基于環境電磁波的無線傳感器節點供電設計1

本文研究了一種環境電波能源獲取技術，提出了收集環境中雜散電磁波對無線傳感器節點進行供電的一種新方案。空間環境中廣播電視塔、無線通訊設備、移動基站等幾乎全天候輻射電磁波，因此環境電磁波能源有較好的空間分布性和穩定來源，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定性。D.Bouchouicha測試了城市環境中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。雖然大功率發射源擴展了環境電磁波供電的傳感器節點的工作范圍，但在環境電磁波較弱的區域如何有效收集能量，并把微弱能量轉換升壓以保障節點正常工作成為應用的一大難點。

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

　　1 環境電磁波能量收集方案

　　1.1 環境電磁波頻譜能量測量分析

　　環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，從而提取較大的穩定能量。以所處環境為例，測試了天線架設處的環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，測試點距中波發射臺8km，發射功率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點執行通信等任務。

　　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，對后續整流、升壓、儲能及電源管理都提出了挑戰。其中電路中的開關、整流器等自身的損耗不可避免。