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电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室（清华大学电机系）的研究人员赵争鸣、王旭东，在2015年第13期《电工技术学报》上撰文，随着无线传感网络应用的普及，能量收集技术作为一种可持续、环保的供电方式，受到了越来越广泛的关注。对能量收集技术进行了总体介绍，重点详细综述了电磁能量收集技术的现状及发展。 首先介绍了电磁能量收集系统的基本结构和工作原理，对系统效率进行了分析。在此基础上从总体收集水平、接收天线的设计、整流电路的设计、超材料和实际应用等方面，对现有研究工作和热点问题进行了总结论述。最后，在当前研究工作的基础之上，对该技术有待研究的问题及发展趋势进行了展望。 1 引言 近年来，无线传感网络(Wireless Sensor Networks, WSN)在许多领域得到应用，如灾害管理、基础设施监控等[1]。目前，电池仍然是传感器节点的主要电源，但随着传感网络分布的环境更广泛、更复杂，电池的维护和更换将成为一个非常棘手的问题。 另外，随着微机电系统(Micro Electro Mechanical System, MEMS)及低功耗电子技术的进步，市场上出现了越来越多的小型、低能耗的手持移动设备。相应地，这些设备需要紧凑、低能耗和重量轻的能量供应方式。而过去十多年，电池在能量密度和体积方面的进步并不明显，限制了这些电子产品的适用范围[2, 3]。 另外，电池本身寿命有限，也会造成环境污染。这些问题使得人们开始关注并寻找电池的辅助或替代方案，即一种可持续、无需人工维护、对环境友好的供电方式。其中，能量收集技术在近几年受到了人们的广泛关注。 能量收集（Energy Harvesting）是一种将环境周围分布式能量进行收集并转换成可使用电能的技术[4]。其中可收集的分布式能量有太阳能、热能、振动和电磁波等多种形式，这些分布式能源的功率密度及可收集的水平如表1[2]所示。 目前，能量收集主要应用于无线传感器、植入体内医疗设备、军事监控设备、偏远地区天气站、计算器、手表、蓝牙手持设备等[5]。已有文献对能量收集技术进行了概要的分类介绍[2, 5]。 表1 不同能源形式的分布和可收集功率密度[2]
本文主要关注电磁能量收集(Electromagnetic Energy Harvesting)，也称射频能量收集(RF Energy Harvesting)。电磁能量收集系统可直接作为无电池系统的电源，也可作为辅助电源为电池充电，或者作为偏远地区电池的备用电源[6]。 表1显示可收集的电磁功率密度相对较低，使得目前电磁能量收集的应用较少。但是周围环境中电视、无线电广播、手机通信、无线局域网等射频信号分布广泛，且功率密度随着无线通信和广播设施的增加还会继续提高。 这一趋势使得电磁能量收集在无线传感网络、射频识别标签和其他一些植入式电子设备中具有广阔的应用前景，成为近几年来国际上的研究热点。 电磁能量传输的概念最早可追溯于19世纪80年代Heinrich Hertz验证电磁波存在的实验[7]。此后Nicola Tesla于1899年首次尝试以无线方式传输功率[8]。现代的射频功率传输则起源于20世纪50年代开始的一系列研究工作[8]，一些标志性的工作有William Brown于1969年将射频功率传输应用于直升机供电[9]以及空间太阳能电站概念的提出[10]等。 发展到今天，无线功率传输(Wireless Power Transmission, WPT )可主要分为两类，即近场传输和远场传输[11]。其中近场传输是基于电磁感应或磁谐振原理实现功率的无线传输，一般通过线圈实现。而远场传输，即微波功率传输（Microwave Power Transmission, MPT）则是通过天线实现电磁波的发射和接收。 电磁能量收集由MPT发展而来。两者虽然同样基于微波传输的原理，但MPT需要设计微波发射源，且传输功率大，频率单一，效率高；电磁能量收集则一般不需要特定的发射源，针对的是空间中广泛分布的电磁波，其特点为多频率，多极化，功率密度低，能量量级小。 目前，国内外已有文献[12, 13]对电磁能量收集在无线传感器应用、生物医学电子方面的应用研究工作进行了相关介绍。国际上诸多高校和企业针对电磁能量收集进行了相关的研究工作，取得了有意义的研究成果。 本文在已有研究工作和相关综述的基础上，从电磁能量收集的基本结构出发，介绍各部分的工作原理；对目前的研究现状和热点问题进行重点概述；并在此基础上，讨论电磁能量收集有待研究的问题及发展趋势。 2 基本结构和工作原理 2.1 基本结构 电磁能量收集的基本结构有两种。第一种结构如图1b所示，由整流天线、DC/DC变换器、储能元件、负载及功率管理单元组成。其中整流天线如图1a所示，由接收天线与二极管整流器组成，收集入射的电磁波，并转换为直流。整流器两侧的高频滤波器和直流滤波器是为了利用宽频谐波，提高功率转换效率[6, 14]。 由于整流天线输出的电压很低，不能直接向负载供电，因此需要DC/DC变换器实现升压。根据升压比例需求，可以使用Boost电路或Flyback升压电路等。储能元件一般为电容[15]、电池、超级电容等。而负载则根据具体的应用，有传感器节点、电池、温湿度测量仪等。 功率管理单元往往起到调节负载、保证高电压增益以及最大功率点跟踪(MPPT)等功能。 第二种结构如图1c所示，由接收天线、阻抗匹配单元、RF/DC整流器和负载组成。由于采用了阻抗匹配，这类结构允许相对独立的天线和整流器设计。RF/DC整流器除了实现整流之外，往往也要提高输出电压，因而多采用电压倍增电路。 图1 电磁能量收集基本结构
结构1整流电路的二极管一般只有一个，可以提高整流效率，但后级的DC/DC变换器需要采用主动开关元件，增加控制复杂度，也会伴随控制损耗和开关损耗。文献[16]提出，当输入功率小于100μW时，控制电路的损耗将占主导。因而此结构适用于高输入功率，要求高可靠性的场合。 结构2由于要实现倍增效果，采用多个二极管，导致整流效率下降，但无需主动开关，系统简单，成本低。此类结构可以提高功率灵敏度，适用于低输入功率和简单的演示系统。另外文献[17]采用了两者的混合结构，如图2所示。 图2 电磁能量收集混合结构
2.2 工作原理（略） 3 研究现状与热点问题 3.1 收集水平 近十年来，国际上相继开展了大量关于电磁能量收集的研究工作。总体收集水平体现在以下方面。 在发射源选择方面，有两种做法。一是选择周围环境中的射频发射源，可以在实际射频环境下进行测试。常用的射频发射源有RFID阅读器[24, 25]、无线电广播发射台[26, 27]、手机信号塔[28,29]、电视基站[15, 28, 30]、无线路由器[17]等。 另一种是选择特定的发射源，一般采用射频信号发生器[19, 31, 32]，作为试验仪器，可以对采集系统进行定量的分析研究。发射源的频率一般设置在工业科学医疗（Industrial Scientific Medical, ISM）频段。 在可收集功率方面，一般电磁能量收集的功率水平在微瓦量级[23]，而能处理的入射功率的灵敏度，在低输入功率场合下一般可达到-20 dBm[19]，而有文献设计的倍压整流电路最低可处理-32 dBm的射频功率[33]。 由2.2.2节可知，电磁能量收集的效率受多方面因素的共同影响，特别是入射功率。文献[34]在入射功率达到10dBm时，可以实现78%[34]的转换效率。而当入射功率较低，接近周围环境分布水平时，效率会明显下降。文献[35]在-20 dBm的输入功率下的效率仅为18%。当发射源输出功率一定时，效率与发射源与接收天线的距离有关，文献[17]在距离无线路由器距离为40cm时，效率达到了33.7%，而当距离增加到2.4m时，效率下跌至9.76%。 3.2 天线设计 在电磁能量收集系统中，接收天线直接决定了可收集到的电磁功率。目前的研究工作中多采用微带贴片天线，基本的微带天线是由带导体接地板的介质基片上贴加导体薄片形成[36]，简单的结构示意图如图4所示。 图4 矩形微带贴片天线结构示意图
微带贴片天线被广泛使用，是因其剖面薄、重量轻和体积小，可用印刷电路技术批量生产，加工简便，造价低，以及便于实现多样化的极化和工作频带等特性[6, 36]。但与此同时，微带天线本身具有窄带特性，不适用于宽频带能量收集。目前已有多种途径，如可采用增加基片厚度，降低介质介电常数等途径来展宽微带天线的频带[37]。 除了微带贴片天线外，其他类型天线如棒状天线(rod antenna)[26]、单极子天线[31]、偶极子天线[15, 30]、环形天线[32]、等角螺旋天线[38]、对数周期天线[39]等也在电磁能量收集系统中得到了应用。为了提高接收天线收集电磁波的能力，许多针对接收天线的研究工作主要集中在宽频带[14, 38, 40-48]、多极化[16, 49, 50]、小型化[51-53]以及阵列化[54-57]等主要研究方向上。 3.2.1宽频化 由于周围环境中分布着不同频带的电磁波，实现电磁能量收集的宽频化是提高收集功率的有效方法。宽频能量收集系统有两种实现方式，如图5所示。 系统1每个天线单元工作在单一频率，可以独立设计匹配网络和整流电路[41]，但会增加系统尺寸和复杂度[58]。系统2使用宽频天线代替多个天线单元组合，降低了系统的复杂度，减小了尺寸，便于应用，但同时也给后级的阻抗匹配和整流电路的设计增加了难度[42, 45]。 在电磁能量收集系统中使用的宽频化天线有分频段的双频天线[46, 47]、多频天线[42,43]，也有在一个频带范围内的宽频天线[14, 38, 40, 44, 45, 48]。 电磁能量收集系统中常用的宽频天线是平面等角螺旋天线[38, 44, 48]，示意图见图6a。由于平面等角螺旋天线具有自互补结构，即金属部分和空隙部分形状相同，理论上，其输入阻抗不随频率变化，因而具有宽频特性[59]。另外，文献[45]设计了基于平面单极子天线（图6b）的宽带电磁能量收集系统，频率覆盖900 MHz-3 GHz。其他类型的宽频天线还有宽频差分天线[40]和十字形偶极子天线[14]等。 图5 宽频电磁能量收集系统
图6 平面宽带天线[45, 59]
3.2.2多极化（略） 电磁波的极化是指电磁波的电场强度在空间中的大小和方向随时间的变化方式[60]，也会影响电磁波的收集。由于入射电磁波的极化会随着发射源以及周围环境的变化而变化，因而接收天线的多极化设计显得非常有意义。 文献[16]提出双线性极化的整流天线可以对入射的电磁波在正交的两个极化方向上独立地进行收集和整流，与单一方向的线极化天线相比，提高了整体的效率。 文献[50]利用双线性的方形贴片，通过两个整流电路分别处理两个极化方向上的电磁波，再在直流端进行组合，实现了双极化的接收天线。圆极化天线因其对极化方向的不敏感，在电磁能量收集系统中更具优势。 文献[6]提出通过对两个正交模式施加带90度相移的激励，可以实现圆极化。 3.2.3小型化 对于微带贴片天线，其尺寸通常为工作波长的一半。在低频场合，半波长的尺寸将不利于实际应用。而便携式无线设备的普及，也对天线的小型化提出了更高的要求。 目前已有多种实现微带天线小型化的方法，包括使用高介电常数的介质基板，在基本的贴片形状基础上做改动，将贴片与地层短路以及这几种方法的联合设计[6]。这几种方法可以有效减小接收天线的尺寸，但同时也会带来一些其他问题。 使用高介电常数的介质基板，会降低带宽，同时增加成本和损耗[6, 53]。改变贴片形状会导致部分贴片区域不能得到有效利用[6]。将贴片与地层短路，会造成交叉极化效应，降低带宽[53]。 除了以上几种方式外，最近也有文献[52, 53]采用折叠贴片的方式，在降低尺寸的同时，保证较高的带宽。文献[52]采用将矩形贴片折叠成两层的方式，降低了天线的尺寸，并通过在地层开槽，实现了整体尺寸29%的下降。 3.2.4阵列化 天线阵列可以有效增加收集电磁波的接收面积，在入射功率密度较低的情况下，提高所收集的电磁功率。 文献[55]比较了两种利用接收天线阵列的系统方案，如图7所示。方案1采用在射频端将天线阵列组合，只需一个反馈网路及相应的整流电路，系统简单。而且由于所有射频功率集中到一个整流电路，可以提高整流效率，但对电磁波的入射角敏感。 而方案2为每个天线单元设置独立的整流电路，再在直流端进行组合，减弱了天线单元间的耦合，对入射角度不明显，适用于分布式的电磁能量收集以及基于整流天线的收集系统。另外，针对整流天线的阵列方案，文献[57]比较了串联、并联和级联三种方案，如图8所示。结果表明级联方案更适于低功率场合。 图7 天线阵列电磁能量收集系统
图8 整流天线阵列方案
3.3 整流电路设计 整流二极管是整流电路中的关键部分，主要影响整流效率。文献[23]对几种主要的整流二极管的历史和发展现状作了详细的阐述，并指出技术最为成熟的肖特基二极管在目前以及今后的几十年里将在电磁能量收集中扮演重要的角色。 与此同时，隧道二极管、金属-绝缘体-金属(Metal-Insulator-Metal, MIM)二极管、自旋二极管等技术虽然尚不成熟，但在整流性能或成本等方面都比较有竞争力。 对整流电路拓扑的研究主要针对倍压整流电路。文献[19, 21, 61]分析了整流电路阶数对电压增益和整流效率的影响。在不同的入射功率等级下，整流电路的最优阶数也不同[19]。文献[19]据此设计了两个不同阶数的整流电路，根据入射的电磁功率等级做切换，使系统在-20～20 dBm的功率范围内可以有效收集。 文献[62]通过在倍压整流电路前加入LC谐振电路（图9），提高整流电路输入侧的射频信号的幅值，在只用了两阶电压倍增电路的情况下，实现了23倍的电压增益。文献[63]提出利用石英晶振代替图9中的电感L,可以实现高质量因数，在保证电压增益的条件下减小损耗。 文献[42, 64, 65]的工作提高了整流电路的频带。文献[64]利用源牵引的方法，通过优化设计多枝节匹配网络，在2.1 GHz和2.45 GHz实现了双频整流。文献[42]提出了一个级联式的整流电路，如图10所示。通过调节电感L2,L3和L4实现了可同时工作在940 MHz，1.95 GHz和2.44 GHz三个频段的整流电路。文献[65]利用源牵引(source pull)的仿真方法，设计了一个三阶传输线低通匹配网络，在输入功率为25 mW，频率范围0.78~1.43GHz内，效率超过了50%。 图9 带谐振电路的射频整流电路
图10 三个频段的整流电路图
3.4 超材料应用 超材料(meta-material)是具有奇异电磁特性的人工材料，一般由远小于波长的结构单元周期性排列构成，如同时具有负折射率和负磁导率的左手材料[66]。构成左手材料的一种基本结构是开口谐振环(Split-Ring Resonator, SRR)，如图11a所示。 在谐振频率处会表现出强烈的非线性，呈现出负磁导率[67]。文献[68-72]利用SRR谐振时电场集中的特点（图11b），验证了SRR作为电磁能量收集单元的可行性。由于SRR的大小一般为 图11 SRR结构单元谐振时的电场分布[68]
超材料另一个引人关注的特性是利用单元结构参数的变化实现渐变的电磁参数，根据变换光学的原理来控制电磁波的传播路径[74]。这一特性的成功应用是电磁隐身[75]及电磁“黑洞”[76, 77]。如图12所示，电磁黑洞可以对入射的电磁波起到汇聚效果，有望应用于电磁能量收集，提高入射波的功率密度。 图12 高斯光束入射到电磁黑洞表面的数值结果
3.5 应用研究 国外一些高校和企业已经对电磁能量收集进行了较为广泛和深入的研究，虽然目前尚未有商业化的应用，但已有不少研究工作将注意力放在了实际应用上。 电磁能量收集的主要应用是向无线传感器节点供电。大多数传感器节点在睡眠模式消耗几十微瓦，在工作模式消耗几百微瓦。功率等级基本符合电磁能量收集的收集水平，特别是传感器节点本身允许间歇性工作，非常适合使用能量收集。 目前已有许多文献[1, 11, 15, 16, 21, 48, 78]概述了这方面的研究工作。文献[16]提出了图13所示的系统框图，并对各部分的效率进行了分析。文献[11]进一步分析了系统的三种运行模式：启动模式、睡眠模式和工作模式间的相互关系和切换策略，并对实际系统进行了实验验证。 如何在低输入功率的条件下提高传感器工作的占空比是传感器应用的一个关键问题，文献[15]考虑了电容的漏电流效应，提出一种自适应的占空比控制方法，提高了系统的效率。 其他针对电磁能量收集的应用研究还有无线通信[30]以及向一些小功率电子设备供电，如温湿度测量仪[39]等。 图13 电磁能量收集供电的传感器系统框图
4 待研究问题与发展趋势 尽管近10年来，国际上对电磁能量收集技术持续开展了相关的研究工作，但与其他能量收集方式相比（如机械振动、温差、应力等），目前的研究还不够充分，尚没有成熟的应用，仍有不少问题有待解决，主要体现在以下几个方面。 1）宽频化是电磁能量收集系统的主要发展方向，但目前在宽带匹配网络以及宽带整流电路的设计方面，尚存在较大的难度，缺乏统一有效的设计方法和完整的理论分析，从而影响了整个系统的宽频响应。 2）天线的尺寸是制约应用的关键因素，但天线的小型化往往会带来增益和带宽的下降，从而使可收集的电磁功率下降。尽管超材料的应用可以有效减小收集系统的体积，但仍需克服窄带宽的缺点。 3）由于入射的电磁波随时间和环境的波动性强，且负载条件往往也会发生改变，要提高应用的可靠性研究，就必须引入功率管理电路。但在周围射频功率密度较低时，功率管理电路会由于功率不足而失效，不具有可行性。 4）目前绝大多数的研究工作主要针对某些已知的射频发射源或由信号发生器产生的特定发射源，而周围分布式的电磁能量功率密度低、频率范围广、波动性强等特点并未得到充分的研究，也造成了研究工作难以转化为实际应用。 尽管电磁能量收集技术尚不成熟，但不受时间和空间限制的电磁波以及无线应用的急剧增长，都使得电磁能量收集有着很大的发展潜能和应用前景。 电磁能量收集在今后的发展趋势主要体现在： 1）研究有效的宽带匹配网络和整流电路，提高整个系统的宽带性能。 2）进一步研究整流器件和低功耗的电子电路，提高整个系统的功率灵敏度，进而提高系统的应用范围。 3）开展天线的小型化和集成化研究，推动电磁能量收集系统在移动便携式设备上的应用。 4）充分利用超材料在体积和收集效率方面的优势，通过超材料的宽频化设计及电磁“黑洞”的概念，有望对现有的技术水平取得突破。 5 结论 本文分析综述了电磁能量收集技术的研究现状和发展情况，分析了电磁能量收集系统的基本结构及各部分的工作原理，在此基础上综述了目前国际上的主要研究方向和热点问题： 首先，从发射源、频率、功率等级和效率等方面对电磁能量收集的整体水平作了概述；然后介绍了几种主要的接收天线，并分别从宽频化、多极化、小型化和阵列化几个方面论述了接收天线设计的主要研究工作；针对整流电路，主要从器件、拓扑以及宽频化设计等方面进行了概述；最后介绍了在超材料应用和实际应用方面的一些研究工作。 本文的最后部分，针对目前的研究工作，提出了一些在系统宽频化、小型化、可靠性以及实际应用等方面尚待解决的问题，并讨论了未来的发展趋势。 可以看到，虽然电磁能量收集在近10年来才开始受到关注，但国际上已经进行了广泛的研究工作，取得了引人关注的成果。相比之下，国内这方面的研究还很不足，有待积极地开展深入研究。 从现有的研究工作和今后的发展趋势来看，针对电磁能量收集的基础研究工作正在加速进行，将推动该项技术的实质性进步并逐步走向实际应用，可以预计，电磁能量收集技术的发展将给人类文明生活带来有意义的影响和改变。 |
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