基于環(huán)境電磁波的無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電設(shè)計1

本文研究了一種環(huán)境電波能源獲取技術(shù)，提出了收集環(huán)境中雜散電磁波對無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電的一種新方案。空間環(huán)境中廣播電視塔、無線通訊設(shè)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(kuò)展了環(huán)境電磁波供電的傳感器節(jié)點(diǎn)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(zhuǎn)換升壓以保障節(jié)點(diǎn)正常工作成為應(yīng)用的一大難點(diǎn)。

　　本文研究利用環(huán)境AM電波為無線傳感器節(jié)點(diǎn)工作方案的可行性，設(shè)計了相應(yīng)的電源管理電路，使節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的性能進(jìn)行了相關(guān)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(shù)百kHz的AM廣播信號，幾十MHz的FM廣播信號，數(shù)百M(fèi)Hz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(qiáng)較大的波段進(jìn)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(shè)處的環(huán)境電磁波頻譜能量分布圖，結(jié)果如圖1所示。圖中反映出有幾個峰值點(diǎn)。對功率較大的AM頻段進(jìn)一步測試，結(jié)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(diǎn)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(shè)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(zhuǎn)換，再通過電源管理電路將能量供給微功耗節(jié)點(diǎn)執(zhí)行通信等任務(wù)。

　　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(yīng)。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(dá)到數(shù)百米，實現(xiàn)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(diào)電感將天線調(diào)諧到最佳接收頻率，得到最大輸出功率。10 m雖然未達(dá)到最佳接收長度，但通過調(diào)諧，最大輸出功率可達(dá)85μW。該天線的不足是必須接地，但實際研究發(fā)現(xiàn)，一些不接地的導(dǎo)體也可以當(dāng)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(qū)動傳感器節(jié)點(diǎn)工作必須進(jìn)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(guān)、整流器等自身的損耗不可避免。