一、 引言

　　近年來，無線傳感網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks， WSN）在許多領域得到應用，如災害管理、基礎設施監(jiān)控等。目前，電池仍然是傳感器節(jié)點的主要電源，但隨著傳感網(wǎng)絡分布的環(huán)境更廣泛、更復雜，電池的維護和更換將成為一個非常棘手的問題。

　　另外，隨著微機電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System， MEMS）及低功耗電子技術的進步，市場上出現(xiàn)了越來越多的小型、低能耗的手持移動設備。相應地，這些設備需要緊湊、低能耗和重量輕的能量供應方式。而過去十多年，電池在能量密度和體積方面的進步并不明顯，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，也會造成環(huán)境污染。這些問題使得人們開始關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、對環(huán)境友好的供電方式。其中，能量收集技術在近幾年受到了人們的廣泛關注。

　　能量收集（Energy Harvesting）是一種將環(huán)境周圍分布式能量進行收集并轉換成可使用電能的技術。其中可收集的分布式能量有太陽能、熱能、振動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，能量收集主要應用于無線傳感器、植入體內醫(yī)療設備、軍事監(jiān)控設備、偏遠地區(qū)天氣站、計算器、手表、藍牙手持設備等。已有文獻對能量收集技術進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、 基本結構和工作原理

　　電磁能量收集的基本結構有兩種。第一種結構如圖1b所示，由整流天線、DC/DC變換器、儲能元件、負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，并轉換為直流。整流器兩側的高頻濾波器和直流濾波器是為了利用寬頻諧波，提高功率轉換效率。

　　由于整流天線輸出的電壓很低，不能直接向負載供電，因此需要DC/DC變換器實現(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。儲能元件一般為電容、電池、超級電容等。而負載則根據(jù)具體的應用，有傳感器節(jié)點、電池、溫濕度測量儀等。

　　功率管理單元往往起到調節(jié)負載、保證高電壓增益以及最大功率點跟蹤（MPPT）等功能。

　　第二種結構如圖1c所示，由接收天線、阻抗匹配單元、RF/DC整流器和負載組成。由于采用了阻抗匹配，這類結構允許相對獨立的天線和整流器設計。RF/DC整流器除了實現(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構

　　3.2 天線設計

　　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體接地板的介質基片上貼加導體薄片形成[36]，簡單的結構示意圖如圖4所示。

　　圖4 矩形微帶貼片天線結構示意圖

　　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際應用。而便攜式無線設備的普及，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)的介質基板，在基本的貼片形狀基礎上做改動，將貼片與地層短路以及這幾種方法的聯(lián)合設計。這幾種方法可以有效減小接收天線的尺寸，但同時也會帶來一些其他問題。

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

　　除了以上幾種方式外，最近也有文獻采用折疊貼片的方式，在降低尺寸的同時，保證較高的帶寬。文獻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，只需一個反饋網(wǎng)路及相應的整流電路，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為每個天線單元設置獨立的整流電路，再在直流端進行組合，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 整流電路設計

　　整流二極管是整流電路中的關鍵部分，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)狀作了詳細的闡述，并指出技術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，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。

　　對整流電路拓撲的研究主要針對倍壓整流電路。分析整流電路階數(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)此設計了兩個不同階數(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的射頻信號的幅值，在只用了兩階電壓倍增電路的情況下，實現(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，可以實現(xiàn)高質量因數(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)化設計多枝節(jié)匹配網(wǎng)絡，在2.1 GHz和2.45 GHz實現(xiàn)了雙頻整流。提出了一個級聯(lián)式的整流電路，如圖10所示。通過調節(jié)電感L2，L3和L4實現(xiàn)了可同時工作在940 MHz，1.95 GHz和2.44 GHz三個頻段的整流電路。利用源牽引（source pull）的仿真方法，設計了一個三階傳輸線低通匹配網(wǎng)絡，在輸入功率為25 mW，頻率范圍0.78~1.43GHz內，效率超過了50%。

　　圖9 帶諧振電路的射頻整流電路

　　3.5 應用研究

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

　　電磁能量收集的主要應用是向無線傳感器節(jié)點供電。大多數(shù)傳感器節(jié)點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。

　　目前已有許多文獻概述了這方面的研究工作。文獻[16]提出了圖13所示的系統(tǒng)框圖，并對各部分的效率進行了分析。進一步分析了系統(tǒng)的三種運行模式：啟動模式、睡眠模式和工作模式間的相互關系和切換策略，并對實際系統(tǒng)進行了實驗驗證。

　　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用的一個關鍵問題，考慮了電容的漏電流效應，提出一種自適應的占空比控制方法，提高了系統(tǒng)的效率。

　　其他針對電磁能量收集的應用研究還有無線通信以及向一些小功率電子設備供電，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