其工作電壓需要保持到1.8 V以上，故在具體應(yīng)用時(shí)，需要額外的能量管理電路進(jìn)行電壓調(diào)整。

4)動(dòng)力學(xué)模型能夠準(zhǔn)確描述環(huán)境電磁能量收集過程。環(huán)境電磁能量拾取是儲(chǔ)能模塊中能量的變化過程，以環(huán)境電磁能量的攝入為主要增量，電容的泄電流的存在描述了儲(chǔ)能模塊的衰減過程，該模型準(zhǔn)確地描述了該過程，其對于環(huán)境電磁取能的描述，能夠?qū)ξ磥憝h(huán)境取能物聯(lián)網(wǎng)在進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)提供理論支撐。