一、 引言

　　近年來，無線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks， WSN）在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，如災(zāi)害管理、基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控等。目前，電池仍然是傳感器節(jié)點(diǎn)的主要電源，但隨著傳感網(wǎng)絡(luò)分布的環(huán)境更廣泛、更復(fù)雜，電池的維護(hù)和更換將成為一個(gè)非常棘手的問題。

　　另外，隨著微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System， MEMS）及低功耗電子技術(shù)的進(jìn)步，市場上出現(xiàn)了越來越多的小型、低能耗的手持移動(dòng)設(shè)備。相應(yīng)地，這些設(shè)備需要緊湊、低能耗和重量輕的能量供應(yīng)方式。而過去十多年，電池在能量密度和體積方面的進(jìn)步并不明顯，限制了這些電子產(chǎn)品的適用范圍。

　　另外，電池本身壽命有限，也會(huì)造成環(huán)境污染。這些問題使得人們開始關(guān)注并尋找電池的輔助或替代方案，即一種可持續(xù)、無需人工維護(hù)、對環(huán)境友好的供電方式。其中，能量收集技術(shù)在近幾年受到了人們的廣泛關(guān)注。

　　能量收集（Energy Harvesting）是一種將環(huán)境周圍分布式能量進(jìn)行收集并轉(zhuǎn)換成可使用電能的技術(shù)。其中可收集的分布式能量有太陽能、熱能、振動(dòng)和電磁波等多種形式，這些分布式能源的功率密度及可收集的水平如表1所示。

　　目前，能量收集主要應(yīng)用于無線傳感器、植入體內(nèi)醫(yī)療設(shè)備、軍事監(jiān)控設(shè)備、偏遠(yuǎn)地區(qū)天氣站、計(jì)算器、手表、藍(lán)牙手持設(shè)備等。已有文獻(xiàn)對能量收集技術(shù)進(jìn)行了概要的分類介紹。

　　表1 不同能源形式的分布和可收集功率密度

　　二、 基本結(jié)構(gòu)和工作原理

　　電磁能量收集的基本結(jié)構(gòu)有兩種。第一種結(jié)構(gòu)如圖1b所示，由整流天線、DC/DC變換器、儲(chǔ)能元件、負(fù)載及功率管理單元組成。其中整流天線如圖1a所示，由接收天線與二極管整流器組成，收集入射的電磁波，并轉(zhuǎn)換為直流。整流器兩側(cè)的高頻濾波器和直流濾波器是為了利用寬頻諧波，提高功率轉(zhuǎn)換效率。

　　由于整流天線輸出的電壓很低，不能直接向負(fù)載供電，因此需要DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)升壓。根據(jù)升壓比例需求，可以使用Boost電路或Flyback升壓電路等。儲(chǔ)能元件一般為電容、電池、超級電容等。而負(fù)載則根據(jù)具體的應(yīng)用，有傳感器節(jié)點(diǎn)、電池、溫濕度測量儀等。

　　功率管理單元往往起到調(diào)節(jié)負(fù)載、保證高電壓增益以及最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）等功能。

　　第二種結(jié)構(gòu)如圖1c所示，由接收天線、阻抗匹配單元、RF/DC整流器和負(fù)載組成。由于采用了阻抗匹配，這類結(jié)構(gòu)允許相對獨(dú)立的天線和整流器設(shè)計(jì)。RF/DC整流器除了實(shí)現(xiàn)整流之外，往往也要提高輸出電壓，因而多采用電壓倍增電路。

　　圖1 電磁能量收集基本結(jié)構(gòu)

　　3.2 天線設(shè)計(jì)

　　在電磁能量收集系統(tǒng)中，接收天線直接決定了可收集到的電磁功率。目前的研究工作中多采用微帶貼片天線，基本的微帶天線是由帶導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上貼加導(dǎo)體薄片形成[36]，簡單的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

　　圖4 矩形微帶貼片天線結(jié)構(gòu)示意圖

　　3.2.2 小型化

　　對于微帶貼片天線，其尺寸通常為工作波長的一半。在低頻場合，半波長的尺寸將不利于實(shí)際應(yīng)用。而便攜式無線設(shè)備的普及，也對天線的小型化提出了更高的要求。

　　目前已有多種實(shí)現(xiàn)微帶天線小型化的方法，包括使用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板，在基本的貼片形狀基礎(chǔ)上做改動(dòng)，將貼片與地層短路以及這幾種方法的聯(lián)合設(shè)計(jì)。這幾種方法可以有效減小接收天線的尺寸，但同時(shí)也會(huì)帶來一些其他問題。

　　使用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板，會(huì)降低帶寬，同時(shí)增加成本和損耗。改變貼片形狀會(huì)導(dǎo)致部分貼片區(qū)域不能得到有效利用。將貼片與地層短路，會(huì)造成交叉極化效應(yīng)，降低帶寬。

　　除了以上幾種方式外，最近也有文獻(xiàn)采用折疊貼片的方式，在降低尺寸的同時(shí)，保證較高的帶寬。文獻(xiàn)采用將矩形貼片折疊成兩層的方式，降低了天線的尺寸，并通過在地層開槽，實(shí)現(xiàn)了整體尺寸29%的下降。

　　3.2.3 陣列化

　　天線陣列可以有效增加收集電磁波的接收面積，在入射功率密度較低的情況下，提高所收集的電磁功率。

　　文獻(xiàn)比較了兩種利用接收天線陣列的系統(tǒng)方案，如圖7所示。方案1采用在射頻端將天線陣列組合，只需一個(gè)反饋網(wǎng)路及相應(yīng)的整流電路，系統(tǒng)簡單。而且由于所有射頻功率集中到一個(gè)整流電路，可以提高整流效率，但對電磁波的入射角敏感。

　　而方案2為每個(gè)天線單元設(shè)置獨(dú)立的整流電路，再在直流端進(jìn)行組合，減弱了天線單元間的耦合，對入射角度不明顯，適用于分布式的電磁能量收集以及基于整流天線的收集系統(tǒng)。另外，針對整流天線的陣列方案比較了串聯(lián)、并聯(lián)和級聯(lián)三種方案，如圖8所示。結(jié)果表明級聯(lián)方案更適于低功率場合。

　　圖7 天線陣列電磁能量收集系統(tǒng)

　　3.3 整流電路設(shè)計(jì)

　　整流二極管是整流電路中的關(guān)鍵部分，主要影響整流效率。對幾種主要的整流二極管的歷史和發(fā)展現(xiàn)狀作了詳細(xì)的闡述，并指出技術(shù)最為成熟的肖特基二極管在目前以及今后的幾十年里將在電磁能量收集中扮演重要的角色。

　　與此同時(shí)，隧道二極管、金屬-絕緣體-金屬（Metal-Insulator-Metal， MIM）二極管、自旋二極管等技術(shù)雖然尚不成熟，但在整流性能或成本等方面都比較有競爭力。

　　對整流電路拓?fù)涞难芯恐饕槍Ρ秹赫麟娐贰７治稣麟娐冯A數(shù)對電壓增益和整流效率的影響。在不同的入射功率等級下，整流電路的最優(yōu)階數(shù)也不同。據(jù)此設(shè)計(jì)了兩個(gè)不同階數(shù)的整流電路，根據(jù)入射的電磁功率等級做切換，使系統(tǒng)在-20～20 dBm的功率范圍內(nèi)可以有效收集。

　　通過在倍壓整流電路前加入LC諧振電路（圖9），提高整流電路輸入側(cè)的射頻信號(hào)的幅值，在只用了兩階電壓倍增電路的情況下，實(shí)現(xiàn)了23倍的電壓增益。提出利用石英晶振代替圖9中的電感L，可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量因數(shù)，在保證電壓增益的條件下減小損耗。

　　利用源牽引的方法，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)多枝節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)，在2.1 GHz和2.45 GHz實(shí)現(xiàn)了雙頻整流。提出了一個(gè)級聯(lián)式的整流電路，如圖10所示。通過調(diào)節(jié)電感L2，L3和L4實(shí)現(xiàn)了可同時(shí)工作在940 MHz，1.95 GHz和2.44 GHz三個(gè)頻段的整流電路。利用源牽引（source pull）的仿真方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)三階傳輸線低通匹配網(wǎng)絡(luò)，在輸入功率為25 mW，頻率范圍0.78~1.43GHz內(nèi)，效率超過了50%。

　　圖9 帶諧振電路的射頻整流電路

　　3.5 應(yīng)用研究

　　國外一些高校和企業(yè)已經(jīng)對電磁能量收集進(jìn)行了較為廣泛和深入的研究，雖然目前尚未有商業(yè)化的應(yīng)用，但已有不少研究工作將注意力放在了實(shí)際應(yīng)用上。

　　電磁能量收集的主要應(yīng)用是向無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電。大多數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)在睡眠模式消耗幾十微瓦，在工作模式消耗幾百微瓦。功率等級基本符合電磁能量收集的收集水平，特別是傳感器節(jié)點(diǎn)本身允許間歇性工作，非常適合使用能量收集。

　　目前已有許多文獻(xiàn)概述了這方面的研究工作。文獻(xiàn)[16]提出了圖13所示的系統(tǒng)框圖，并對各部分的效率進(jìn)行了分析。進(jìn)一步分析了系統(tǒng)的三種運(yùn)行模式：啟動(dòng)模式、睡眠模式和工作模式間的相互關(guān)系和切換策略，并對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

　　如何在低輸入功率的條件下提高傳感器工作的占空比是傳感器應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵問題，考慮了電容的漏電流效應(yīng)，提出一種自適應(yīng)的占空比控制方法，提高了系統(tǒng)的效率。

　　其他針對電磁能量收集的應(yīng)用研究還有無線通信以及向一些小功率電子設(shè)備供電，如溫濕度測量儀等。

　　圖13 電磁能量收集供電的傳感器系統(tǒng)框圖