一種高效環(huán)境WiFi能量收集系統(tǒng)

徐 濤，於正超

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110136)

0 引言

隨著電子產(chǎn)品功耗的降低和能量收集技術(shù)的發(fā)展，一些免電池的供電方式成為熱門研究領(lǐng)域，這些方法已經(jīng)能夠從環(huán)境中捕獲微弱的能量并轉(zhuǎn)換為電能，并進(jìn)行積累、存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線傳感器的供電[1-6]。

在人們生活環(huán)境中，WiFi或其他2.4 GHz信號(hào)覆蓋比較廣闊，這些信號(hào)能夠?yàn)镽F能量收集提供充足的能量來(lái)源。因此，這種環(huán)境下的RF能量收集技術(shù)得到了很多人的重視。Le T等人研究的接收頻率為900 MHz的RF-DC能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，當(dāng)接收功率為-22.6 dBm時(shí)，能量收集系統(tǒng)可輸出電流為0.3 A，電壓為1 V直流[7]。Ungan等人[8]分別針對(duì)900 MHz和300 MHz的信號(hào)、阻抗為50 Ω的天線，采用肖特基二極管電荷泵整流設(shè)計(jì)射頻能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，當(dāng)輸入功率分別為-26 dBm和0 dBm時(shí)，可獲得直流電壓0.3 V和0.337 V。U.Olgun等人[9]設(shè)計(jì)射頻能量收集裝置，可將2.45 GHz的WiFi信號(hào)能量進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為20 min收集轉(zhuǎn)換，所收集的能源可供室內(nèi)外溫濕度檢測(cè)裝置工作10 min。Kevin M等人[10]設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用提供能量的無(wú)線能量收集系統(tǒng)，收集頻率為2.4 GHz的信號(hào)，發(fā)射功率為1 W，距離接收天線1 m處，僅需要27 s就能夠給傳感器節(jié)點(diǎn)電池充電到3.7 V。Haocheng Hong[11]設(shè)計(jì)用于商場(chǎng)收集系統(tǒng)，在無(wú)線WiFi信號(hào)環(huán)境中，距離接收天線2.4 m射頻能量轉(zhuǎn)換效率為9.76%，距離為40 cm時(shí)，轉(zhuǎn)換效率為33.7%，輸出電壓為1.5～7.36 V。在文獻(xiàn)[12-15]中設(shè)計(jì)適用在無(wú)線局域網(wǎng)或是為WiFi或類似2.4 GHz頻段射頻能量收集系統(tǒng)，設(shè)計(jì)整流電路至少在輸入功率在-20 dBm條件下才可進(jìn)行能量收集。

但是，環(huán)境WiFi信號(hào)通常不能為能量收集系統(tǒng)直接提供足夠的RF能量源，有必要通過(guò)提高天線的靈敏度和轉(zhuǎn)換電路的效率，來(lái)獲取更多的能量。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)WiFi能量收集系統(tǒng)，包括高靈敏度的天線和高轉(zhuǎn)換效率的整理電路，可用于從環(huán)境WiFi信號(hào)中收集微弱的能量，進(jìn)一步的能量收集和存儲(chǔ)研究將能夠?yàn)闊o(wú)線傳感器提供電源。

1 天線設(shè)計(jì)

天線的性能將會(huì)影響捕獲WiFi信號(hào)的能力，天線設(shè)計(jì)是比較關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，所以必須要選擇高靈敏度的天線。微帶天線與常用的天線相比，具有體積小、重量輕、與載體結(jié)合的特點(diǎn)，適合印刷電路工藝的批量生產(chǎn)。因此，WiFi信號(hào)能量收集系統(tǒng)的天線采用微帶天線設(shè)計(jì)，微帶天線工作在ISM頻率(2.4～2.5 GHz)，饋電方式采用微帶線進(jìn)行饋電，介質(zhì)基片選擇Rogers RO4350，其相對(duì)介電常數(shù)為εr=3.66，損耗角正切tanδ=0.003 1，厚度h=1.54 mm。按照矩形天線理論公式得到矩形微帶天線的寬度和長(zhǎng)度(W=40 mm，L=31.5 mm)。微帶天線采用微帶線進(jìn)行饋電，并在微帶線兩側(cè)開(kāi)對(duì)稱槽有利于阻抗匹配，通過(guò)多次仿真對(duì)比調(diào)試，得出最佳的開(kāi)槽尺寸(L1=10 mm，W2=2 mm)。

為了提高收集能量的效率，可以采用增加天線增益的方式即采用天線陣列。本文提出2×2陣列天線，連接采用并聯(lián)饋電的面陣形式。通過(guò)長(zhǎng)度相等、結(jié)構(gòu)對(duì)稱的饋線網(wǎng)絡(luò)連接各陣元進(jìn)行饋電方式，實(shí)現(xiàn)各個(gè)天線單元電流等時(shí)等幅到達(dá)饋點(diǎn)。天線陣列傳輸線采用1/4波長(zhǎng)阻抗變換器和T型結(jié)構(gòu)連接。由于1/4波長(zhǎng)阻抗變換器由多節(jié)組成，傳輸線特性阻抗呈階梯變化，所以只要階梯阻抗變化的足夠慢就能保證足夠的帶寬匹配。天線陣列仿真模型如圖1(a)所示，反射系數(shù)S11和天線增益變化曲線如圖1(b)所示。

圖1 天線陣列

天線陣列通過(guò)T型連接將各個(gè)天線單元收集的能量合并輸出，如圖1(b)所示，當(dāng)反射系數(shù)小于-10 dB時(shí)，反射系數(shù)的頻率帶寬在2.45 GHz(-12.44 dB)和2.47 GHz(-12.64 dB)之間。 在中心頻率為2.48 GHz時(shí)，反射系數(shù)為-68.95 dB，這意味著更小的發(fā)射能量損失，同時(shí)，中心頻點(diǎn)的天線陣增益為12.369 1 dBi。文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)的天線增益為3.6 dBi，對(duì)接收的微弱信號(hào)不太敏感。文獻(xiàn)[17]中使用的能量收集天線，反射系數(shù)最低只有-5 dB，本文設(shè)計(jì)反射系數(shù)最低有-68.9 dB，在天線性能上有很大優(yōu)勢(shì)。

2 整流電路設(shè)計(jì)

在遠(yuǎn)距離能量收集上，從移動(dòng)基站和廣播無(wú)線電塔實(shí)際收獲RF能量需要更高的增益。在短距離范圍內(nèi)，如室內(nèi)無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN或簡(jiǎn)稱WiFi)接入點(diǎn)，可能是用于能量收集的RF信號(hào)的來(lái)源，從傳輸功率為100 mW的典型WiFi路由器收集能量是可能的。由于這種低功率傳輸，環(huán)境WiFi信號(hào)的功率采集需要高效的轉(zhuǎn)換電路。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，文獻(xiàn)[14]提出了基于Greinacher電路的倍壓轉(zhuǎn)換電路，本文對(duì)原有電路做出修改，以獲得更加高的轉(zhuǎn)換效率。為了降低二極管的導(dǎo)通電壓，設(shè)計(jì)了整流電路采用電流整流二極管HSMS285C，它是零偏置低阻肖特基二極管，所設(shè)計(jì)的整流電路如圖2所示。

圖2 整流電路

與文獻(xiàn)[9]中的整流電路相比，電路中的電感被忽略，以提高包括2個(gè)自振部分的電路效率，最終輸出4倍的輸入電壓。即使是低電壓輸入，整流電路也能輸出高電壓。

由于整流電路由非線性元器件組成，其輸入阻抗會(huì)隨幅值和頻率發(fā)生變化。為了能量傳輸?shù)男蔬_(dá)到最高，整流電路輸入阻抗要與RF輸入的阻抗盡量相匹配。天線陣列的輸入功率在-30～-20 dBm的輸入功率時(shí)，其輸出阻抗為50 Ω，整流電路的輸入阻抗也得匹配到50 Ω。通過(guò)調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)的微帶尺寸，實(shí)現(xiàn)整流電路和天線阻抗匹配。匹配電路選擇介質(zhì)基片為Rogers RO4350。整流電路和匹配電路仿真模型如圖3(a)所示，圖3(b)為其PCB圖。

圖3 匹配電路和整流電路

3 能量收集系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量結(jié)果

3.1 天線陣列測(cè)量

天線陣列使用材料為Rogers RO4350根據(jù)PCB的尺寸制作。為了驗(yàn)證天線陣列的最佳工作范圍，需要網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)檢測(cè)天線陣列的阻抗和反射系數(shù)的變化。使用miniVNA Tiny 3G矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量2×2天線陣列的反射系數(shù)S11，天線陣列和相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

圖4 制作的天線陣列和實(shí)際測(cè)量結(jié)果

從圖4(b)中的測(cè)量結(jié)果來(lái)看，所制作的天線陣列的中心頻率為2.43 GHz，相應(yīng)的反射率參數(shù)S11為-52.29 dB。其中反射系數(shù)不低于-10 dB時(shí)，其對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)頻率為2.415～2.453 GHz。

3.2 整流電路測(cè)量

整流電路板的反射系數(shù)S11由網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量，然后將S11與仿真結(jié)果進(jìn)行比較制作的整流電路板和測(cè)量結(jié)果如圖5所示。整流電路的輸入阻抗為50 Ω，與天線陣列的輸出阻抗相匹配，使得天線陣列收集的能量可以傳輸?shù)秸髌麟娐窊p失最小。為了測(cè)試整流電路的轉(zhuǎn)換效率，它使用SMA RF連接器連接天線陣列，整流電路的輸出接口采用間距1.27 mm的連接器。

圖5 整流電路模塊和實(shí)際測(cè)量結(jié)果

整流電路阻抗匹配后的反射系數(shù)S11仿真結(jié)果和實(shí)際測(cè)量結(jié)果如圖5(b)所示，從圖5(b)得出測(cè)得的反射系數(shù)幾乎與理論仿真帶寬相同，實(shí)際測(cè)量在2.41 GHz時(shí)，反射系數(shù)為-38.39 dB。反射系數(shù)小于-10 dB(損失10%)時(shí)，實(shí)際測(cè)得帶寬為2.35～2.45 GHz，對(duì)應(yīng)于最佳的傳輸頻率段。這個(gè)頻率段與天線陣列的工作頻率重疊的比較多，將二者連接后能量收集效率會(huì)比較高。

3.3 能量收集系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量

能量采集系統(tǒng)的實(shí)際輸出電壓使用室內(nèi)WiFi路由器進(jìn)行測(cè)量。其中圖6所示為能量采集系統(tǒng)與能量源距離為2.3 m，能量采集結(jié)果為1 089.916 mV的測(cè)試環(huán)境。

圖6 能量收集系統(tǒng)的測(cè)量

能量收集系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境，在室內(nèi)環(huán)境WiFi條件下，能量收集系統(tǒng)天線陣列距離WiFi源不同距離，同時(shí)使用NetSpot測(cè)量天線接收處WiFi信號(hào)的功率，能量收集系統(tǒng)收集到不同的電壓輸出結(jié)果，輸出的電壓通過(guò)6個(gè)半測(cè)量精度的Agilent 34401A進(jìn)行測(cè)量。在改變能量收集系統(tǒng)和WiFi路由器之間的距離的同時(shí)檢測(cè)輸入功率和測(cè)量輸出電壓，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)換電壓和距離之間的關(guān)系

序號(hào)與發(fā)射源距離/m輸入功率/dBm轉(zhuǎn)換輸出電壓/mV12.3-23108922.6-2582133.0-3074743.5-35310

隨著距離的增加，環(huán)境射頻功率和輸出電壓降低，最小輸出電壓為310 mV，距離為3.5 m。最大輸出電壓為1 089 mV，距離為2.3 m。當(dāng)能量收集系統(tǒng)靠近WiFi路由器時(shí)，輸出電壓將會(huì)增加。測(cè)量結(jié)果表明，能量收集系統(tǒng)可以有效地從WiFi信號(hào)中收集能量。

同時(shí)，由于天線陣列和簡(jiǎn)化的整流電路，能量采集系統(tǒng)的效率得到了提高，即使環(huán)境射頻功率為-35 dBm，系統(tǒng)也能輸出310 mV。然而，文獻(xiàn)[16]采用7階段的倍壓整流電路作為能量轉(zhuǎn)換電路，由于比較多的倍壓電路就意味著更多的能量會(huì)被電路消耗，所以最大輸出電壓只有30 mV。文獻(xiàn)[18]采用整流電路6級(jí)倍壓電路，當(dāng)輸入功率為-20 dBm時(shí)，輸出電壓為816 mV。因此，當(dāng)考慮能量轉(zhuǎn)換效率時(shí)，所提出的系統(tǒng)更有效。

盡管能量收集系統(tǒng)更加高效，但天線的大尺寸并不適合為無(wú)線傳感器供電，進(jìn)一步的研究可能會(huì)使高增益天線的尺寸最小化。然而，這項(xiàng)研究可以為高能效的WiFi能量收集系統(tǒng)提供有價(jià)值的方案。在實(shí)際的測(cè)試中，如果連續(xù)對(duì)電容充電(0.2 mF)，則需要20 min才能充電780 mV，節(jié)省了60.84 mJ。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)射頻微能量收集技術(shù)，提出了一種更有效的環(huán)境WiFi能量收集系統(tǒng)，通過(guò)優(yōu)化接收天線性能和改進(jìn)整流電路參數(shù)的方法，來(lái)提高射頻能量收集系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。經(jīng)過(guò)仿真、測(cè)試和對(duì)比可以看出，采用天線陣列和改進(jìn)的整流電路，WiFi能量收集系統(tǒng)天線陣列對(duì)捕獲射頻信號(hào)能力更加靈敏，整流電路對(duì)RF-DC轉(zhuǎn)化效率更加高效。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)境WiFi能量采集系統(tǒng)的最佳工作距離小于3.5 m，輸出電壓大于300 mV。將來(lái)可設(shè)計(jì)充電管理單元，把收集的射頻能量存儲(chǔ)于可充電池或超級(jí)電容，為無(wú)線傳感器等低功耗系統(tǒng)提供能量。

[1] BANDYOPADHYAY S，CHANDRAKASAN A.Platform Architecture for Solar，Thermal，and Vibration Energy Combining with MPPT and Single Inductor[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2012，47(9)：2199-2215.

[2] MOURE A，RODRIGUEZ MAI，RUEDA SH，et al.Feasible Integration in Asphalt of Piezoelectric Cymbals for Vibration Energy Harvesting[J].Energy Conversion and Management,2016(112)：246-253.

[3] FU Hailing，YEATMAN E M.A Methodology for Low-speed Broadband Rotational Energy Harvesting Using Piezoelectric Transduction and Frequency Up-conversion[J].Energy，2017(125)：152-161.

[4] PARADISO J，STARNER T.Energy Scavenging for Mobile and Wireless Electronics[J].IEEE Pervasive Computing，2005，4(1)：18-27.

[5] SHAIKH F K，ZEADALLY S.Energy Harvesting in Wireless Sensor Networks：A Comprehensive Review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2016(55)：1041-1054.

[6] GHOSH S，CHAKRABARTY A.Dual Band Circularly Polarized Monopole Antenna Design for RF Energy Harvesting[J].IETE Journal of Research，2016，62(1)：9-16.

[7] MAYARAM L T K，F(xiàn)IEZ T S.Efficient Far-field Radio Frequency Power Conversion System for Passively Powered Sensor Networks[C]∥IEEE Custom Integrated Circuits Conference (CICC)，2006：293-296.

[8] UNGAN T，REINDL L M.Harvesting Low Ambient RF-sources for Autonomous Measurement Systems[C]∥IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference，2008：1091-5281.

[9] OLGUN U，CHEN C，VOLAKIS J.Design of an Efficient Ambient Wi-Fi Energy Harvesting System[J].In IET Microwaves，Antennas & Propagation，2012，6(11)：1200-1206.

[10] FARINHOLT K M，PARK G，F(xiàn)ARRA C R.RF Energy Transmission for a Low-power Wireless Impedance Sensor Node[J].IEEE Sensors Journal，2009，9(7)：793-800.

[11] HONG Haocheng，CAI Xiuzhang，SHI Xu.Demonstration of a Highly Efficient RF Energy Harvester for Wi-Fi Signals[C]∥Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT)，2012 International Conference on，2012：1-4.

[12] HUANG Y，SHINOHARA N，TOROMURA H.A Wideband Rectenna for 2.4 GHz-band RF Energy Harvesting[C]∥Wireless Power Transfer Conference (WPTC)，2016：1-3.

[13] CURTY J P，JOEHL N，KRUMMENACHER F，et al.A Model for Power Rectifier Analysis and Design[J].IEEE Trans，Circuits System，I，Reg，2005，52(12)：2771-2779.

[14] OLGUN U，CHE C C，VOLAKIS J L .Low-profile Planar Rectenna for Batteryless RFID Sensors[J].Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI)，2010，45(2)：1-4.

[15] JABBAR H，SONG Y S，JEONG T T.RF Energy Harvesting System and Circuits for Charging of Mobile Devices[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics，2010，56(1)：247-253.

[16] KADIR E A，HU A P，BIGLARI-ABHARI M，et al.Indoor WiFi Energy Harvester with Multiple Antenna for Low-power Wireless Applications[C]∥Industrial Electronics (ISIE)，IEEE 23rd，2014：256-530.

[17] GUDAN K，CHEMISHKIAN S，HULL J J，et al.A 2.4 GHz Ambient RF Energy Harvesting System with -20 dBm Minimum Input Power and NiMH Battery Storage[C]∥RFID Technology and Applications Conference (RFID-TA)，IEEE，2014：7-12.

[18] KITAZAWA S，BAN H，KOBAYASHI K.Energy Harvesting from Ambient RF Sources[C]∥Microwave Workshop Series on Innovative Wireless Power Transmission：Technologies，Systems，and Applications (IMWS)，2012：39-42.