一款2.4GHz～2.5GHz 的RF 能量收集系統設計*

嚴 莉

（荊州學院 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境中的信息和通信技術。因此，無線傳感器網絡（WSN）中的公共接入終端具有許多改善人們生活的應用。特別是，無線傳感器網絡越來越多地應用于多種應用中，包括結構監測、居住監測、健康監測和物聯網環境等。無線傳感器網絡部署中的一個主要限制是它的能量依賴性，傳感器節點是電池供電的，在某些情況下，更換電池或給電池充電等相關維護操作可能代價高昂。對于物聯網（在建筑物監控中）等應用，電池更換可能是不現實的。最近，能量收集技術包括將一次能源（即光、振動、氣流、電磁波、熱量）轉換為直流能源（傳感器節點可直接使用）被視為電池充電的解決方案。

近年來，能量回收（EH）技術因其能有效延長低功耗電子產品的使用時長而廣受關注［1～3］。EH技術可在能量受限的應用場景如無線傳感器網絡中發揮重要作用。無線傳感器網絡由傳感器節點組成，傳感器節點之間可以進行無線通信，并且可以連接到互聯網［4～5］，由微處理器、傳感器模塊、無線收發器和清量級電源（如微型電池）構成的傳感器節點，其電池的有限能量決定了無線傳感器網絡的性能［6～7］，而且傳感器節點的電池在一些環境下更換往往不便捷或完全不可行。實際上，能量可以從環境中的能源中獲取，如太陽能、熱能、振動和射頻（RF）能源。與其他能源相比，射頻能量采集技術具有低成本和高可用性的主要優點［8～9］，由于無線電波的場傳播特性，在家庭自動化、醫療保健、監控、交通運輸等實際無線傳感器網絡應用中，無線電波信號可以廣泛應用于傳感器節點的供電。在文獻［10］中，報告了射頻信號的能量收集，并對天線進行了有效的設計。隨著工業的高速發展，集成電路的技術也在不斷進步，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用于傳感器。隨著無線通信和微電子電路的技術發展，無線電波信號分布廣泛，特別是商業圈、學校、寫字樓等，處處充滿種類繁多的無線通訊產品。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點的優秀資源。本文設計一款高效率的能量收集系統，可有效收集周圍WIFI能量。

2 天線設計

天線作為RF 能量收集系統的輸入端，決定了能量收集系統的功率，因此天線必須設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、易于批量生產等優點［11］，并在軍事和民用上都有應用。RF 能量收集系統的天線采用微帶天線設計，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 能量收集系統的天線是設計制作一種針對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、線路板生產成本低、損耗低等優點。RO4003B 的相關參數如下。其相對介電常數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 對天線參數進行優化，比較各參數下的仿真結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行饋電，在微帶線兩側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，并采用對稱饋電網絡，設計平衡的功率分配器，對各天線單元進行饋電，保證每個單元電流在相等的時間和幅度內達到輸出饋電點［13］。在ADS2018 中天線仿真陣列版圖及實際測量天線反射系數S11分布如圖1所示。在頻率為2.4153GHz 時，反射系數為-30.908，且在頻率輸 入 范 圍2.4GHz～2.5GHz，反 射 系 數S11 均 不 高于-10dB，滿足設計要求。

圖1 天線陣列設計仿真圖及實測S11分布圖

3 阻抗匹配與整流電路

3.1 整流電路設計

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換為DC。文獻［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所收集的能量是交流且微弱的，因此倍壓整流電路的設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行整流并倍壓。 HSMS 系列二極管極小傳導損耗，開關損耗可以忽略不計。 本文采用HSMS-2856C。設計好倍壓整流電路。如圖3（a）所示，在ADS 中仿真當前的輸出阻抗如圖3（b）所示，阻抗值為25.634+j58.169。

圖3 倍壓整流電路的設計與仿真圖

3.2 阻抗匹配設計

阻抗匹配是實現信號由接收天線端到負載的能量傳輸，并達到最小的損耗功率，如果匹配網絡設計復雜，必定會造成過多能量的損耗，文獻［17～18］闡述了匹配的復雜度在一定程度上造成的能量損耗，因此本文設計一種阻抗匹配，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元件匹配電路。分布參數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載。圖4（b）為Smith 圓圖進行阻抗匹配，4（c）為S11 分布圖，可知在2.4GHz～2.5GHz 范圍內S11 均小于-10db，在2.412GHz 時，S11 能達到-28.715db，滿足設計要求。

圖4 Smith圓圖工具進行阻抗匹配

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 能量收集系統測試

能量收集系統測試使用室內WiFi 路由器作為輸入，實際測量結果如圖6（a）所示，能量采集系統與能量源距離大于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 實際加工樣品測試

5 結語

本文設計了一款針對2.4GHz～2.5GHz 的RF 能量收集系統，包括微帶天線、阻抗匹配電路、四倍壓整流電路，并設計了一種阻抗匹配電路，使其電路簡單，減少內耗；并進行了打樣測試，通過收集周圍的射頻能量，有效轉化為直流電壓，實現了預期設計目標，使系統輸出直流電壓高達1.628V。今后將重點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，以促進RF 能量收集系統可便攜式使用并能及時知曉能量存儲剩余量。