摘要：綠色環(huán)保通信方式的提出，為環(huán)境保護提供了有益的研究方向。射頻信號在傳遞信息的同時，攜帶能量可以為受限環(huán)境下的無線傳感節(jié)點提供能量來源，解決傳統(tǒng)化石能源環(huán)境污染的問題，作為一種共享頻譜的資源收集渠道受到了關(guān)注。傳統(tǒng)的射頻信號受功率轉(zhuǎn)換效率以及能量收集技術(shù)的限制，從射頻信號中捕獲的能量密度較低，頻譜使用率不足導致輸出電壓低，無法大范圍使用?；诖?，該文從分別從軟硬件方面進行改進，通過天線設(shè)計、整流設(shè)計以及阻抗匹配電路進行設(shè)計，同時對能量傳輸機制以及信道分配進行優(yōu)化，進而實現(xiàn)低功耗節(jié)點射頻供能高效傳輸，最后通過實驗仿真并與其他方案進行對比，驗證系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞：低功耗射頻供能能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)優(yōu)化

中圖分類號：TP391.4? ?文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：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射頻能量收集技術(shù)

1.1微能量收集系統(tǒng)

傳統(tǒng)的供電方式生命周期有限，且受制于各種因素影響更換、維護麻煩。射頻信號無需頻繁更換不受物理特性限制，在傳輸信息的同時，攜帶著能量，為低功耗傳感節(jié)點的應用提供了一種全新的能量供給模式[1]。已有的微能量收集系統(tǒng)有壓電振動能量收集系統(tǒng)，通過壓電材料的壓電效應，實現(xiàn)機械能對電能的轉(zhuǎn)換，具有電磁干擾小、易于集成化的特點，但產(chǎn)生的能量在微瓦級難以滿足網(wǎng)絡節(jié)點需要;太陽能量收集系統(tǒng)，是光電轉(zhuǎn)換較為成熟的系統(tǒng)，通過光伏電池實現(xiàn)光能和電能的轉(zhuǎn)換，進而產(chǎn)生微瓦至千瓦級的能量輸出，具有技術(shù)成熟、輸出電壓穩(wěn)定的特點，但受制于天氣因素以及充電閾值的限制，無法滿足網(wǎng)絡節(jié)點對能量實時性的需求;基于信息技術(shù)的飛速發(fā)展，空間中存在大量電磁波，射頻能量收集系統(tǒng)利用同一信號進行能量和信息的傳輸，為物聯(lián)網(wǎng)低功耗網(wǎng)絡節(jié)點提供能量，不受日照、天氣因素的影響，具有廣闊的應用空間[2]。但射頻能量收集系統(tǒng)受制于能量轉(zhuǎn)換效率以及能量密度的制約，具有一定的局限性，基于此，該文首先對收集系統(tǒng)的硬件電路進行梳理分析，通過天線設(shè)計、整流設(shè)計以及阻抗匹配電路進行設(shè)計，提高能量的收集效率，同時對能量傳輸機制以及信道分配進行優(yōu)化，進而實現(xiàn)低功耗節(jié)點射頻供能的高效傳輸，提升系統(tǒng)的有效性和可行性。射頻能量收集系統(tǒng)如圖1所示。

1.2射頻供能關(guān)鍵技術(shù)分析

1.2.1天線設(shè)計

對空間中的射頻信號進行采集進而轉(zhuǎn)換為交流電能，離不開接收天線，接收天線決定了接收到的電磁功率[3]。射頻能量收集系統(tǒng)常見的天線技術(shù)有極化天線、偶極子天線以及貼片天線，極化天線接收信號單一，只能接收極化方向發(fā)射的電磁波，當發(fā)射天線和接收天線不對等時，會造成能量的流失以及產(chǎn)生失配現(xiàn)象，具有較大的局限性;偶極子天線雖然具有易于集成化的特點但制作工藝復雜，且易受外界環(huán)境影響;貼片天線成本低、重量輕，能夠?qū)崿F(xiàn)阻抗、諧振頻率和極化的多樣性，在無線射頻領(lǐng)域得到了廣泛應用[4]。

1.2.2匹配電路設(shè)計

匹配電路作為天線和整流倍壓電路的紐帶，通過增加無源的電容和電感使天線的輸入阻抗和負載的輸出阻抗進行匹配，抑制中心工作頻率外的其他波段頻率進而使功率實現(xiàn)最大傳輸。匹配電路的性能參數(shù)通過電壓駐波比和回波損耗進行評判，電壓駐波比又稱為駐波系數(shù)，可以通過求解等效電路獲得;回波損耗是由于阻抗不匹配產(chǎn)生的反射，又稱為反射損耗[5]。同時在設(shè)計匹配電路的時候需要考慮傳輸線路的阻值，傳輸線路阻值的存在會降低傳輸線路的功率容量，限制匹配電路的適用范圍。匹配電路原理圖如圖2所示。

1.2.3整流倍壓電路設(shè)計

整流倍壓電路（RF-DC）作為射頻供能系統(tǒng)中能量收集效率和升壓效果的重要一環(huán)，其利用二極管的整流效果將匹配電路收集到的交流電正弦波轉(zhuǎn)化為電壓值較大的直流電壓，繼而進行能量存儲;同時整流倍壓電路的轉(zhuǎn)換效率不僅受二極管的類型影響，還與電路中的容值、電路負載以及電路前端通信網(wǎng)絡相關(guān)，因此如何提高射頻交流轉(zhuǎn)換為直流是整個系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵[6]。肖恩特二極管具有導通電阻小、導通壓降小的特點，可以最大程度地提高整流倍壓電路的轉(zhuǎn)換效率，進而使得輸出的電壓穩(wěn)定性能好，滿足低功耗節(jié)點對能量的需求[7]。

2優(yōu)化節(jié)點部署策略

2.1 數(shù)據(jù)傳輸機制

自然界中的射頻信號受信號距離、節(jié)點鏈路的影響，信號強度以及能量密度呈動態(tài)趨勢，使得網(wǎng)絡節(jié)點需要花費一部分能量來維持自身的損耗，為了最大程度地提升射頻供能的能效，通過數(shù)據(jù)傳輸機制進行分析，對能量感知和能量傳輸進行分配，進而得到高能效的數(shù)據(jù)傳輸方案。該文采用射頻信號與能量數(shù)據(jù)并行傳輸，提高了射頻能量轉(zhuǎn)換效率同時對寬帶的利用率也得到了一定提高，進而實現(xiàn)低功耗高能效的數(shù)據(jù)傳輸機制。

在對數(shù)據(jù)傳輸機制進行優(yōu)化的同時，需要對能量管理機制進行合理分配，即在降低微控制器和其他電路對能量消耗的同時，提升能量的轉(zhuǎn)化效率。微控制器在接收信號時處于工作模式需要消耗大量的能量進行數(shù)據(jù)的采集、通信以及計算，當無信號接收時處于休眠狀態(tài)，此時消耗的能量較小，因此可以通過對休眠狀態(tài)和工作狀態(tài)進行合理管理，實現(xiàn)能量的節(jié)省。

2.2 信道分配機制

數(shù)據(jù)的傳輸面對的是多個信道及不同的次級用戶，如何最大限度地提高信道的利用率，進而使每個信道時隙都能夠通過中心系統(tǒng)進行信道分配，避免用戶間信道的堵塞以及閑置。因此，信道分配機制采用自適應分配，即通過優(yōu)先級機制，將閑置概率大的信道和優(yōu)先級高的對象結(jié)合起來，實現(xiàn)自適應信道分配，從而避免資源的浪費，信道閑置概率的計算方法為：

式（1）中， 和 表示為次級用戶對主用戶的干擾程度，即信道i的轉(zhuǎn)移概率，用戶優(yōu)先級的計算方法為：

式（2）中， 為下一級數(shù)據(jù)存儲的最大值， 為數(shù)據(jù)傳輸信道增益與射頻能量之間的相關(guān)系數(shù)， 為系統(tǒng)可用能量， 為數(shù)據(jù)傳輸信道增益。

3仿真分析與實驗

仿真分析與實驗通過MATLAB軟件以及ADS軟件進行模擬仿真，首先對系統(tǒng)硬件的改進如輸入射頻信號、貼片天線、并行匹配電路以及肖恩特二極管構(gòu)成的整流倍壓電路進行仿真，通過仿真測試系統(tǒng)的各項指標，驗證該設(shè)計的可行性以及有效性，繼而在ADS上搭建模型并計算系統(tǒng)能量收集效率以及電路轉(zhuǎn)換效率，同時對數(shù)據(jù)傳輸機制以及信道分配機制進行分析，最后對結(jié)果數(shù)據(jù)分析可知，經(jīng)過該文射頻能量收集系統(tǒng)后，數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪苄院娃D(zhuǎn)換效率得到了較大提高，方案具有一定的實用性和有效性。

4結(jié)語

該文首先分析了微能量收集系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，并對比不同收集系統(tǒng)的優(yōu)缺點，結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀對射頻供能進行研究，并找出影響射頻供能的關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上分析射頻供能改進的可能性以及能量轉(zhuǎn)換效率。由于射頻信號具有低功率和高頻率的特性，能量密度低、不易收集進而導致輸出電壓低難以滿足網(wǎng)絡節(jié)點的需要，所以需要對射頻供能系統(tǒng)進行硬件上的改進，進而降低能量消耗，同時對數(shù)據(jù)傳輸機制以及信道分配機制進行優(yōu)化，提高能量轉(zhuǎn)換效率，最終實現(xiàn)低功耗高能效的射頻供能傳輸系統(tǒng)，并最終提高實驗仿真驗證系統(tǒng)的有效性。

參考文獻

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基金項目：河南省高等學校重點科研項目計劃《基于射頻供能的無線傳感網(wǎng)絡數(shù)據(jù)高效收集系統(tǒng)應用研究》（項目編號：22B413003）。

作者簡介：侯遠韶（1986—），男，碩士，講師，研究方向為機器學習與圖像處理。