基于環(huán)境電磁波的無線傳感器節(jié)點供電設計1

本文研究了一種環(huán)境電波能源獲取技術，提出了收集環(huán)境中雜散電磁波對無線傳感器節(jié)點進行供電的一種新方案?？臻g環(huán)境中廣播電視塔、無線通訊設備、移動基站等幾乎全天候輻射電磁波，因此環(huán)境電磁波能源有較好的空間分布性和穩(wěn)定來源，特別是廣播電視塔、移動基站等，輻射功率較大。2010年，日本的Hiroshi Nishimoto嘗試收集電視信號能量給WSN供電，在距東京電視塔4 km處收集到15～20μW的能量，并在為期7天的測試中證明了電視信號能量的穩(wěn)定性。D.Bouchouicha測試了城市環(huán)境中0.68～3.6 GHz之間的頻譜圖，并利用螺旋天線在一個WiFi基站附近收集到200 mV的輸出電壓。雖然大功率發(fā)射源擴展了環(huán)境電磁波供電的傳感器節(jié)點的工作范圍，但在環(huán)境電磁波較弱的區(qū)域如何有效收集能量，并把微弱能量轉換升壓以保障節(jié)點正常工作成為應用的一大難點。

　　本文研究利用環(huán)境AM電波為無線傳感器節(jié)點工作方案的可行性，設計了相應的電源管理電路，使節(jié)點在環(huán)境電磁波較少的區(qū)域也能保持工作。此外對電磁波能源的穩(wěn)定性、有效工作范圍和傳感器節(jié)點的性能進行了相關測試和分析。

　　1 環(huán)境電磁波能量收集方案

　　1.1 環(huán)境電磁波頻譜能量測量分析

　　環(huán)境中充滿各種頻段的電磁波，如數百kHz的AM廣播信號，幾十MHz的FM廣播信號，數百MHz的TV信號，約900 MHz和1 800 MHz的GSM信號，2.4 GHz的ISM信號等，能量收集的第一步就是分析測量空間電磁波的分布情況，選擇其中空間輻射場強較大的波段進行接收，從而提取較大的穩(wěn)定能量。以所處環(huán)境為例，測試了天線架設處的環(huán)境電磁波頻譜能量分布圖，結果如圖1所示。圖中反映出有幾個峰值點。對功率較大的AM頻段進一步測試，結果如圖2所示，可以選取能量最大的頻段為能量獲取信號源，如810 kHz的AM電波，測試點距中波發(fā)射臺8km，發(fā)射功率10 kW。

　　1.2 電磁波能量收集方案

　　設計的電磁波能量收集方案如圖3所示。首先通過天線和諧振電路獲取信號，其次通過倍壓整流電路對信號放大和能量轉換，再通過電源管理電路將能量供給微功耗節(jié)點執(zhí)行通信等任務。

　　電能搜集天線需要高增益、等效接收面積大、較寬的頻帶，傳統(tǒng)天線形式難以適應。擬收集的810 kHz AM電波波長為370 m，為與接收波長相比擬，天線最佳接收長度需達到數百米，實現困難。文中采用了接地的L型天線，長度為10 m，距地2 m，在天線末端加可調電感將天線調諧到最佳接收頻率，得到最大輸出功率。10 m雖然未達到最佳接收長度，但通過調諧，最大輸出功率可達85μW。該天線的不足是必須接地，但實際研究發(fā)現，一些不接地的導體也可以當作天線，只要面積足夠大，例如鐵柜、鋁合金窗、樓頂水箱等。

　　為使接受到的信號能量驅動傳感器節(jié)點工作必須進行整流放大。天線接受的電能在μV～mV量級，對后續(xù)整流、升壓、儲能及電源管理都提出了挑戰(zhàn)。其中電路中的開關、整流器等自身的損耗不可避免。