低功耗节点射频供能高效传输技术研究

摘要：绿色环保通信方式的提出，为环境保护提供了有益的研究方向。射频信号在传递信息的同时，携带能量可以为受限环境下的无线传感节点提供能量来源，解决传统化石能源环境污染的问题，作为一种共享频谱的资源收集渠道受到了关注。传统的射频信号受功率转换效率以及能量收集技术的限制，从射频信号中捕获的能量密度较低，频谱使用率不足导致输出电压低，无法大范围使用。基于此，该文从分别从软硬件方面进行改进，通过天线设计、整流设计以及阻抗匹配电路进行设计，同时对能量传输机制以及信道分配进行优化，进而实现低功耗节点射频供能高效传输，最后通过实验仿真并与其他方案进行对比，验证系统的有效性。

关键词：低功耗射频供能能量转换系统优化

中图分类号：TP391.4   文献标识码：A        文章编号：1672-3791（2022）03（b）-0000-00

Research on High-efficiency Transmission Technology of RF Power Supply for Low-power Nodes

HOU Yuanshao

（Department of Mechanical and Electrical Engineering Henan Industry and Trade Vocational College，Zhengzhou，Henan Province，451191China ）

Abstract：The green environmental protection communication method has provided a useful research direction for environmental protection. While transmitting information， radio frequency signals can carry energy to provide energy sources for wireless sensor nodes in restricted environments and solve the problem of environmental pollution of traditional fossil energy sources. It has attracted attention as a resource collection channel that shares spectrum. Traditional radio frequency signals are limited by power conversion efficiency and energy harvesting technology. The energy density captured from radio frequency signals is low， and insufficient spectrum utilization results in low output voltage and cannot be used in a wide range. Based on this， this article makes improvements from the aspects of software and hardware， through antenna design， rectification design， and impedance matching circuit design. At the same time， the energy transmission mechanism and channel allocation are optimized to achieve high-efficiency transmission of low-power node RF power supply. Finally， Through experimental simulation and comparison with other schemes， the effectiveness of the system is verified.

Key Words：Low power consumption; RF power supply; Energy conversion; System Optimization

1射頻能量收集技术

1.1微能量收集系统

传统的供电方式生命周期有限，且受制于各种因素影响更换、维护麻烦。射频信号无需频繁更换不受物理特性限制，在传输信息的同时，携带着能量，为低功耗传感节点的应用提供了一种全新的能量供给模式[1]。已有的微能量收集系统有压电振动能量收集系统，通过压电材料的压电效应，实现机械能对电能的转换，具有电磁干扰小、易于集成化的特点，但产生的能量在微瓦级难以满足网络节点需要;太阳能量收集系统，是光电转换较为成熟的系统，通过光伏电池实现光能和电能的转换，进而产生微瓦至千瓦级的能量输出，具有技术成熟、输出电压稳定的特点，但受制于天气因素以及充电阈值的限制，无法满足网络节点对能量实时性的需求;基于信息技术的飞速发展，空间中存在大量电磁波，射频能量收集系统利用同一信号进行能量和信息的传输，为物联网低功耗网络节点提供能量，不受日照、天气因素的影响，具有广阔的应用空间[2]。但射频能量收集系统受制于能量转换效率以及能量密度的制约，具有一定的局限性，基于此，该文首先对收集系统的硬件电路进行梳理分析，通过天线设计、整流设计以及阻抗匹配电路进行设计，提高能量的收集效率，同时对能量传输机制以及信道分配进行优化，进而实现低功耗节点射频供能的高效传输，提升系统的有效性和可行性。射频能量收集系统如图1所示。

1.2射频供能关键技术分析

1.2.1天线设计

对空间中的射频信号进行采集进而转换为交流电能，离不开接收天线，接收天线决定了接收到的电磁功率[3]。射频能量收集系统常见的天线技术有极化天线、偶极子天线以及贴片天线，极化天线接收信号单一，只能接收极化方向发射的电磁波，当发射天线和接收天线不对等时，会造成能量的流失以及产生失配现象，具有较大的局限性;偶极子天线虽然具有易于集成化的特点但制作工艺复杂，且易受外界环境影响;贴片天线成本低、重量轻，能够实现阻抗、谐振频率和极化的多样性，在无线射频领域得到了广泛应用[4]。

1.2.2匹配电路设计

匹配电路作为天线和整流倍压电路的纽带，通过增加无源的电容和电感使天线的输入阻抗和负载的输出阻抗进行匹配，抑制中心工作频率外的其他波段频率进而使功率实现最大传输。匹配电路的性能参数通过电压驻波比和回波损耗进行评判，电压驻波比又称为驻波系数，可以通过求解等效电路获得;回波损耗是由于阻抗不匹配产生的反射，又称为反射损耗[5]。同时在设计匹配电路的时候需要考虑传输线路的阻值，传输线路阻值的存在会降低传输线路的功率容量，限制匹配电路的适用范围。匹配电路原理图如图2所示。

1.2.3整流倍压电路设计

整流倍压电路（RF-DC）作为射频供能系统中能量收集效率和升压效果的重要一环，其利用二极管的整流效果将匹配电路收集到的交流电正弦波转化为电压值较大的直流电压，继而进行能量存储;同时整流倍压电路的转换效率不仅受二极管的类型影响，还与电路中的容值、电路负载以及电路前端通信网络相关，因此如何提高射频交流转换为直流是整个系统成败的关键[6]。肖恩特二极管具有导通电阻小、导通压降小的特点，可以最大程度地提高整流倍压电路的转换效率，进而使得输出的电压稳定性能好，满足低功耗节点对能量的需求[7]。

2优化节点部署策略

2.1 数据传输机制

自然界中的射频信号受信号距离、节点链路的影响，信号强度以及能量密度呈动态趋势，使得网络节点需要花费一部分能量来维持自身的损耗，为了最大程度地提升射频供能的能效，通过数据传输机制进行分析，对能量感知和能量传输进行分配，进而得到高能效的数据传输方案。该文采用射频信号与能量数据并行传输，提高了射频能量转换效率同时对宽带的利用率也得到了一定提高，进而实现低功耗高能效的数据传输机制。

在对数据传输机制进行优化的同时，需要对能量管理机制进行合理分配，即在降低微控制器和其他电路对能量消耗的同时，提升能量的转化效率。微控制器在接收信号时处于工作模式需要消耗大量的能量进行数据的采集、通信以及计算，当无信号接收时处于休眠状态，此时消耗的能量较小，因此可以通过对休眠状态和工作状态进行合理管理，实现能量的节省。

2.2 信道分配机制

数据的传输面对的是多个信道及不同的次级用户，如何最大限度地提高信道的利用率，进而使每个信道时隙都能够通过中心系统进行信道分配，避免用户间信道的堵塞以及闲置。因此，信道分配机制采用自适应分配，即通过优先级机制，将闲置概率大的信道和优先级高的对象结合起来，实现自适应信道分配，从而避免资源的浪费，信道闲置概率的计算方法为：

式（1）中， 和 表示为次级用户对主用户的干扰程度，即信道i的转移概率，用户优先级的计算方法为：

式（2）中， 为下一级数据存储的最大值， 为数据传输信道增益与射频能量之间的相关系数， 为系统可用能量， 为数据传输信道增益。

3仿真分析与实验

仿真分析与实验通过MATLAB软件以及ADS软件进行模拟仿真，首先对系统硬件的改进如输入射频信号、贴片天线、并行匹配电路以及肖恩特二极管构成的整流倍压电路进行仿真，通过仿真测试系统的各项指标，验证该设计的可行性以及有效性，继而在ADS上搭建模型并计算系统能量收集效率以及电路转换效率，同时对数据传输机制以及信道分配機制进行分析，最后对结果数据分析可知，经过该文射频能量收集系统后，数据传输的能效性和转换效率得到了较大提高，方案具有一定的实用性和有效性。

4结语

该文首先分析了微能量收集系统的研究现状，并对比不同收集系统的优缺点，结合国内外研究现状对射频供能进行研究，并找出影响射频供能的关键技术，在此基础上分析射频供能改进的可能性以及能量转换效率。由于射频信号具有低功率和高频率的特性，能量密度低、不易收集进而导致输出电压低难以满足网络节点的需要，所以需要对射频供能系统进行硬件上的改进，进而降低能量消耗，同时对数据传输机制以及信道分配机制进行优化，提高能量转换效率，最终实现低功耗高能效的射频供能传输系统，并最终提高实验仿真验证系统的有效性。

参考文献

[1] 李燕君，陈雨哲，林瑞仲，等.射频供能传感网面向融合检测的部署调度方法[J].软件学报，2020， 31（12）：3852-3866.

[2] 李松亭，颜盾.射频集成电路校准技术综述[J/OL].电子与信息学报：1-17（2021-11-09）[2021-12-16].https：//www.kns.cnki.net/kcms/detail/11.4494.TN.20211108.1144.014.html.

[3] 孙慧贤，张玉华，李召瑞.射频锁相环电路工作特性仿真与分析[J].计算机仿真，2020，37（3）：414-420.

[4] 葛海江，池凯凯，毛科技，等.无线供能网络节点吞吐量约束的供能最小化方案[J].传感技术学报，2019， 32（9）：1381-1387.

[5] 葛海江，俞湛威，池凯凯.无线供能网络中数据收集的能量效率最大化方案[J].电信科学，2019，35（12）：49-56.

[6] 李未，王楠，李文秀，等.物联网中一种基于无线射频识别和传感器节点的信息收集协议[J].哈尔滨工程大学学报，2019，40（3）：579-585.

[7] 周吉天白.基于超高速下超高频射频识别信道仿真模型的研究[J].科学技术与工程，2019，19（34）：234-238.

基金项目：河南省高等学校重点科研项目计划《基于射频供能的无线传感网络数据高效收集系统应用研究》（项目编号：22B413003）。

作者简介：侯远韶（1986—），男，硕士，讲师，研究方向为机器学习与图像处理。