一款2.4GHz～2.5GHz 的RF 能量收集系統(tǒng)設(shè)計*

嚴(yán) 莉

（荊州學(xué)院 荊州 434000）

1 引言

智能城市的概念越來越多地被用來整合城市環(huán)境中的信息和通信技術(shù)。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）中的公共接入終端具有許多改善人們生活的應(yīng)用。特別是，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)越來越多地應(yīng)用于多種應(yīng)用中，包括結(jié)構(gòu)監(jiān)測、居住監(jiān)測、健康監(jiān)測和物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署中的一個主要限制是它的能量依賴性，傳感器節(jié)點(diǎn)是電池供電的，在某些情況下，更換電池或給電池充電等相關(guān)維護(hù)操作可能代價高昂。對于物聯(lián)網(wǎng)（在建筑物監(jiān)控中）等應(yīng)用，電池更換可能是不現(xiàn)實(shí)的。最近，能量收集技術(shù)包括將一次能源（即光、振動、氣流、電磁波、熱量）轉(zhuǎn)換為直流能源（傳感器節(jié)點(diǎn)可直接使用）被視為電池充電的解決方案。

近年來，能量回收（EH）技術(shù)因其能有效延長低功耗電子產(chǎn)品的使用時長而廣受關(guān)注［1～3］。EH技術(shù)可在能量受限的應(yīng)用場景如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點(diǎn)組成，傳感器節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行無線通信，并且可以連接到互聯(lián)網(wǎng)［4～5］，由微處理器、傳感器模塊、無線收發(fā)器和清量級電源（如微型電池）構(gòu)成的傳感器節(jié)點(diǎn)，其電池的有限能量決定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能［6～7］，而且傳感器節(jié)點(diǎn)的電池在一些環(huán)境下更換往往不便捷或完全不可行。實(shí)際上，能量可以從環(huán)境中的能源中獲取，如太陽能、熱能、振動和射頻（RF）能源。與其他能源相比，射頻能量采集技術(shù)具有低成本和高可用性的主要優(yōu)點(diǎn)［8～9］，由于無線電波的場傳播特性，在家庭自動化、醫(yī)療保健、監(jiān)控、交通運(yùn)輸?shù)葘?shí)際無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，無線電波信號可以廣泛應(yīng)用于傳感器節(jié)點(diǎn)的供電。在文獻(xiàn)［10］中，報告了射頻信號的能量收集，并對天線進(jìn)行了有效的設(shè)計。隨著工業(yè)的高速發(fā)展，集成電路的技術(shù)也在不斷進(jìn)步，這使得傳感器的功耗變得更小，RF 能量收集可以更廣泛地應(yīng)用于傳感器。隨著無線通信和微電子電路的技術(shù)發(fā)展，無線電波信號分布廣泛，特別是商業(yè)圈、學(xué)校、寫字樓等，處處充滿種類繁多的無線通訊產(chǎn)品。這些自由空間中一直存在的微量的射頻能量將成為傳感器節(jié)點(diǎn)的優(yōu)秀資源。本文設(shè)計一款高效率的能量收集系統(tǒng)，可有效收集周圍WIFI能量。

2 天線設(shè)計

天線作為RF 能量收集系統(tǒng)的輸入端，決定了能量收集系統(tǒng)的功率，因此天線必須設(shè)計的盡可能多地收集到射頻能量。微帶天線與其他天線相比具有重量輕、體積小、剖面低，能與載體，如飛行器等終端共形、制造成本低、易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)［11］，并在軍事和民用上都有應(yīng)用。RF 能量收集系統(tǒng)的天線采用微帶天線設(shè)計，微帶天線的饋電通常有微帶線饋電、同軸線饋電、電磁耦合饋電三種方式。微帶饋線單元可方便地和天線貼片單元一起光刻，制作簡便，因此微帶天線饋電選擇微帶線饋電。

RF 能量收集系統(tǒng)的天線是設(shè)計制作一種針對2.4GHz～2.5GHz 的高增益微帶天線。選擇Rogers RO4003B 作為介質(zhì)基片材料，RO4000 系列高頻線路板材料具備高頻性能、線路板生產(chǎn)成本低、損耗低等優(yōu)點(diǎn)。RO4003B 的相關(guān)參數(shù)如下。其相對介電常數(shù)εr為3.66，損耗因子0.0031，選擇RO4003B板厚為1.524mm，選擇天線中心頻率為f0＝2.45GHz。由矩陣天線理論公式計算出微帶天線的w=40.11mm，l=31.6mm，并通過仿真軟件Advanced Design System 對天線參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，比較各參數(shù)下的仿真結(jié)果得到最佳的微帶天線仿真尺寸，確定微帶天線的寬度為w=40.2mm，長度為l＝31.6mm。微帶天線采用微帶線進(jìn)行饋電，在微帶線兩側(cè)開對稱槽有利于修善頻帶窄的缺陷。多次仿真，確定中間開槽部分的尺寸最佳為w1=1mm，l1=10mm。

在能量收集研究實(shí)驗中，一般都采用天線陣提高天線增益及接收天線的輸出功率［12］。微帶天線設(shè)計采用四組基本天線單元，組成一個高增益的2×2 的天線陣列。對各天線單元進(jìn)行連接采用四分之一的波長阻抗變換器，并采用對稱饋電網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計平衡的功率分配器，對各天線單元進(jìn)行饋電，保證每個單元電流在相等的時間和幅度內(nèi)達(dá)到輸出饋電點(diǎn)［13］。在ADS2018 中天線仿真陣列版圖及實(shí)際測量天線反射系數(shù)S11分布如圖1所示。在頻率為2.4153GHz 時，反射系數(shù)為-30.908，且在頻率輸 入 范 圍2.4GHz～2.5GHz，反 射 系 數(shù)S11 均 不 高于-10dB，滿足設(shè)計要求。

圖1 天線陣列設(shè)計仿真圖及實(shí)測S11分布圖

3 阻抗匹配與整流電路

3.1 整流電路設(shè)計

射頻信號是一個高頻交流信號，WSN 終端需要的是DC 電源供電，這就需要用整流電路將高頻交流信號轉(zhuǎn)換為DC。文獻(xiàn)［14～15］研究并測試表明整流電路的效率與輸入功率有密切關(guān)切。射頻輸入能量很小，因此我們需要采用倍壓電路。本文使用Greinacher 電路設(shè)計思路，二倍的Greinacher電路如圖2（a）所示。倍壓電路欲使用兩組極性相反的Greinacher 電路組合而成，最后輸出四倍的電壓［16］，如圖2（b）所示。

圖2 倍壓電路

由于射頻能量采集系統(tǒng)所收集的能量是交流且微弱的，因此倍壓整流電路的設(shè)計最重要的是分析并選擇最合適的整流器件并對收集的射頻能量進(jìn)行整流并倍壓。 HSMS 系列二極管極小傳導(dǎo)損耗，開關(guān)損耗可以忽略不計。 本文采用HSMS-2856C。設(shè)計好倍壓整流電路。如圖3（a）所示，在ADS 中仿真當(dāng)前的輸出阻抗如圖3（b）所示，阻抗值為25.634+j58.169。

圖3 倍壓整流電路的設(shè)計與仿真圖

3.2 阻抗匹配設(shè)計

阻抗匹配是實(shí)現(xiàn)信號由接收天線端到負(fù)載的能量傳輸，并達(dá)到最小的損耗功率，如果匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計復(fù)雜，必定會造成過多能量的損耗，文獻(xiàn)［17～18］闡述了匹配的復(fù)雜度在一定程度上造成的能量損耗，因此本文設(shè)計一種阻抗匹配，減少能量自耗，變相地提高能量傳輸效率。匹配電路采用分布參數(shù)元件匹配電路。分布參數(shù)元件匹配電路主要有λ/4 阻抗變換、單枝短截線和雙枝短截線等匹配電路。λ/4 阻抗變換匹配如圖4（a）所示，是采用一段長度通常為波長的四分之一長度的傳輸線連接到負(fù)載。圖4（b）為Smith 圓圖進(jìn)行阻抗匹配，4（c）為S11 分布圖，可知在2.4GHz～2.5GHz 范圍內(nèi)S11 均小于-10db，在2.412GHz 時，S11 能達(dá)到-28.715db，滿足設(shè)計要求。

圖4 Smith圓圖工具進(jìn)行阻抗匹配

阻抗匹配和倍壓整流電路ADS Layout 仿真模型如圖5 所示。電路印刷采用普通材料FR-4，厚度1.6mm，成本低，電路簡單，減少不必要的能量自耗。

圖5 阻抗匹配和倍壓整流電路ADS Layout模型

4 能量收集系統(tǒng)測試

能量收集系統(tǒng)測試使用室內(nèi)WiFi 路由器作為輸入，實(shí)際測量結(jié)果如圖6（a）所示，能量采集系統(tǒng)與能量源距離大于10cm，能量采集輸出電壓為680mV。在近距離接觸時，能量采集輸出電壓為1.628V，如圖6（b）所示。

圖6 實(shí)際加工樣品測試

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一款針對2.4GHz～2.5GHz 的RF 能量收集系統(tǒng)，包括微帶天線、阻抗匹配電路、四倍壓整流電路，并設(shè)計了一種阻抗匹配電路，使其電路簡單，減少內(nèi)耗；并進(jìn)行了打樣測試，通過收集周圍的射頻能量，有效轉(zhuǎn)化為直流電壓，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)，使系統(tǒng)輸出直流電壓高達(dá)1.628V。今后將重點(diǎn)研究微帶天線的小型化及RF能量收集之后的能量管理系統(tǒng)，以促進(jìn)RF 能量收集系統(tǒng)可便攜式使用并能及時知曉能量存儲剩余量。