一、 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。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。
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。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。已有文献对能量收集技术进行了概要的分类介绍。
表1 不同能源形式的分布和可收集功率密度
二、 基本结构和工作原理
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。
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、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
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
3.2.2 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。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。改变贴片形状会导致部分贴片区域不能得到有效利用。将贴片与地层短路，会造成交叉极化效应，降低带宽。
除了以上几种方式外，最近也有文献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。
3.2.3 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
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。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。分析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。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。
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。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。
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。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。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
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。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，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以及向一些小功率电子设备供电，如温湿度测量仪等。
图13 电磁能量收集供电的传感器系统框图
(审核编辑: 智汇张瑜)
