无线能量收集系统
无线射频能量收集系统设计
无线射频能量收集系统设计杨涛，刘兴，李健，周洋（国网江西省电力有限公司信息通信分公司，江西南昌330096）摘要：微型电子设备供电方式仍是以电池为主，更换电池带来的困难使这些设备无法长久运行，无线射频能量技术为低功率微电子设备的供电提供了一种新的方式。
文中设计了一套接收2.4GHz射频信号的射频能量收集系统，该系统主要由微型贴片天线、阻抗匹配电路、整流升压电路和存储电路构成，利用ADS仿真工具验证了系统设计的可行性，当负载电阻在100kΩ，输入功率在-10dBm-5dBm之间时，能量转换效率均在30%以上，可实现低功率微电子设备的持续供电。
关键词：射频能量收集；接收天线；阻抗匹配电路；整流升压电路中图分类号：TM461.3文献标志码：B文章编号：1006-348X（2021）04-0016-050引言随着无线通信技术的迅速发展，便携式和分布式无线设备应用越来越普及，如何为这些设备提供稳定可靠的电源正成为限制无线设备应用和普及的问题之一。
无线射频能量收集技术的发展为低功率无线设备的供电提供了一种新的方式。
无线射频能量收集系统既可以收集环境中的射频信号，也可以收集特定发射器产生的射频信号。
文献[1]设计了一种基于超宽带阿基米德螺旋天线和半波乘法器电路的射频能量收集系统，在0dBm的输入功率下得到了30%的整流效率，且得到的输出电压及功率均可满足低功耗设备的工作需求，但是仍然避免不了能量收集系统体积过大的问题。
文献[2]设计了一个以4-RF频带天线为接收天线的射频能量收集系统，该系统同时从GSM900（全球移动通信系统）、GSM1800、UMTS（全球移动通信系统）和WiFi频段获取能量，在4个射频波段均匀分布的10dBm累计输入功率下，能量转换效率为62%，在5.8dBm时达到84%，但是该系统的天线体积过大的问题仍然存在。
一些最近的非常先进的研究[3-6]，采用CMOS的方案进行射频能量收集系统的设计；文献[7]已经实现在输入功率1MW的情况下转换效率高达74%，通过从外部给所述电路供电，并在CMOS配置中使用自体偏置技术来改变阈值电压并更快地打开晶体管，然而，在整流电路中已经达到高效率的方案没有使用真正的无源配置。
RF能量收集系统的设计与优化
RF能量收集系统的设计与优化随着无线通信技术的不断发展，射频（RF）能量收集技术也越来越受到人们的关注。
RF能量收集系统具有很强的适应性和灵活性，可以应用于无线电能传输、传感器网络、物联网等领域。
本文将介绍RF能量收集系统的设计及其优化方法。
一、RF能量收集系统的基本原理RF能量收集系统主要包括天线、整流电路、滤波电路、电容、电池等组成。
其中，天线是收集RF信号的关键部件，整流电路则是将收集到的RF信号转换为直流电能的核心部件。
RF能量收集系统的基本原理是通过天线感应周围的RF信号，将其转化成电流，然后将电流通过整流电路转换为电压，最后存储至电容或电池。
整个过程可以简单地描述为：收集、整流、存储。
RF能量收集系统可以利用环境中的RF信号对无线设备进行供电，减少或消除电池更换的需求，从而降低维护成本。
二、RF能量收集系统的设计要点1. 天线设计天线的设计是RF能量收集系统的关键，其性能直接影响整个系统的收集效率。
天线的选择应该考虑到天线的尺寸、阻抗匹配、频率响应等因素。
常见的天线类型包括：微带天线、PCB天线、陶瓷天线等。
2. 整流电路设计整流电路是将收集到的RF信号转换为直流电能的核心部件。
一般采用电荷泵整流电路或整流桥电路。
电荷泵整流电路适用于低功率、低压的应用；整流桥电路适用于高功率、高压的应用。
3. 滤波电路设计滤波电路的主要功能是滤去天线感应得到的噪声信号，减少电路的干扰和噪声。
常见的滤波电路包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。
4. 电容和电池设计电容和电池的选择应该考虑整个系统的功耗、负载电流和储能需求。
对于充电电容，应该选择电容性能好、充电时间短的电容器；对于储能电池，应该选择放电性能好、自放电率低的电池。
三、RF能量收集系统的优化方法1. 天线增益优化天线增益是指天线感应周围RF信号的能力。
增加天线增益能够提高系统的收集效率。
常用的优化方法包括选择合适的天线尺寸与类型、增加天线密度等。
应用于无线传感网的能量收集系统关键电路
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能量管理模块
传感节点
负责管理和优化能量的存储和使用，确保 传感节点的持续供电。
负责监测和传输数据，通过无线方式与网 关进行通信。
硬件设计
01
硬件设计概述
硬件设计包括传感器选择、微控制 器、电源管理电路等。
微控制器
选择具有低功耗、高性能的微控制 器，用于数据处理和控制。
03
02
传感器选择
根据应用需求选择合适的传感器， 如温度、湿度、压力等。
研究内容与结构
研究内容：本研究旨在开发一种应用于无线传感网的 能量收集系统关键电路。具体研究内容包括：高效能 能量收集器的设计与优化、能量管理电路的研究与设 计、系统集成与测试等。
研究结构：本研究共分为五个部分。第一部分为引言， 介绍研究背景、意义、国内外研究现状及研究内容与结 构。第二部分为高效能能量收集器的设计与优化，主要 涉及太阳能、风能等能量收集器的原理、设计方法及优 化策略。第三部分为能量管理电路的研究与设计，重点 探讨能量储存、转换及管理电路的设计与实现。第四部 分为系统集成与测试，包括能量收集系统关键电路的集 成、测试平台搭建及性能测试。第五部分为结论，总结 研究成果及对未来工作的展望。
02
能量来源包括太阳能、风能、振动能等可再生能源 ，以及射频能量、热能等其他能源。
03
能量收集系统的目标是实现高效、可靠的能源获取 和存储，以满足无线传感网的能源需求。
关键电路类型与功能
整流电路
将交流（AC）转换为直流（DC），为传感 器节点提供稳定的电源。
面向无线传感器网络的能量收集与管理系统设计
面向无线传感器网络的能量收集与管理系统设计无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量的分布式无线传感器节点组成的网络系统。
在WSN中，节点通过无线通信收集环境中的信息，并将其传输到基站进行处理和分析。
然而，由于传感器节点的能量供应有限，且很难更换节点电池，能量收集与管理系统的设计变得尤为重要。
本文将针对无线传感器网络的能量收集与管理系统进行设计，以提高传感器节点的能源效率，延长网络寿命，并确保系统的可靠性和稳定性。
一、能量收集子系统设计在无线传感器网络中，能量收集子系统的任务是从环境中收集能量，为传感器节点提供能源补给。
以下是能量收集子系统设计的几个关键方面：1. 能量收集方式：根据环境特点和能量来源的不同，能量收集子系统可以采用多种方式进行能量收集，包括太阳能、风能、振动能等。
设计时需要考虑能量源的稳定性、可获得性和效率，选择适合的能量收集方式。
2. 能量收集电路：能量收集子系统需要设计适合能源的电路来收集和转换能量，以适应传感器节点的能量需求。
常见的能量收集电路包括太阳能电池阵列、电感耦合电池等，设计时需要考虑能量转换效率、电路稳定性和成本。
3. 能量存储器：能量收集子系统还需要设计能量存储器来储存收集到的能量，以便在传感器节点需要时进行供能。
常见的能量存储器包括超级电容器、锂电池等，设计时需要考虑存储容量、充放电速度和寿命。
二、能量管理子系统设计能量管理子系统的任务是合理分配和管理传感器节点的能量资源，以提高能源利用效率和系统稳定性。
以下是能量管理子系统设计的几个关键方面：1. 能量分配策略：能量管理子系统需要设计合理的能量分配策略，根据节点的能量需求、工作状态和环境情况，动态调整能量分配比例。
例如，可以根据节点的工作负载和距离基站的距离，分配不同比例的能量供给。
2. 能量监测与调度：能量管理子系统需要监测传感器节点的能量消耗情况，及时发现能量不足的节点，并进行能量调度。
物联网中的无线传感与能量收集技术
降低能量收集技术的成本，使其更具有市场竞争力。
多源能量收集
开发多源能量收集技术，整合多种可再生能源，提高能源利用效率。
智能管理
开发智能能量管理系统，实现对能量的智能管理和优化分配。
04
无线传感与能量收集技术在物联网中 的应用
智能家居
智能照明
通过无线传感器控制灯光，实现自动化调节 和节能。
息。
无线传感器的应用场景
环境监测
用于监测空气质量、温湿度、光照等 环境参数，实现环境自动控制和调节 。
智能家居
用于家庭安全监控、智能照明、智能 家电控制等，提高生活便利性和舒适 度。
工业自动化
用于生产过程中的参数监测、设备故 障预警等，提高生产效率和降低成本 。
农业物联网
用于农田环境监测、作物生长监测、 精准灌溉等，提高农业生产效益和资 源利用率。
解决方案与建议
技术创新
加强研发力度，提高传感器精度和稳定性，优化能量 收集技术。
安全策略制定
建立完善的安全策略，保护用户隐私，加强防御外部 攻击的措施。
应用拓展
鼓励跨行业合作，降低成本，推动物联网技术的普及 和应用。
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物联网的应用领域
智能家居
通过物联网技术将家居用品连 接起来，实现智能化控制和管 理，提高生活便利性和舒适度
。
智能交通
通过物联网技术实现交通工具 的智能化管理和调度，提高交 通效率和安全性。
智能农业
通过物联网技术实现农业生产 的智能化监测和管理，提高农 业生产效率和农产品质量。
智能工业
通过物联网技术实现工业生产 的智能化监测和管理，提高工
要点二
特点
物联网具有全面感知、可靠传输和智能处理三大特点。全 面感知是指通过传感器、RFID等技术对物品信息进行感知 和识别；可靠传输是指通过互联网、移动通信等技术将感 知到的物品信息进行可靠传输；智能处理是指通过云计算 、大数据等技术对海量数据进行处理和分析，挖掘出有价 值的信息，实现智能化决策和控制。
无线传感网络中的能量收集技术
无线传感网络中的能量收集技术传感器技术的发展使得传感网络在监控、环境感知、智能城市等领域得到了广泛应用。
然而，传感器节点的能源限制成为制约其长期运行和持续性数据采集的主要因素。
为了解决这一问题，无线传感网络中的能量收集技术应运而生。
本文将介绍无线传感网络中的能量收集技术的原理和应用以及未来的发展趋势。
一、能量收集技术的原理能量收集技术是利用环境中的能量资源，如光能、热能、振动能等，将其转化为传感器节点的电能供应。
常用的能量收集技术包括太阳能收集、热能收集和振动能收集。
太阳能收集是最常见的能量收集技术之一。
通过将太阳能转化为电能，传感器节点可以实现长期运行。
太阳能电池板是太阳能收集的核心部件，它可以将光能转化为电能并存储起来。
然而，在室内等无法接收到足够阳光的环境中，太阳能收集效果较差。
热能收集技术是利用传感器节点周围的温度差异来生成电能。
通过热电转换材料，温度差会产生电子流，将热能转化为电能。
热能收集技术适用于环境温度变化较大的场景，如工业生产现场和火电站等。
振动能收集技术是利用传感器节点周围的振动能量来生成电能。
通过振动发电器件，将机械振动转化为电能。
振动能收集技术适用于很多场景，如机械结构表面、地铁隧道等。
二、能量收集技术的应用能量收集技术在无线传感网络中具有广泛的应用前景。
首先，能量收集技术可以延长传感器节点的工作寿命。
传统的电池供能方式往往需要频繁更换电池，而能量收集技术可以充分利用环境中的能量资源，延长传感器节点的工作时间。
这对于一些无法进行电池更换的场景尤为重要，如远程监测、海洋测量等。
其次，能量收集技术可以提高传感网络的稳定性和可靠性。
通过能量收集技术，传感器节点可以实现自主供能，不再依赖于外部电源，减少了系统的故障率。
能量收集技术还可以通过多能源供能方式，使得传感器节点在能量供应不足的情况下仍能正常工作。
再次，能量收集技术可以降低传感网络的成本。
无线传感网络通常由大量的传感器节点组成，传统的电池供能方式需要大量的电池更换和维护工作，成本较高。
IoT设备中常见的能量收集系统
IoT设备中常见的能量收集系统在功率范围的低端，对能量收集系统有毫微功率转换需求，例如：IoT设备中常见的能量收集系统。
在此类系统中，必须使用能够处理非常低功率、非常小电流的电源转换IC。
功率和电流可能分别为数十微瓦和数十纳安。
最新和现成有售的能量收集（E H）技术，例如：振动能量收集产品以及室内或可穿戴光伏电池，在典型工作条件下产生mW量级的功率。
尽管这个量级的功率或许看似有限，但是无线传感器节点（WSN）等能量收集组件在若干年内持续工作可能意味着，无论从所提供的能量还是从单位能量的成本上看，能量收集产品与长寿命主电池都大致相当。
虽然主电池声称能够提供长达10 年的寿命，但这在极大的程度上取决于从其取出的功率级别以及抽取功率的频度。
拥有能量收集能力的系统一般能够在电量耗尽后再充电，而仅由主电池供电的系统却做不到这一点。
不过，大多数实施方案都将用某种环境能量源作为主电源，而用主电池作为环境能源的补充，如果环境能量源消失或中断，就可以接入主电池。
这可被认为是一种“电池寿命延长器”能力，可为系统提供很长的工作寿命─这接近于电池的工作寿命，对于锂亚硫酰氯化学组成来说通常约为12 年。
当然，能量收集电源所提供的能量取决于该电源能工作多长时间。
因此，能量收集电源的主要比较指标是功率密度，而不是能量密度。
能量收集的可用功率一般很低、可变和不可预测，所以常常使用连接至收集器和辅助电源的混合结构。
辅助电源可能是一块可再充电电池或者一个存储电容器。
收集器由于能量供应无限及功率不足而成为系统的能量源。
辅助电力储存库（或是电池或是电容器）产生较大的输出功率，但存储较少的能量，在需要时供电，而在其他情况下则定期从能量收集器接收电荷。
因此，在由于某种原因而没有环境能量可供收集的时候，辅助电力储存器可用来给下游电子系统或WSN供电。
IoT也推动了需求支持物联网（IoT）的无线传感器在激增，这增大了对面向较低功率无线设备而定制的小型、紧凑和高效率电源转换器的需求。
一种高效环境WiFi能量收集系统
一种高效环境WiFi能量收集系统徐涛;於正超【摘要】针对无线传感器系统高效率供电的问题,提出通过射频收集能量并转换为电能的方式将能量提供给无线传感器系统使用的方法.重点研究一款高效的环境WiFi能量收集系统,主要包括天线和整流电路优化设计2大部分.天线由2×2微带天线阵列组成,主要负责捕获环境中2.4 GHz WiFi信号,提高接收天线的灵敏度.整流电路设计基于Greinacher倍压电路,通过改变倍压电路参数或元器件的方式来提高转换效率即可以高效地转换能量.通过调整天线阵列和整流电路的参数,当输入功率在-35～-10 dBm时,能量收集系统的转换效率可以达到最佳状态.在特定的频带进行仿真测试,能量收集系统接收天线距离WiFi路由器2.3 m时,输出整流电压为1089 mV.实验结果表明,能量收集系统可以有效地从周围的WiFi信号中收集能量.【期刊名称】《无线电工程》【年(卷),期】2018(048)006【总页数】5页(P492-496)【关键词】能量收集;天线阵列;微带天线;整流电路【作者】徐涛;於正超【作者单位】沈阳航空航天大学自动化学院, 辽宁沈阳110136;沈阳航空航天大学自动化学院, 辽宁沈阳110136【正文语种】中文【中图分类】TN850 引言随着电子产品功耗的降低和能量收集技术的发展，一些免电池的供电方式成为热门研究领域，这些方法已经能够从环境中捕获微弱的能量并转换为电能，并进行积累、存储，实现对无线传感器的供电[1-6]。
在人们生活环境中，WiFi或其他2.4 GHz信号覆盖比较广阔，这些信号能够为RF 能量收集提供充足的能量来源。
因此，这种环境下的RF能量收集技术得到了很多人的重视。
Le T等人研究的接收频率为900 MHz的RF-DC能源转换系统，当接收功率为-22.6 dBm时，能量收集系统可输出电流为0.3 A，电压为1 V直流[7]。
Ungan等人[8]分别针对900 MHz和300 MHz的信号、阻抗为50 Ω的天线，采用肖特基二极管电荷泵整流设计射频能量转换系统，当输入功率分别为-26 dBm和0 dBm时，可获得直流电压0.3 V和0.337 V。
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无线能量收集系统的设计
传感器的最爱
背景
超低功率微控制器的近期发展造就了具有空前集成 度的器件。事实上，运行这些器件所需的功率非常 之低，以至于许多传感器逐步实现了无线化，因为 它们可以方便地通过电池来供电。
不幸的是，电池必须定期更换，这种维护工作既费 钱又费事。而从传感器的局部环境中采集环境机械 能、热能或电磁能则有可能是一种更为有效的无线 电源解决方案。无线能量收集系统就应用而生！
一个能量收集电源系统
在换能器和能量储存元件之 间或许还需要布设一个电压整流 器网络。用于防止能量回馈至传 感器中，或在采用压电器仵的情 况下负责对AC信号进行整流。
模拟与混合信号IC领导厂商Silicon Laboratories 宣布推出业界最节能的采用 太阳能收集系统供电的无线传感器节点解 决方案。
无线能量收集系统的要求
• 低静态电流（典型值为 350 na） • 即使电流低至 15 µA，转换效率仍高于 90% • 具有最大功率点跟踪 (MPPT) 以优化能量 收集的用户可编程器件 • 具有在输入很低的条件下冷启动的能力
一个能量收集电源系统
• 能量源/传感器 • 能量储存原件 • 一种用于将该储能转换为一个可用稳定电压的设 备
优点
• 经济：电池成本高且替换麻烦； • 环保：减少了废旧电池的回收和填埋处理；
用于收集的环境能量源
• • • • • • 光能 温差 震动梁 射频（RF)发射信号 压电器件通过器件的压缩和弯曲 通过某种换能器产生电荷的信号源
环境能量源的具体应用
• 人们采用小型太阳能电池板为手持式电子 设备供电已有多年，此类电池板在阳光直 射和间接光照射的情况下能够分别产生几 百mW／cm2和几百uW／cm2的功率密度。 • 压电器件可通过器件的压缩或弯曲而产生 能量。压电元件能够产生几百pW／cm2的 功率密度（取决于其尺寸和结构）。
环境能量源的具体应用
• 当存在温度梯度9塞贝克时，器件可将热能 转换为电能。热能量源多种多样，从体热 （可产生几十pW／cm2的功率密度）到锅 炉排气烟囱Байду номын сангаас其表面温度能产生几十mW／ cm2的功率密度）各不相同； • RF能量收集由天线来完成9可产生几百pW ／cm2的功率密度。
无线能量收集系统的要求