环境电磁能量回收的新颖策略与方法①

邓文慧，王水鸿，郑少勇

(中山大学电子与信息工程学院，广州 510006)

0 引言

由于科技的飞速发展和人口数量的激烈增长，地球的能源负荷越来越重。现存的化石燃料早已无法满足市场的能源需求，人类希望充分利用大自然丰富的自然能量，将其转化为电能。但是太阳能、风能等传统新能源受到时空限制的影响较大，而无线通信的迅猛发展和广泛覆盖使得自由空间中遍布电磁能量，将其利用起来或许可作为新能源的有效补充。一方面，物联网节点、植入性低功耗医疗器件等硬件通常只需要很小的功率便能工作，传统电池供电方案具有更换麻烦和电池寿命影响器件工作连续性的缺点，而且电池的不当处理还会造成环境污染。另一方面，自由空间中遍布的频段各异、功率不均的电磁能量通常都被忽略而浪费，甚至对其他通信设备造成干扰。如果能对环境中富余的电磁能量进行回收利用，既能够解决“电磁污染”问题，又能有效地驱动上述低功耗器件，符合当代节能环保的可持续发展理念。

电磁能量回收系统主要由接收天线、整流电路、能量管理模块构成，其中天线和整流电路的性能是影响整个系统性能的关键因素。在此系统中，接收天线决定了收集多少电磁能量，整流电路则关系到能将电磁能量转换成多少可以直接使用的直流能量。一方面，环境中分布的电磁能量存在位置、频率不确定性以及功率不均匀性，而现阶段电磁能量回收系统的设计主要采用单频或多频高增益定向性天线[1-3]解决回收问题。但此方案往往要求收发天线高度对准，能量源与接收天线之间的实际相对位置往往不可确知，此种方案存在很大限制。另一方面，现有的整流电路方案存在两个主要问题：采用阻抗匹配、二次整流和阻抗压缩来提高转换效率，但是达到最佳整流效率时的输入功率过高；二极管的非线性作用使整流电路高效整流时的输入功率范围较窄。由此可见，对于电磁能量不确定的实际应用场景来说，现有的回收方案仍未能很好地解决当前存在的问题。

为应对电磁能量在空间分布和功率能级上的不确定性，本文将从用于电磁能量回收的接收天线和整流电路两个角度出发，设计了基于准各向同性天线的回收系统、基于全向天线的回收系统和基于宽输入功率整流电路的回收系统，旨在为环境电磁能量回收提出新的策略和方法，为此类问题提供切实有效的解决方案。

1 基于准各向同性天线的回收系统

在环境电磁能量回收系统中，接收天线是关键部件之一。空间中电磁能量的方向往往是未知的，系统中接收天线不应受到所处未知的限制。各向同性天线具有在全方位空间角度均匀辐射的特点，根据互易性，作为接收天线的各向同性天线能对不同方向的能量进行收集。因此，相较于常见的定向辐射天线，此类天线更适用于基于环境电磁能量的回收系统。

从理论上来说，各向同性天线在各个方向上具有相同的辐射特性，具体表现为增益相同、极化一致。但文献[4]中指出理想的各向同性天线难以实现，因此国内外学者关注更多的是准各向同性天线。实现准各向同性辐射的传统方法是将覆盖特定区域的单个单元按圆周排列，从而覆盖所有空间角度[5]，但其尺寸庞大(4*4*8λ03)且馈电网络复杂。为实现较为紧凑的准各向同性结构，文献[6]首次提出互补的概念，将单极子和两条缝隙进行组合，但该设计的地板尺寸较大且只在上半球面实现准各向同性辐射。而文献[7-9]利用互补的正交电磁偶极子构成准各向同性天线，在结构和尺寸上具有更大的优势。电偶极子的E面和H面方向图分别形同“8”和“O”，磁偶极子正好与之相反，当电偶极子和磁偶极子正交放置时，其辐射零点位置与最大辐射位置互补，若满足幅度相等且相位正交的条件，即可产生准各向同性辐射。但以上结构均不能同时满足增益变化范围小和辐射效率高的要求，因而提出同时满足上述两点要求的紧凑型准各向同性天线设计对提升电磁能量回收系统的性能具有重要意义。

1.1 准各向同性天线分析与设计

在基于电磁偶极子互补的原理上，本节实现了低增益变化、高辐射效率的紧凑型准各向同性贴片天线[10]。结构如图1所示，将四分之一波长的贴片作为辐射单元，金属侧壁和馈电探针同时连接贴片及地板，因此贴片和地板产生的等幅反相电流相互抵消，只剩幅值相等的侧壁上y向电流和缝隙开口处的x向磁流，进而产生各向同性辐射。根据以上结构原理，实现了工作在2.45 GHz的准各向同性天线。

图1 准各向同性天线结构Fig.1 The structure of the quasi-isotropic antenna

(a)S参数

(b)方向图图2 准各向同性天线的S参数和辐射方向图Fig.2 The S parameter and radiation patterns of the quasi-isotropic antenna

将所设计的天线进行加工，其整体结构的电尺寸仅为0.22 *0.22 *0.06λ3。使用矢量网络分析仪及微波暗室分别测量天线的|S11|和远场方向图，其仿真和测试的S参数和辐射特性如图2(a)～(b)所示，仿真和实测谐振频率分别为2.44 GHz和2.45 GHz，其实测阻抗带宽为4.48%(2.40-2.51 GHz)，实现了WLAN频段内实测增益在0.64-0.93 dBi之间小幅度变化，平均辐射效率约为90%，结果表明仿真和实测有较高的吻合度。

1.2 准各向同性回收系统测试

基于上述准各向同性天线的平面尺寸和能够对低功率电磁能量高效整流的要求，本节设计了一个工作在2.45 GHz的整流电路如图3(a)所示。该电路主要结构有：用于输入匹配的短路线、用于输出滤波的基频和二次谐波的λ/4的开路线以及扇形开路结构、SMS7630作为整流二极管和1.5 KΩ的负载电阻。使用罗杰斯4003c板材(其相对介电常数为3.38、厚度为0.813 mm，无特殊情况说明后续电路皆采用此板材)对2.45GHz的整流电路进行设计、加工制造并进行测试。测试结果表明0 dBm功率输入时整流电路效率为62.8%，则表示该电路在低功率输入时有较高的整流效率(图3(b)所示)。

(a)整流电路结构模型和实物图

(b)整流电路效率和负载电压曲线图3 2.45GHz整流电路结构模型、实物图以及效率和电压随输入功率变化曲线Fig.3 The circuit configuration，measured efficiency and output voltage of the rectifier at 2.45 GHz

将该整流电路与准各向同性天线组成电磁能量回收系统，对其不同方向上的接收转换能力进行测试。在回收系统四周分别放置具有相同发射功率(29 dBm)和采用传统定向圆形贴片天线(增益为6.5 dBi)的信号发射机(如无特别说明，后续测试均采用相同规格的信号发射机)。先依次开启不同方向上的发射机，使用万用表测出整流电路的负载电压，然后同时开启多个发射源，对此情况下回收系统的接收能力进行测试，两种测试方案结果如表1所示。一方面，该回收系统可以对不同方向上的电磁能量进行有效回收；另一方面，系统的回收能力随能量源数目的增加而加强，整流电路负载电压在一定范围内呈现出近似线性叠加的效果。以上结果表明基于准各向同性天线的回收系统能够同时回收空间中不同方向上的多个电磁能量源。

表1 准各向同性电磁能量回收系统在单发射源和多发射源测试结果Table 1 The results of the quasi-isotropic rectenna for single source and multiple sources

2 基于全向天线的回收系统

前文提到的准各向同性天线虽然能够对整个空间上的电磁能量进行回收，但增益不超过1 dBi，能量回收能力有待提升。而在大多数生活或工作场景中，由于人类的活动高度范围受限，路由器、无线网卡等无线通信设备通常位于同一平面内，因此环境中的电磁能量主要集中于水平剖面内。而全向天线能够在水平方向一定仰角范围内均匀辐射，相较于准各向同性天线，全向天线具有较高的增益，将其作为回收系统的接收单元在特定的应用场景下可以有更好的收集效果。

环境电磁能量存在极化多样性的特点，圆极化天线对线极化和圆极化电磁信号均可回收，因而圆极化天线在本回收系统中更为实用。与线极化天线实现简单相比，圆极化天线面临着如何馈入正交信号的挑战。具有对称性的圆形贴片结构常用于全向天线设计中，如文献[11-13]结合圆形贴片和环形微带线实现两种线极化，两者通过90°相移的折叠微带线连接实现相位正交。文献[14-15]在圆形贴片边缘上沿圆周方向径向开槽产生圆极化辐射。随着高介电常数材料的发展，介质谐振器因其尺寸小、损耗低、辐射效率高及多模特性引起了全向介质天线的研究热潮，文献[16]提出了一种在仰角45°全向辐射的鸟巢形圆极化介质天线结构，文献[17]在介质谐振器上加载Alford环的方式和馈电网络，通过不同端口实现了双圆极化。但介质天线通常剖面高、制造昂贵，不适宜作为小型低功耗设备的能源接收天线。相比之下，使用成本较低的PCB设计的低剖面全向天线有利于推广本文所提出的电磁能量回收系统。

2.1 全向天线的分析与设计

基于上述分析，本节将采用PCB基板和金属单元来设计用于电磁能量回收系统的全向圆极化天线，将文献[18]结构中弯折金属柱改为印刷微带线，从而提高结构的稳定性。结构如图4所示，两条印刷带状线和一根金属柱构成一组辐射单元，该天线中心同轴馈电，通过一分四功率分配网络流向四组单元的电流相等。继而带状线等效为环形天线，其辐射等同于磁偶极子，金属柱辐射等同于电单极子。水平放置的环形天线和垂直放置的铜柱分别产生水平极化(Eφ)和垂直极化(Eθ)，且两种线极化在空间上自然正交，可理论计算出∠Eθ-∠Eφ=-90°，即该天线可接收左旋圆极化(LHCP)波。

图4 全向天线结构Fig.4 The structure of the omnidirectional antenna

采用与前一方案相同的罗杰斯4003c板材对天线进行仿真和加工，其整体结构的电尺寸为0.2 *0.2 *0.045λ3。使用矢量网络分析仪及微波暗室分别测量天线的|S11|和远场方向图，结果如图5(a)～(b)所示。天线仿真谐振频率为2.4 GHz，实测为2.41 GHz，两者较为吻合；在2.4 GHz附近实测轴比带宽9.4%，能够完全覆盖阻抗带宽；实测方向图虽然在E面上略有上翘，但在H面上仍呈现较好的全向性，其在θ =64°方位平面上最大增益为1.99 dBi，与仿真结果1.95 dBi基本一致，且增益变化范围小于0.5 dB。

(a)S参数

(b)方向图图5 全向天线的S参数和辐射方向图Fig.5 The S parameter and radiation patterns of the omnidirectional antenna

2.2 全向回收系统测试

为了便于和上一方案进行比较，基于全向天线的回收系统采用与上一方案结构相同、性能相近的2.4 GHz整流电路。使用图6(a)测试环境中的电路装配结构，将天线的地板与整流电路的地板整合在一起，构成全向回收系统。按图6(a)的测量方法在等60°间隔的6个水平方向角度上，分别采用方案一中同等规格的发射机，对全向接收天线1米处水平方位上的回收效率进行测试。频谱分析仪和数字电压表分别用于测量天线的接收功率和负载电压(1.5 kΩ)，从而计算接收端的回收效率，此处回收效率定义为负载功率与天线接收功率的比值。系统在不同水平接收角上的回收效率曲线和负载电压曲线如图6(b)所示，在不同的水平接收角上回收系统的回收效率稳定在60%左右，各个角度上的负载电压也趋于一致。与前面所实现的准各向同性回收系统相比，全向回收系统的接收天线在水平方向上具有较高的增益，因此在水平方位上实现了更好的能量收集效果。

(a)系统测试方法和测试环境

(b)不同水平接收角上的回收效率和负载电压图6 电磁能量回收系统测试方案及结果Fig.6 The measured setup and results of energy harvesting system

3 基于宽输入功率整流电路的回收系统

使用准各向同性天线或全向天线的回收系统能够解决电磁能量源位置不可预知的问题，同时提升能量收集的能力。但是系统的回收效率由接收天线和整流电路两部分共同决定，仅采用低功率整流电路和上述天线来提高系统在不同状态下的转换效率，仍存在提升空间。整流电路二极管的非线性作用导致电路在不同输入功率下的输入阻抗变化很大，引起电路的阻抗失配和整流效率下降，因而传统的整流电路往往优化在特定的输入功率下，但是这种电路结构不适用于实际电磁环境。为解决上述问题，国内外学者采取了一系列方法来拓宽输入功率范围。文献[19-21]提出阻抗压缩网络解决不同输入功率下阻抗变化范围大的问题，通过提高电路的匹配性能来实现更宽输入功率范围的高效整流。文献[22]使用场效应管和整流二极管组成可重构电路，该电路在不同的输入功率下自动切换工作状态，能维持较高整流效率下拓宽输入功率范围，但其工作频率较低。文献[23-24]使用正交耦合器作为电路的匹配网络，输出端口或者隔离端口串联了整流支路，实现了功率范围拓宽和整流效率提升。然而上述结构主要解决了高输入功率条件下的功率范围拓宽，对于低功率输入时效果不佳，且整体的输入功率范围不够宽。因此本节将设计一种基于信号导向网络的整流电路来同时实现输入功率范围的拓宽和低功率输入时的整流电路效率提升。

3.1 采用信号导向网络的整流电路

上述整流电路多采用阻抗匹配来解决输入功率范围窄的问题，但该电路仍需要在不同输入功率下找到一个平衡点，难以充分优化不同状态下的电路性能。为解决此问题，本节提出采用信号导向网络的整流电路(如图7)。

(a)整体电路结构

(b)信号导向网络结构图7 具有信号导向网络的整流电路结构Fig.7 The structure of rectifier with signal routing network

该电路由信号导向网络分别连接低功率整流电路和高功率整流电路组成。通过信号导向网络将两个整流电路有机分离，在不同输入功率下自动切换电路的工作状态，实现输入功率范围拓宽。

在本设计中，高导通电压二极管D1(HSMS-2820)与信号导向网络输入端口1相连，低导通电压二极管D2(SMS7630)所在支路与信号导向网络输出端口3互联，信号导向网络的端口2紧接负载电阻R2。低功率输入时，二极管D1处于在关断状态，电磁能量通过信号导向网络流入整流二极管D2所在支路进行整流；输入功率较大时，整流二极管D1开始工作，此时由于二极管D1整流后仍有较多的电磁能量[25]，此部分电磁能量由信号导向网络注入整流二极管D2所在支路再次整流。该信号导向网络不仅能够将高功率整流电路支路和低功率整流电路的直流回路分开，还能将通过二极管D1后的电磁能量导向端口3且避免流向负载R2。

3.2 电路性能分析和系统测试

根据上述信号导向网络原理，本节设计的工作在2.4GHz的宽输入功率范围整流电路使用前文相同板材进行仿真设计和制造[26]，其仿真和实测的S参数、负载电压和整流电路效率曲线如图8所示。

图8(a)表明提出的整流电路在不同输入功率条件下有较好的阻抗匹配，实际测试的|S11|从-15 dBm到14 dBm都小于-20 dB，图8(b)表明提出的整流电路在效率大于50%的输入功率范围为-6 dBm到26.5 dBm，在保证较高整流效率前提下实现输入功率范围拓宽。

(a)S参数

(b)整流电路效率和负载电压曲线图8 基于信号导向网络整流电路的S参数和效率Fig.8 The measured S parameter,output voltage and efficiency of the proposed rectifier

(a)系统测试环境

将本节提出的整流电路与前两个方案所使用传统定向圆形贴片天线组成电磁能量回收系统进行测试，测试环境如图9(a)所示。测试系统中收发天线的距离为1米，使用信号发生器和功率放大器作为发射天线的信号源，由于测量设备的限制，电磁能量回收系统上接收到的最大功率为18 dBm，测试得到的电磁能量回收系统的回收效率随着输入功率变化的曲线如图9(b)所示。结果表明采用定向天线和宽输入功率范围整流电路组成的回收系统实现了高效整流和输入功率范围拓宽，并且该系统在低功率输入下的效率也比较高。因此，采用信号导向网络的整流电路对电磁能量回收系统在不同输入功率条件下实现宽输入功率范围是有效的。

4 结论

环境电磁能量的回收技术可以为物联网节点、植入性低功耗医疗器件等硬件提供能源解决方案，具有广泛的应用前景。目前电磁能量回收技术主要关注效率的提升，并未考虑能量源位置分布不确定和功率分布不均匀等问题，本文着重探讨了此应用场景下的环境电磁能量回收方案。本文提出的三种方案测试结果表明，从天线和整流电路两个方面进行针对性设计可以有效解决问题，实现了对自由空间中不同方向、不同功率大小的电磁能量进行高效回收。此外，在环境电磁能量回收系统中，不仅电磁能量源的位置和功率大小是不确定的，还存在着多频段的信号。因而环境电磁能量回收系统的下一步工作可以提升对不同频段电磁信号的收集能力，还可以加强电磁能量回收系统的融合设计和输出直流的管理，从而进一步提升系统的回收效率和实用性。