無線射頻能量收集與存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁冉

摘要：對(duì)空間中廣泛覆蓋的各類無線射頻信號(hào)進(jìn)行能量收集與存儲(chǔ)利用，可為各類負(fù)載終端提供電力支持。因此，如何對(duì)無線射頻能量進(jìn)行有效收集及存儲(chǔ)再利用成為一個(gè)研究熱點(diǎn)問題。針對(duì)上述問題，文章設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套無線射頻能量收集與存儲(chǔ)系統(tǒng)，利用倍壓檢波電路將無線射頻能量轉(zhuǎn)換成可供負(fù)載使用的直流電，基于電源管理芯片BQ25504設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了能量存儲(chǔ)與管理電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)將倍壓檢波電路與能量管理電路相結(jié)合，可以為物聯(lián)網(wǎng)低功耗設(shè)備進(jìn)行持續(xù)穩(wěn)定的供電，從而減少對(duì)傳統(tǒng)電池的依賴，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：無線射頻能量；倍壓檢波電路；能量收集；能量存儲(chǔ)

中圖分類號(hào)：TN92? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

近年來，隨著無線通信和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，大量的無線傳感器設(shè)備得到了普及。由于多數(shù)領(lǐng)域都需要可持續(xù)使用的無線傳感器終端，因此如何為終端設(shè)備提供可持續(xù)能量供給成為實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的一個(gè)關(guān)鍵因素。當(dāng)前，市面上大多數(shù)的終端設(shè)備都采用電池供電方式，而電池的使用與更換不但增加成本還可能造成環(huán)境污染。因此，近年來發(fā)展的能量收集技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注，該技術(shù)是一種能夠?yàn)楦黝惤K端設(shè)備進(jìn)行供電的新興技術(shù)。該技術(shù)能夠?qū)⒅車h(huán)境中的分布式能量進(jìn)行有效收集并轉(zhuǎn)換成可供負(fù)載使用的電能。通常來講，環(huán)境中包含的分布式能量有太陽能、熱能、振動(dòng)和射頻能量等多種形式［1-3］，而隨著各類移動(dòng)通信技術(shù)的普及，空間中的射頻信號(hào)密度日益提升。因此，本文著重研究基于射頻信號(hào)的能量收集技術(shù)。

射頻能量收集技術(shù)是從散布在空間中的射頻微波信號(hào)中收集能量的一種方法，其基本原理是將接收到的電磁能量轉(zhuǎn)換成直流電，并將電能存儲(chǔ)在鋰電池中以供負(fù)載終端使用。目前，射頻能量收集技術(shù)的主要工作方式有4種：磁共振式、電磁感應(yīng)式、電場(chǎng)耦合式、無線電波式［4］。上述4種射頻能量收集技術(shù)雖然工作方式不同，但其基本組成原理是相似的。射頻能量收集系統(tǒng)通常由接收天線、阻抗匹配電路、整流電路、儲(chǔ)能元件和負(fù)載等部分組成［5］。射頻能量收集系統(tǒng)通過使用天線接收高頻段的電磁波，再通過整流電路［6］轉(zhuǎn)換成直流電供負(fù)載使用。例如，當(dāng)前廣泛使用的高頻段無源射頻識(shí)別標(biāo)簽，即采用了射頻能量收集技術(shù)［7］。

由于傳統(tǒng)的無線射頻能量收集電路普遍存在尺寸大、電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，大大限制了射頻能量收集技術(shù)應(yīng)用范圍［8］，因此本文設(shè)計(jì)了一種具有小型化、高集成化、低成本等特點(diǎn)的射頻能量收集系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過將倍壓檢波電路與能量管理電路相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了射頻能量收集和存儲(chǔ)，能夠?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)低功耗設(shè)備提供持續(xù)穩(wěn)定的電能。

本文后續(xù)內(nèi)容為射頻能量收集電路的理論分析與設(shè)計(jì)、電源能量管理與儲(chǔ)能電路的設(shè)計(jì)以及針對(duì)上述電路的測(cè)試評(píng)估。

1 射頻能量收集電路設(shè)計(jì)

射頻能量收集電路的作用是將收集到的電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)換為單向脈沖型直流電，其功能類似于檢波整流電路。射頻能量收集電路的有效利用有賴于較高的能量轉(zhuǎn)換效率。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于倍壓檢波電路的射頻能量收集電路，通過對(duì)該電路進(jìn)行阻抗匹配，可實(shí)現(xiàn)較高的能量轉(zhuǎn)換效率。

1.1 倍壓檢波電路

倍壓檢波電路的主要作用是將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)。該電路利用檢波二極管的單向?qū)щ娦?，能夠從高頻或者中頻的無線電信號(hào)中提取出低頻信號(hào)或者音頻信號(hào)［9］。常規(guī)的檢波電路，通常僅包含一個(gè)檢波二極管，該檢波二極管能夠從輸入的射頻信號(hào)中提取出直流信號(hào)。對(duì)于倍壓檢波電路而言，其內(nèi)部包含2個(gè)輸入極性相反的檢波二極管，通過對(duì)上述2個(gè)檢波二極管的輸出電壓按極性相加，倍壓檢波電路的輸出電壓可以達(dá)到常規(guī)檢波電路輸出電壓的兩倍。倍壓檢波電路中的檢波二極管建議選用肖特基微波二極管，其工作頻率高，適用于多種情況的高頻、射頻信號(hào)的檢測(cè)。另外，肖特基二極管在工作過程中的能量消耗小，因而適合于能量收集電路。

圖1給出了本文設(shè)計(jì)的倍壓檢波電路。電容C1和肖特基二極管D1（封裝內(nèi)包含2個(gè)極性相反的肖特基二極管管芯）構(gòu)成倍壓檢波電路，電容C2起到濾波的作用。該設(shè)計(jì)所采集的射頻信號(hào)的頻率與輸出端的電容C2成反比，即若采集低頻段的射頻信號(hào)可增大輸出端的電容C2，反之若采集高頻段的射頻信號(hào)可減小輸出端的電容。

1.2 阻抗匹配設(shè)計(jì)

阻抗匹配設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)高效率射頻能量收集電路的關(guān)鍵，其主要作用是抑制信號(hào)反射，提高信號(hào)傳輸功率，降低信號(hào)能量的損耗。

由于本文設(shè)計(jì)應(yīng)用于高頻電路，需要采用分布參數(shù)電路理論進(jìn)行分析。當(dāng)信號(hào)波長(zhǎng)和電路尺寸可以比擬時(shí)，并且電路存在反射信號(hào)，則反射信號(hào)會(huì)疊加在原始信號(hào)上進(jìn)而改變?cè)夹盘?hào)形態(tài)，降低了信號(hào)傳輸效率。因此，如果傳輸線的特征阻抗與負(fù)載阻抗不匹配時(shí)，負(fù)載一端會(huì)發(fā)生信號(hào)反射，降低信號(hào)傳輸效率。一般情況下，應(yīng)盡量保證負(fù)載阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配。

在實(shí)際的高頻檢波電路中，高頻信號(hào)通常使用微波傳輸線加載在高頻檢波二極管的正極，因而微波傳輸線與高頻檢波二極管之間需要進(jìn)行阻抗匹配［10］。對(duì)于板級(jí)電路設(shè)計(jì)，目前常用的微波傳輸線為接地共面波導(dǎo)。在接地共面波導(dǎo)中，頂層接地導(dǎo)體和信號(hào)導(dǎo)體之間的小間距可以實(shí)現(xiàn)傳輸線的低阻抗。底層接地導(dǎo)體和信號(hào)導(dǎo)體之間的大間距會(huì)引起傳輸線阻抗的增大，并且當(dāng)接地共面波導(dǎo)的頂層接地導(dǎo)體與信號(hào)導(dǎo)體的間距增大時(shí)，頂層接地導(dǎo)體對(duì)電路的影響會(huì)降低。接地共面波導(dǎo)在毫米波頻段具有相對(duì)較低的輻射損耗且能實(shí)現(xiàn)良好的高階模抑制，這使得接地共面波導(dǎo)成為適用于30 GHz及以上頻段的候選傳輸線技術(shù)。本文采用了接地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了傳輸線設(shè)計(jì)，經(jīng)過阻抗計(jì)算，在采用1.6mm厚度FR4板材時(shí)，接地共面波導(dǎo)的線寬為1.5mm，線距為0.365mm。

1.3 PCB設(shè)計(jì)

在PCB設(shè)計(jì)過程中，倍壓檢波電路中的肖特基二極管采用的型號(hào)是HSMS2826，其封裝為SOT-23，電容和電阻則采用了0805封裝的貼片電容以及貼片電阻。另外，為了降低射頻信號(hào)的輻射，保證電路的接地效果，接地共面波導(dǎo)的頂層接地導(dǎo)體與底層接地導(dǎo)體之間需要采用較多的過孔進(jìn)行電氣連接。

2 電源能量管理與儲(chǔ)能電路

射頻能量收集電路在距離射頻信號(hào)輻射源較遠(yuǎn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)輸出電壓低、供能不穩(wěn)定等情況，不能滿足一些電路負(fù)載的實(shí)際需求，并且當(dāng)環(huán)境中的射頻信號(hào)輻射功率發(fā)生變化時(shí)，此時(shí)射頻能量收集電路的輸出電壓也會(huì)因此產(chǎn)生一些波動(dòng)，所以為保證負(fù)載的供電質(zhì)量，維持供電的穩(wěn)定性，需要研究和設(shè)計(jì)相應(yīng)的儲(chǔ)能電路對(duì)射頻能量收集電路所獲取的能量進(jìn)行存儲(chǔ)和升壓。本文選取BQ25504芯片來進(jìn)行電源的能量管理與存儲(chǔ)電路的設(shè)計(jì)，BQ25504芯片能夠?qū)ξ⑷醯碾娏鬟M(jìn)行收集和存儲(chǔ)，其內(nèi)部集成了升壓功能，適合各類低功耗應(yīng)用［11］。

2.1 能量管理與存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

BQ25504是一款集成能量采集與電源升壓的能量管理與存儲(chǔ)集成電路，適合于智能集成能量采集毫微功耗管理。本設(shè)計(jì)利用該芯片可對(duì)無線射頻信號(hào)能量生成的微瓦到毫瓦級(jí)功率進(jìn)行采集和管理。BQ25504內(nèi)部的升壓電路能夠有效地從低壓輸入源中持續(xù)收集并且存儲(chǔ)能量，該特點(diǎn)非常適用于無線射頻能量存儲(chǔ)電路的設(shè)計(jì)。

本文設(shè)計(jì)的能量管理與存儲(chǔ)電路如圖2所示。該電路能夠采集低至VIN（DC）=130mV的直流電能。另外，電路內(nèi)部的升壓部分能夠有效地從低壓輸入源持續(xù)地收集和存儲(chǔ)能量。

該電路中的VBAT引腳可以外接可充電鋰電池，通過使用外接電阻可防止可充電電池過度放電，并且也能夠防止過度消耗電容中的電荷能。其中，欠壓保護(hù)的閾值電壓VBAT_UV由計(jì)算式（1）得出，VBIAS是BQ25504芯片的內(nèi)部參考電壓，為1.25 V。

VBAT_UV=VBIAS1+R9R11（1）

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，外接分壓電阻R8、R9、R10、R11的阻值需滿足R8+R10≤10MΩ，R9+R11≤10MΩ。為了防止能量收集電路過度對(duì)電容充電，可設(shè)置過壓保護(hù)的閾值電壓VBAT_OV，由公式（2）得出：

VBAT_OV=32VBIAS1+R8R10（2）

該芯片有過壓保護(hù)和欠壓保護(hù)的功能，當(dāng)電池電壓下降時(shí)可通過（3）設(shè)置閾值：

VBAT_OK_PROG=VBIAS1+R6R5（3）

當(dāng)電壓升高時(shí)，可通過公式（4）設(shè)置閾值：

VBAT_OK_HYST=VBIAS1+R6+R7R5（4）

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，R5、R6、R7為外接分壓電阻，并且R5、R6、R7的電阻值之和不能超過10MΩ。

2.2 儲(chǔ)能元件的選擇

由于射頻能量收集電路的輸出電流功率低、不穩(wěn)定，所以儲(chǔ)能電路還需要增加1個(gè)儲(chǔ)能元件來穩(wěn)定地對(duì)負(fù)載進(jìn)行能量輸出，通過對(duì)儲(chǔ)能元件的性能進(jìn)行分析，選擇可充電鋰電池作為儲(chǔ)能單元，由于本設(shè)計(jì)是為物聯(lián)網(wǎng)低功耗設(shè)備進(jìn)行持續(xù)穩(wěn)定的供電，選擇了100mAh的可充電鋰電池。

3 電路測(cè)試

3.1 倍壓檢波電路測(cè)試

實(shí)驗(yàn)環(huán)境是以2.4 GHz無線路由器作為射頻信號(hào)的輻射端，倍壓檢波電路對(duì)無線路由器的輻射信號(hào)進(jìn)行能量采集。表1給出了無線路由器與倍壓檢波電路之間不同距離時(shí)，倍壓檢波電路負(fù)載兩端的實(shí)測(cè)輸出電壓?？芍秹簷z波電路的輸出電壓會(huì)隨著該電路與射頻信號(hào)輻射源之間距離的增加而急劇降低，當(dāng)該電路與射頻信號(hào)輻射源的間距較小時(shí)，其輸出可以用于低功耗終端的供電。當(dāng)該電路與射頻信號(hào)輻射源的間距較大時(shí)，則需要射頻能量存儲(chǔ)與管理電路對(duì)采集到的射頻輻射能量進(jìn)行存儲(chǔ)管理。

若采用LED作為電路負(fù)載對(duì)倍壓檢波電路進(jìn)行測(cè)試，在貼近無線路由器天線時(shí)，倍壓檢波電路輸出電壓可達(dá)到3.3 V左右，可以點(diǎn)亮LED，由于無線路由器WiFi信號(hào)的波動(dòng)，LED會(huì)進(jìn)行閃耀。另外，在距離無線路由器20cm左右時(shí)，依然可以點(diǎn)亮LED。如果無線路由器還有倍壓檢波電路均采用定向天線，則可以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的無線射頻能量采集。

3.2 能量管理與存儲(chǔ)電路測(cè)試

因?yàn)槟芰抗芾黼娐返睦鋯?dòng)輸入電壓范圍為330～450mV，所以射頻能量采集電路通過接收無線射頻能量，使得電路電壓達(dá)到330mV時(shí)即可啟動(dòng)能量管理電路，經(jīng)過一定時(shí)間的能量存儲(chǔ)，可以點(diǎn)亮電路上的LED燈。

由于能量管理電路能夠?qū)κ占降哪芰窟M(jìn)行存儲(chǔ)，所以在遠(yuǎn)離射頻信號(hào)輻射源時(shí)依然可以存儲(chǔ)能量，單一的倍壓檢波電路不具備該功能。經(jīng)過測(cè)試，本文設(shè)計(jì)的無線射頻能量收集與存儲(chǔ)系統(tǒng)（倍壓檢波電路結(jié)合能量存儲(chǔ)與管理電路）在距離無線路由器80cm處，經(jīng)過10min左右的充電后，可以點(diǎn)亮電路上的負(fù)載LED燈，比只有倍壓檢波電路的電路板在供能距離上得到了更大的提升。

此外，該系統(tǒng)若外接一個(gè)儲(chǔ)能鋰電池，經(jīng)過對(duì)鋰電池的充電蓄能，可以持續(xù)穩(wěn)定地對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電。經(jīng)過BQ25504升壓電路升壓后，該系統(tǒng)可以將輸出電壓上升到5.1 V左右。此時(shí)，該系統(tǒng)可以對(duì)單片機(jī)開發(fā)板進(jìn)行供電，經(jīng)測(cè)試，也可以保證有外接屏幕的單片機(jī)開發(fā)板正常運(yùn)行。

4 結(jié)語

針對(duì)傳統(tǒng)無線射頻能量收集電路體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，本文提出了一種由倍壓檢波電路和能量管理電路相結(jié)合的無線射頻能量收集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離無線射頻能量的收集存儲(chǔ)再利用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)在距離路由器80cm處經(jīng)充能一段時(shí)間后，可為負(fù)載終端提供有效電能，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離供能需求。

參考文獻(xiàn)

［1］KOCAKULAK M，BUTUN I.An overview of Wireless Sensor Networks towards internet of things：2017 IEEE 7th Annual Computing and Communication Workshop and Conference（CCWC）［C］.Las Vegas：IEEE，2017.

［2］NOBLE F K，ALAM F，POTGIETER J，et al.Energy Harvesting and Current State of the Technology with Application to Traffic Monitoring：International Conference on Mechatronics & Machine Vision in Practice［C］.Auckland：IEEE，2008.

［3］SOYATA T，COPELAND L，HEINZELMAN W.RF Energy Harvesting for Embedded Systems：A Survey of Tradeoffs and Methodology［J］.IEEE Circuits & Systems Magazine，2016（1）：22-57.

［4］王建輝.智能無線充電的技術(shù)及其應(yīng)用［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2020（8）：54-57.

［5］VISSER H J，VULLERS R J M.RF Energy Harvesting and Transport for Wireless Sensor Network Applications：Principles and Requirements［J］.Proceedings of the IEEE，2013（6）：1410-1423.

［6］左琳.面向充電管理應(yīng)用的射頻能量收集天線與整流電路設(shè)計(jì)［D］.邯鄲：河北工程大學(xué)，2020.

［7］薛濤.關(guān)于射頻能量收集系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析［J］.產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新，2020（24）：25-26.

［8］劉建，張明華.適用于射頻能量收集系統(tǒng)的新型寬帶整流電路設(shè)計(jì)［J］.華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021（1）：1-5.

［9］曾子倩.基于分布阻抗的寬帶電場(chǎng)測(cè)量天線的設(shè)計(jì)［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2020.

［10］楊濤，劉興，李健，等.無線射頻能量收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.江西電力，2021（4）：16-20.

［11］吳納磊，李英春，賈海旭.微能源管理策略在架空設(shè)備的應(yīng)用［J］.農(nóng)村電氣化，2021（5）：42-46.

（編輯 王永超）

Design of radio frequency energy harvesting and storage system

Liang? Ran

（China Research Institute of Rodiowave Propagation， Qingdao 266107， China）

Abstract：? By collecting and storing the energy of these signals， it can provide power support for various load terminals. So how to collect， store and reuse these energies has aroused peoples concern. To address this problem， this paper designs and implements a wireless RF energy collection and storage system， and the voltage doubling detector circuit is used to convert the energy into DC power that can be used by the load， and the energy storage and management circuit is designed and implemented based on the power management chip BQ25504. The experimental results show that the combination of rectifier circuit and energy management circuit can provide continuous and stable power supply for IoT low-power devices， thus reducing the dependence on traditional batteries， which has wide application prospects.

Key words： radio frequency energy; voltage doubling detection circuit; energy collection; energy storage