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自供能独立传感器平台用环境射频能量收集技术

摘要

在本文中，我们细致的评估了多种环境能量收集技术（太阳能、热能、无线电能量和压电能）并且讨论了它们在应用于自供能无线平台的适应性。特别的，我们非常细致地研究了远场低能量密度能量收集技术，并且成功地实现了用环境中的超高频的数字电视信号（512-556MHz）为嵌入式微处理器驱动的传感器平台供能，广播天线距被测无线集能装置6.3千米。我们制作了一个用在915MHz和2.45GHz的高效率的双频带环境能量收集装置和一个用在460MHz的穿戴用的能量收集装置也证实了环境中的超高频、射频收集是一项可以用于物联网和智能穿戴设备的技术。

关键词:环境能量收集；自治传感器；电荷泵；数字电视；双频带整流二极管天线；嵌入式微处理器；能量收集；电能收集；射频能量收集；射频-直流转换；超高频；电压放大器；无线能量

1.概述

对于我们今天的低功耗的用于智能环境（诸如物联网、智能蒙皮和智慧城市等等）的电子设备来说，环保自供能是一个非常重要的功能。能量收集技术收集从环境中的能量源，比如运动、热量和电磁波，最近这项技术引发了广泛的关注，并且很多涵盖了能量收集装置、网络拓扑结构和电路方面的能量收集系统已经被研制出来，它们是无需电源的自供能独立电子设备。在多种环境中存在的能量源中，由于无线信号变多，比如电视、广播、手机、卫星和WiFi信号，无线能量收集技术的应用在近年来，尤其是20世纪90年代以来，发生了引人注目的增长。无线能量收集的概念是由尼古拉·特斯拉和海因里希·赫兹提出来的：向自由空间发射无线电能量，再把无线电功率转化为可以使用的直流功率。在这个无线能量传输的概念中，不需要运动、压力或者是热流动来产生能量。

现在无线能量传输和收集主要有两种类型：近场系统和远场系统。近场无线能量传输系统使用电磁感应或磁共振来无线地传输功率，并且，在一个波长的范围内，它常常有着80%以上的高传输效率，相应的，一个作用范围更远的感应式无线能量收集系统也被开发出来。在近场范围内（距离小于0.1倍的波长），电磁能量以60dB/dec的速度衰减，因此，这种方法适合于短距离能量传输和收集系统。使用四线圈结构的强耦合磁共振最近由于其高传输效率并且其范围增大到几米的特点，引起了人们的研究。对于远场能量收集系统来说，能量收集装置是利用天线对远处发来的电磁波进行收集，并且用基于二极管/晶体管的电路（比如整流器和电荷泵）进行射频到直流的转换。一些记录中的远场无线能量收集系统使用了一种指令波束成型技术来了解无线电波发射源的方位，以此来收集更多的能量。同时还有很多能量收集系统使用在发射源方向未知或其位置随时间变化的情况之下，使用全向天线来进行能量收集。其特点是显著降低了收集到的功率密度。

在本文中，我们介绍了那些广泛应用的环境中存在的能量源的特性，比如太阳能、热能、无线电能和压电能。它们的在环境中的可获得的能量密度等级、输出功率的效率、价值以及它们各自的优缺点等都会详细的讨论。记录的用于低功耗独立电子设备的远场环境无线能量收集技术也在众多的能量收集技术中做了讨论。环境无线能量收集技术的有效性已经通过为实际的低功耗嵌入式电子设备系统（比如一个传感器节点或者一个微处理器）提供电获得了证实。我们展示了一个在超高频数字电视频带和一个工作在915MHz和2.4GHz的ISM频段的双频带无线能量收集系统来作为远场不定向电磁波能量收集的设计范例。展示出的所有的无线能量收集系统都已经成功地在1uW/cm2或者更低的超低能量密度的环境下实现了能量的收集。最后，对用于可穿戴电子设备的近场能量收集装置进行了介绍。

1. 环境射频能量收集技术
2. 环境中的能量源

表1 可获得的环境能源

在自然中，存在着很多可以获得的可再生能源。被广泛使用的环境能量已经在表1中列出。太阳能是应用最广泛的能量的一种，其特点是功率高。在白天，太阳能有着100的高功率密度和30%的转换效率。一块太阳能电池板还能以混在模式和其他种类的能源一同使用。由二十世纪五十年代，第一块基于硅的太阳能电池板被展示出以来的60多年来，光伏技术已经发展了60多年，其物理特性（灵活性和耐久性等）和电特性（效率和输出电压等）一直在提升。能获得的功率的多少是由太阳嫩电池板的尺寸决定的，可以通过调整电池板的大小来产生不同的电压和电流值。然而，由于其只有10%到40%的低转换效率，一块太阳能电池板需要相对来说更大的面积来收集足量的太阳能，并且，为了收集太阳能，对太阳能电池板的朝向也有着严格的要求。由于缺乏光源，在阴天和晚上这种收集方式也会很低效。

以热能作为能源也被广泛的使用。电能由热电设备的温差依靠热电效应直接产生，比如塞贝克效应和汤姆孙效应。通过相反的方式，当给热电材料提供一定电压时，它会产生一个温差。除了用于能量收集，热电效应还可以用于温度传感器。一般，在18摄氏度到26摄氏度的室内以人体为热源时，一个热电产生器可以产生20-60的能量密度。热电装置可以在有温差或者是有热流动流过它们的时候一直工作，但是与其他能量收集装置比如太阳能电池相比，它们通常很死板和笨重。热电能量收集设备通常需要一个较大的体积来产生足够用的能量。

压电效应从机械应变中产生电压和电流，比如震动和形变。一般的压电能量收集装置可以在有持续机械运动，比如噪声和风，时一直产生能量。或者它们也可以有间歇性的运动，比如人类运动（走路或者点击一个按钮等等），断断续续地产生能量。一般压电材料的输出功率密度值在250左右，但是在运动或形变加剧的时候产生更多能量。压电能量收集装置和压电式转换器是一项比较发达的技术，因此有很多这种的能量收集模块被报道出来。相比于其他的能量收集装置来说，压电能量转换器的体积相对来说更加轻小，因为一个小的晶体结构已经能够产生足够的能量了。但是，基于压电效应的能量产生器的输出在不规则运动，比如人类运动，作为驱动力的时候有一个很大的动态范围。产生的能量通常由高电压和低电流组成，这导致了其低效率。同时必须要使用稳压电路保护电路不过压。

相比于其他能源，环境射频能量有着较低的能量密度，大约在0.2到1左右。但是可以通过高增益的天线来收集更多的能量。由于无线通讯和广播设施的持续增加，比如模拟/数字电视、AM/FM广播、WiFi网络和手机网络，环境中存在的和可收集的无线能量密度也在持续增长。在闹市和能量源（比如电视塔）附近的环境射频能量密度通常比较高。无线射频能量收集技术在给那些在部署在很难换电池的地方的无线网络的电池无线充电或者是为传感器无线供能的时候会非常有用。它在无线网络部署在人们很难到达的地方是也非常有用，而且只要有最小限度的环境能量，它可以在任何时候和任何拓扑结构下工作。环境射频能量收集系统很容易和不同种类的天线以及其他能量收集技术整合起来，比如太阳能电池。由于能量密度非常低，且射频到直流的二极管转换效率非常低，当能量收集装置距无线发射源很远的时候，利用环境射频能量就变得非常有挑战性。但是通过合理的优化系统的工作周期（一般在6%-8%以下），收集到的射频能量还是可以被利用。由于输入功率的水平非常低（由-20dBm到-30dBm），射频到直流转换电路（比如电荷泵和整流器）的效率在10%-30%之间。但是收集到的射频能量可以产生1.8-4V的电压和大约100的转换功率。这个功率水平已经足够让一个有电池辅助的传感器工作一段很长的时间（通常大于5年）了。收集到的射频功率会随着天线增益和环境能量密度的升高而升高。因为射频到直流转换电路的效率会随着整流电路的输入功率提高而提高。

一个标准的能量收集驱动的无线传感器设备的大致结构如图所示。转换器或者换能器可以把环境中的能量形式转化为直流能量并储存进存储设备中，比如电池或者电容。能量管理单元通过匹配和优化任务周期来以功率效率优化的方式来优化收集到的功率级。主电源，比如电池，的生命周期可以通过引入间歇性为主电源进行高效充电或者作为副电源的能量收集系统来延长。当能够收集到足够多的能量来驱动整个系统的时候，主电源也可以被去掉来实现一个自供能的（不需要电池的）自动系统。

B. 相关工作

很多远场无线能量收集相关的研究已经被报道出来，如表2所示。由于有着不同的衰减率，远场辐射能量相对于近场耦合感应能量来说能够传播一个相对更远的距离。远场能量以20dBm/dec的速度衰减，这一速率相对近场能量来说要小得多。很多报道出的研究工作都是利用CMOS技术来在超高频射频识别的频带利用传统的射频识别标准来收集能量。那些基于CMOS技术的收集器比那些板级的设计更加紧凑，但是，一旦设计定下来，在多输入频带和多输入能量能量等级的优化就会变得非常困难。在这一部分中，我们会讨论最近有人在研究的远场环境射频能量收集的板级的设计。

表2 相关工作

使用传统的射频识别标准的板级的能量收集系统在文献[31]和文献[32]中进行了论述，并且它们在收集862-928MHz的RFID频带内的单音信号方面进行了优化。他们使用RFID的阅读器作为能量源，它有2-4W的等效全向辐射能量，并且可以在4-5米的中距离工作。基于射频识别的射频能量收集系统的灵敏度已经通过引入电荷泵电路提高到了-14dBm以下。然而，这一灵敏度并不足以收集实际环境中存在的有远距离能量源比如电视、广播或者收集频带所产生的无线能量。

收集远离射频源的环境信号的无线能量收集设备在文献[15]、[30]、[33]到[36]有记载。文献[30]中提出了一种有用于手机1.96GHz频带的直流到直流转换网络的整流器。这种射频到直流的转换在输入功率在-15dBm（30）以上的时候效率高于60%，并且射频源与收集器之间相隔50米，与其他相似的收集器相比稍短一点。收集到的射频能量用于给一个锂电池充电。在闹市区的高无线能量密度也在文献[34]到[36]中被考虑作为能量源。无线信号，比如电视、手机、GSM和广播信号分布在闹市区的各个频段，然而它们的能量都只有-40dBm这么低。多频带天线、优化的二极管整流天线和每个频带的能量管理模块都被设计出来并整合起来来高效地收集射频能量。在这些研究工作中，一个装载了磁性材料的天线被用来收集能量。文献[33]到[36]的研究工作中演示了不用电池给预设的低功耗系统，比如通讯系统和广播系统，进行供电的可行性。最近，在文献[15]和[30]中演示的收集超高频带的环境数字电视信号并且自供能运行的传感器系统。在这份研究工作中，一个高增益宽带天线被用来收集足够多的能量来为一个嵌入式微处理器或者一个传感器供电，来实现真正的独立运行。在距数字电视广播站6.3Km的地方，512-566MHz的数字电视信号被收集、整流并储存到一个电容中，来驱动嵌入式系统。调整电荷泵电路来进行整流并由超高频带的环境射频能量（小于-25dBm）产生1.8-3.3V的电压。

1. 能量收集的商用产品

有几种环境能量收集的商用产品在表3中列出。它们通常是小型化的集成电路设计并且使用CMOS技术来最小化静态电流。静态电流的定义不同于输入电流和输出电流这些与转换效率有直接关系的电流。低静态电流或漏电电流对于低能量密度，比如射频和热能源，收集有着非常重要的作

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