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摘要
设计了一款针对WiFi信号的环境能量采集系统，工作频率范围从2.4 GHz到2.485 GHz。该系统采用了4倍压整流电路，并设计了从天线到整流电路的宽带匹配电路，提升了能量采集的效率。设计的宽带匹配电路在WiFi工作频率范围内，S11均小于-10 dB。整流电路可将采集信号增加4倍，能有效提高RFDC转换效率。测试结果表明，所设计的电路达到了设计要求，在-10 dBm的输入功率下，达到了40%的RFDC转换效率，并使超级电容在30 min内采集到了257 mV的电压。关键词环境能量采集；整流电路；阻抗匹配；射频直流转换效率
中图分类号P466
文献标志码A
收稿日期20161124
资助项目浙江省教育厅科研计划（Y201121456）
作者简介
徐力翔，男，硕士生，研究方向為无线能量采集。479959241@qq.com
张晓红（通信作者），女，硕士，讲师，研究方向为无线能量采集.xhzhang@hdu.edu.cn
1杭州电子科技大学电子信息学院，杭州，310018
0 引言
近年来，智能家居、智能医疗保健、环境监测等领域中低功耗的电子器件需求大量增加，这些器件的能耗问题引起了广泛的关注。传统上使用可更换的电池来作为电子器件的能量来源，但在某些难以触及或危险的领域，更换电池变得不切实际，所以近年来发展火热的新能源例如太阳能、风能等成了这些低功耗电子器件的不二选择。但这些新能源也存在一定的缺陷，例如在夜晚或者没有太阳的日子里，太阳能装置就无法工作。与传统的新能源相比，无处不在的环境射频能量具有其独特的优势。1）来源广泛：环境射频能量可以从周围无处不在的无线发射器获得，包括移动电话、手持无线电设备、移动基站、电视/无线广播台、无线路由器等；2）能量稳定：例如电视广播信号，能量采集系统可以进行一整天的采集而不必担心信号中断消失[1]。所以，利用这些“免费”并且取之不竭的环境射频能量，是一项具有广阔发展前景的课题，大量射频能量采集的构想被提了出来。文献[2]提出了一个双频段的射频能量采集系统：在10 dBm的输入功率下，工作在2.1 GHz能得到1.9 V的输出电压和24%的最大效率；工作在2.45 GHz能得到1.7 V的输出电压和19%的最大效率。文献[3]提出的射频能量采集系统在20 dBm的输入功率下，能达到最高68%的效率。但以上这些设计要求的输入信号功率较高，不适合WiFi信号的采集。
WiFi是目前最常用的无线系统，且经过近年来无线网络的发展，WiFi网络已无处不在[4].近几年，对周围WiFi信号采集的研究已成为周围能量采集的热点之一[57]。本文设计了一款基于周围WiFi信号的能量采集系统，可有效采集周围WiFi能量。
1 基本原理
周围无线能量采集系统主要由天线、匹配网络和整流电路等组成，其框图如图1所示。其中天线的主要功能是接收周围环境中的射频能量；整流电路的作用是将射频能量转换为直流能量输出；匹配网络用来将整流电路的输入阻抗匹配到天线的输出阻抗，以达到最大功率传输的目的。
说，射频输入能量很小，必须选择零偏置二极管以保证最大的转换效率。本文选择了SMS7630这款肖特基二极管来作为整流器件，它具有极短的反向恢复时间，可以高速切换开关状态，且为零偏置的二极管。
能量采集系统RFDC转换效率如式（1）和（2）所示：
1.2 匹配网络设计
WiFi信号总共有14个信道，通常采用IEEE 802.11 b/g/n标准，频率范围为2.4～2.485 GHz，共83.5 MHz.由于整流电路由二极管构成，在整个WiFi频带内，整流电路阻抗会随频率的不同而略有不同，如图3所示。对于射频系统来说，天线阻抗为50 Ω，需要在整个83.5 MHz的WiFi频带内将50 Ω阻抗与整流电路阻抗进行匹配。
为了实现宽带匹配，采用如图4所示的宽带匹配网络进行匹配，采用ADS软件进行了匹配电路的仿真设计.表1所示为本文设计的匹配电路尺寸，图5所示为匹配电路仿真结果。由图5可见：2.443 GHz时达到了最佳匹配，S11为-29.248 dB；在整个WiFi工作频段，匹配电路S11均小于-10 dB，保证了至少有90%的射频能量能够顺利传输到整流电路中。在该结构中，电容的取值并不会影响电路的匹配，只会影响到充放电的快慢，而各微带线的尺寸及位置和电感值，则对匹配有较大影响。
2 测试结果及分析
根据仿真结果，本文采用介电常数为6.15，板厚为25 mil的RO3206高频板设计实现了周围WiFi能量采集电路，如图6a所示。匹配电路测试结果如图6b所示，在整个WiFi频段内，S11均小于-10 dB，最佳匹配点是2.467 5 GHz，S11为-24.579 dB。与仿真结果基本一致，达到了设计要求。
由于射频能量采集系统大多数被应用于无线传感器网络节点上，而传感器具有一个工作时间占空比[6]，这就要求当传感器进入睡眠状态时，射频能量采集系统能将能量储存起来，等到传感器工作时，再为传感器供电。本系统采用的储能器件是超级电容。与普通电池相比，无论是充放电速度，还是可充放电的次数，超级电容都要更胜一筹。此外，也可以使用一些专用的充电泵IC和升压IC来进行能量管理，但成本更高，电路也更为复杂。
将图2中的DC+和DC-分别接到超级电容的两端，然后使用Agilent E8267D矢量信号发生器作为射频源，输入频率为2.465 GHz，不同功率的连续波，为容值0.5 F的超级电容充电30 min，如图7所示，测试结果如表2所示。
此外，本系统也测试了把无线路由器作为射频源的性能。要从无线路由器接收WiFi信号，首先需要一款合适的天线。天线的增益、带宽、方向性等因素直接影响到天线输入到匹配网络中的能量。本文选择了一款增益为10 dBi的全向天线。将天线连接到能量采集系统后放置到路由器旁，进行如图8的测试，同样为超级电容充电30 min，VC值如表3所示. 3 结束语
本文设计了一款针对WiFi信号的周围能量采集系统，包括倍压整流电路及匹配电路，并进行了加工测试，制作了一块3 cm×3 cm大小的能量采集模块，分别用矢量信号发生器和路由器对系统性能进行了测试，30 min内0.5 F的超级电容最多分别能采集到257 mV和31.6 mV，可有效地采集周围WiFi信号并转换为直流功率。
参考文献
References
[1] Nishimoto H，Kawahara Y，Asami T.Prototype implementation of ambient RF energy harvesting wireless sensor networks[J].IEEE Sensors，2010，43（2）：12821287
[2] Khansalee E，Zhao Y，Leelarasmee E，et al.A dualband rectifier for RF energy harvesting systems[C]∥11th International Conference on Electrical Engineering/Electronics，Computer，Telecommunications and Information Technology，2014：14
[3] Zbitou J，Latrach M，Toutain S.Hybrid rectenna and monolithic integrated zerobias microwave rectifier[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2006，54（1）：147152
[4] Cheng Y C，Chawathe Y，Lamarca A，et al.Accuracy characterization for metropolitanscale WiFi localization[C]∥Proceedings of the 3rd International Conference on Mobile Systems，Applications，and Services，2005：233245
[5] Olgun U，Chen C C，Volakis J L.Design of an efficient ambient WiFi energy harvesting system[J].IET Microwaves，Antennas & Propagation，2012，6（11）：12001206
[6] Alneyadi F，Alkaabi M，Alketbi S，et al.2.4 GHz WLAN RF energy harvester for passive indoor sensor nodes[C]∥IEEE 11th International Conference on Semiconductor Electronics （ICSE），2014：471474
[7] Kadir E A，Hu A P，BiglariAbhari M，et al.Indoor WiFi energy harvester with multiple antenna for lowpower wireless applications[C]∥IEEE 23rd International Symposium on Industrial Electronics （ISIE），2014：526530
[8] 余義斌，余江，王贵，等.传感器节点环境能量的收集方法[J].广东海洋大学学报，2007，27（6）：9396
YU Yibin，YU Jiang，WANG Gui，et al.Methods of scavenging ambient energy for sensor node[J].Journal of Guangdong Ocean University，2007，27（6）：9396
设计了一款针对WiFi信号的环境能量采集系统，工作频率范围从2.4 GHz到2.485 GHz。该系统采用了4倍压整流电路，并设计了从天线到整流电路的宽带匹配电路，提升了能量采集的效率。设计的宽带匹配电路在WiFi工作频率范围内，S11均小于-10 dB。整流电路可将采集信号增加4倍，能有效提高RFDC转换效率。测试结果表明，所设计的电路达到了设计要求，在-10 dBm的输入功率下，达到了40%的RFDC转换效率，并使超级电容在30 min内采集到了257 mV的电压。关键词环境能量采集；整流电路；阻抗匹配；射频直流转换效率
中图分类号P466
文献标志码A
收稿日期20161124
资助项目浙江省教育厅科研计划（Y201121456）
作者简介
徐力翔，男，硕士生，研究方向為无线能量采集。479959241@qq.com
张晓红（通信作者），女，硕士，讲师，研究方向为无线能量采集.xhzhang@hdu.edu.cn
1杭州电子科技大学电子信息学院，杭州，310018
0 引言
近年来，智能家居、智能医疗保健、环境监测等领域中低功耗的电子器件需求大量增加，这些器件的能耗问题引起了广泛的关注。传统上使用可更换的电池来作为电子器件的能量来源，但在某些难以触及或危险的领域，更换电池变得不切实际，所以近年来发展火热的新能源例如太阳能、风能等成了这些低功耗电子器件的不二选择。但这些新能源也存在一定的缺陷，例如在夜晚或者没有太阳的日子里，太阳能装置就无法工作。与传统的新能源相比，无处不在的环境射频能量具有其独特的优势。1）来源广泛：环境射频能量可以从周围无处不在的无线发射器获得，包括移动电话、手持无线电设备、移动基站、电视/无线广播台、无线路由器等；2）能量稳定：例如电视广播信号，能量采集系统可以进行一整天的采集而不必担心信号中断消失[1]。所以，利用这些“免费”并且取之不竭的环境射频能量，是一项具有广阔发展前景的课题，大量射频能量采集的构想被提了出来。文献[2]提出了一个双频段的射频能量采集系统：在10 dBm的输入功率下，工作在2.1 GHz能得到1.9 V的输出电压和24%的最大效率；工作在2.45 GHz能得到1.7 V的输出电压和19%的最大效率。文献[3]提出的射频能量采集系统在20 dBm的输入功率下，能达到最高68%的效率。但以上这些设计要求的输入信号功率较高，不适合WiFi信号的采集。
WiFi是目前最常用的无线系统，且经过近年来无线网络的发展，WiFi网络已无处不在[4].近几年，对周围WiFi信号采集的研究已成为周围能量采集的热点之一[57]。本文设计了一款基于周围WiFi信号的能量采集系统，可有效采集周围WiFi能量。
1 基本原理
周围无线能量采集系统主要由天线、匹配网络和整流电路等组成，其框图如图1所示。其中天线的主要功能是接收周围环境中的射频能量；整流电路的作用是将射频能量转换为直流能量输出；匹配网络用来将整流电路的输入阻抗匹配到天线的输出阻抗，以达到最大功率传输的目的。
说，射频输入能量很小，必须选择零偏置二极管以保证最大的转换效率。本文选择了SMS7630这款肖特基二极管来作为整流器件，它具有极短的反向恢复时间，可以高速切换开关状态，且为零偏置的二极管。
能量采集系统RFDC转换效率如式（1）和（2）所示：
1.2 匹配网络设计
WiFi信号总共有14个信道，通常采用IEEE 802.11 b/g/n标准，频率范围为2.4～2.485 GHz，共83.5 MHz.由于整流电路由二极管构成，在整个WiFi频带内，整流电路阻抗会随频率的不同而略有不同，如图3所示。对于射频系统来说，天线阻抗为50 Ω，需要在整个83.5 MHz的WiFi频带内将50 Ω阻抗与整流电路阻抗进行匹配。
为了实现宽带匹配，采用如图4所示的宽带匹配网络进行匹配，采用ADS软件进行了匹配电路的仿真设计.表1所示为本文设计的匹配电路尺寸，图5所示为匹配电路仿真结果。由图5可见：2.443 GHz时达到了最佳匹配，S11为-29.248 dB；在整个WiFi工作频段，匹配电路S11均小于-10 dB，保证了至少有90%的射频能量能够顺利传输到整流电路中。在该结构中，电容的取值并不会影响电路的匹配，只会影响到充放电的快慢，而各微带线的尺寸及位置和电感值，则对匹配有较大影响。
2 测试结果及分析
根据仿真结果，本文采用介电常数为6.15，板厚为25 mil的RO3206高频板设计实现了周围WiFi能量采集电路，如图6a所示。匹配电路测试结果如图6b所示，在整个WiFi频段内，S11均小于-10 dB，最佳匹配点是2.467 5 GHz，S11为-24.579 dB。与仿真结果基本一致，达到了设计要求。
由于射频能量采集系统大多数被应用于无线传感器网络节点上，而传感器具有一个工作时间占空比[6]，这就要求当传感器进入睡眠状态时，射频能量采集系统能将能量储存起来，等到传感器工作时，再为传感器供电。本系统采用的储能器件是超级电容。与普通电池相比，无论是充放电速度，还是可充放电的次数，超级电容都要更胜一筹。此外，也可以使用一些专用的充电泵IC和升压IC来进行能量管理，但成本更高，电路也更为复杂。
将图2中的DC+和DC-分别接到超级电容的两端，然后使用Agilent E8267D矢量信号发生器作为射频源，输入频率为2.465 GHz，不同功率的连续波，为容值0.5 F的超级电容充电30 min，如图7所示，测试结果如表2所示。
此外，本系统也测试了把无线路由器作为射频源的性能。要从无线路由器接收WiFi信号，首先需要一款合适的天线。天线的增益、带宽、方向性等因素直接影响到天线输入到匹配网络中的能量。本文选择了一款增益为10 dBi的全向天线。将天线连接到能量采集系统后放置到路由器旁，进行如图8的测试，同样为超级电容充电30 min，VC值如表3所示. 3 结束语
本文设计了一款针对WiFi信号的周围能量采集系统，包括倍压整流电路及匹配电路，并进行了加工测试，制作了一块3 cm×3 cm大小的能量采集模块，分别用矢量信号发生器和路由器对系统性能进行了测试，30 min内0.5 F的超级电容最多分别能采集到257 mV和31.6 mV，可有效地采集周围WiFi信号并转换为直流功率。
参考文献
References
[1] Nishimoto H，Kawahara Y，Asami T.Prototype implementation of ambient RF energy harvesting wireless sensor networks[J].IEEE Sensors，2010，43（2）：12821287
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[8] 余義斌，余江，王贵，等.传感器节点环境能量的收集方法[J].广东海洋大学学报，2007，27（6）：9396
YU Yibin，YU Jiang，WANG Gui，et al.Methods of scavenging ambient energy for sensor node[J].Journal of Guangdong Ocean University，2007，27（6）：9396