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[摘要]随着信息时代的到来，我们生活的环境中有越来越多的无线通信设备，例如中波/短波/调频广播、电视、手机、WiFi、蓝牙等，并且存在着大量发射杂散辐射干扰的电气设备，如电机、开关电源等。这些电磁波几乎分布在数十赫兹至数吉赫兹的所有频段内，而且现有的频谱资源已经十分拥挤，因此环境中存在着无处不在、无时不在的电磁波。
[关键词]空间电磁供电传感器
中图分类号：TU972+.2 文献标识码：TU 文章编号：1009―914X（2013）31―0592―01
通常意义上，频谱上过分拥挤的电磁波是有害的，对于通信设备来说，空间内存在的电磁波属于干扰；对于人体来说，电磁波会影响健康。因此目前有大部分的研究集中在如何减少电磁波辐射（电磁兼容）、如何有效管理和利用十分紧张的频谱资源（各类新型的通信体制）、如何防护电磁波的领域。而今天我们将尝试一种新的研究思路：利用这些无处不在的干扰电磁波，将这些其转化为电能，为微功耗无线传感器提供永久电能。
电磁波能量本身十分微弱，根据初步的实验，比目前现有的微功耗节点功耗低2~3个数量级，故需要针对这类微弱电磁波能量的搜集、存储、以及传感器节点的微功耗设计等若干关键技术展开研究，在天线结构、升压及储能方法、传感器微功耗化等方面采用一定的创新性设计，实现一台原理样机并进行测试，验证搜集电磁波能源可行性，给出电磁波能量搜集的可实用化的解决方案，并对性能指标做出评估。
为实现上述目标，研究主要针对以下内容开展：
（1）可行性分析
在我们日常的生活空间中充满了各个频段的电磁波，图1示意了常见的各类电磁波辐射源，如工频设备、开关电源、各种广播电视信号，手机、蓝牙、WiFi等，从数十赫兹至数吉赫兹的各个频段几乎都被占满。
为了验证该项目的可行性，课题小组开展了前期的验证实验，用相对简易的方法对空间电磁波强度进行了初步测量，以验证空间电磁波能否为无线传感器提供足够的能量。
实验原理及过程：电磁波可以分为电场分量与磁场分量两部分能量，课题小组绕制了一只面积为1m2的环形天线，以测量日常环境中穿过单位面积内的磁场总能量，天线上所感应的交变电信号通过检波电路转换成直流电，再通过测量检波电路输出端的开路电压与短路电流，计算负载匹配时天线上可获得的最大功率，并和传感器节点的功耗进行比较，以验证方案可行性。
实验过程：分别占三楼和四楼楼顶（不同高度），依次测量当天线面朝不同方向时的开路电压和短路电流，实验结果如表1所示。
表1：空间电磁波测量实验数据
楼层
方向 三楼楼顶 四楼楼顶
开路电压（mV） 短路电流（uA） 开路电压（mV） 短路电流（uA）
东西 401 0.77 420 0.80
东北/西南 399 0.75 409 0.77
南北 378 0.72 391 0.76
西北/东南 398 0.76 399 0.78
从实验结果中可以看出，检波器输出端开路电压平均值Uo=395mV，短路电流平均值Is=0.75uA。把检波器的输出看作微功耗无线传感器节点的电源，要使外电路获得最大功率，外电路电阻RL等于电源内阻Rs，即：
RL=Rs=Uo/Is=527KΩ（1）
考虑到升压电路效率为60%左右，此时外电路获得的最大功率Pmax为：
Pmax=（Uo/2Rs）×（Uo/2Rs）×Rs×60%=0.148uW
如此小的功率显然无法直接驱动无线传感器节点工作，因此考虑采用间歇工作方式。暂不考虑电源管理功耗，假设节点每次以9600bps传输10字节数据，则需要t0=8.3ms。当节点工作电压U0=3V时，按照典型的射频前端发射电流I0=20mA计算，则传感器一次传输需要消耗的能量W0为：
W0 = U0×I0×t0=0.498（J） （3）
则理想状态下，估算传感器工作一次需要搜集电能的时间为：
T= W0/Pmax=46.9 min（4）
从实验及推导的结果可知，搜集单位面积内的电磁波能量，在不到一小时的时间内可以为典型的无线传感器节点提供一次通信所需的能量，通过升高天线高度、增加面积等手段，还能够获得更大的能量。证明该课题理论上可行，且能够满足某些低速率通信（如环境监测等）的需求。
（2）电能搜集天线设计方案
搜集空间中中波段电磁波来给节点供能，常见的中波天线分为线形天线、磁棒天线、环形天线、蜘蛛网形天线等类型。上述天线各有特点，线形天线可临时拉设，但因为中波段波长较长，需要很长的天线，且信噪比低，且无法调整方向。磁棒天线体积小，灵敏度高，但难以在业余条件下加工大型的磁性材料。
（3）低功耗升压及电源管理电路方案。
为保证微功耗节点获得最大的能量，需要超低功耗的升压电路，由于收集到的电磁波经检波后的电流小于1uA，其电流已经低于现有电荷泵等低功耗升压IC的静态电流，本项目拟自行设计超低功耗的升压、储能及电源管理电路。
传统的电源管理电路依赖于在处理器的管理下将各模块休眠，但目前低功耗处理器（如MSP430系列）即使在休眠状态工作也会消耗几微安到电流，加上射频IC约2uA的静耗，大于电磁波搜集的电流，因而无法工作。本项目中拟提出一种不依赖于处理器的电源管理方案，如图。通过倍压检波电路将电磁波能量存储于电容中，当电能收集和储存达到一定的能量阈值后，才接通传感器节点电源，通过锁存使传感器正常工作，这样可以消除处理器和射频前端休眠状态下的消耗，保证了在收空间电磁波产生的有限电能下微功耗节点的工作，这是本实验的创新点之一。
作者简介
李盼菲，（1991-07）女，河南洛阳人。郑州大学物理工程学院2010级本科生 测控技术与仪器专业.
[关键词]空间电磁供电传感器
中图分类号：TU972+.2 文献标识码：TU 文章编号：1009―914X（2013）31―0592―01
通常意义上，频谱上过分拥挤的电磁波是有害的，对于通信设备来说，空间内存在的电磁波属于干扰；对于人体来说，电磁波会影响健康。因此目前有大部分的研究集中在如何减少电磁波辐射（电磁兼容）、如何有效管理和利用十分紧张的频谱资源（各类新型的通信体制）、如何防护电磁波的领域。而今天我们将尝试一种新的研究思路：利用这些无处不在的干扰电磁波，将这些其转化为电能，为微功耗无线传感器提供永久电能。
电磁波能量本身十分微弱，根据初步的实验，比目前现有的微功耗节点功耗低2~3个数量级，故需要针对这类微弱电磁波能量的搜集、存储、以及传感器节点的微功耗设计等若干关键技术展开研究，在天线结构、升压及储能方法、传感器微功耗化等方面采用一定的创新性设计，实现一台原理样机并进行测试，验证搜集电磁波能源可行性，给出电磁波能量搜集的可实用化的解决方案，并对性能指标做出评估。
为实现上述目标，研究主要针对以下内容开展：
（1）可行性分析
在我们日常的生活空间中充满了各个频段的电磁波，图1示意了常见的各类电磁波辐射源，如工频设备、开关电源、各种广播电视信号，手机、蓝牙、WiFi等，从数十赫兹至数吉赫兹的各个频段几乎都被占满。
为了验证该项目的可行性，课题小组开展了前期的验证实验，用相对简易的方法对空间电磁波强度进行了初步测量，以验证空间电磁波能否为无线传感器提供足够的能量。
实验原理及过程：电磁波可以分为电场分量与磁场分量两部分能量，课题小组绕制了一只面积为1m2的环形天线，以测量日常环境中穿过单位面积内的磁场总能量，天线上所感应的交变电信号通过检波电路转换成直流电，再通过测量检波电路输出端的开路电压与短路电流，计算负载匹配时天线上可获得的最大功率，并和传感器节点的功耗进行比较，以验证方案可行性。
实验过程：分别占三楼和四楼楼顶（不同高度），依次测量当天线面朝不同方向时的开路电压和短路电流，实验结果如表1所示。
表1：空间电磁波测量实验数据
楼层
方向 三楼楼顶 四楼楼顶
开路电压（mV） 短路电流（uA） 开路电压（mV） 短路电流（uA）
东西 401 0.77 420 0.80
东北/西南 399 0.75 409 0.77
南北 378 0.72 391 0.76
西北/东南 398 0.76 399 0.78
从实验结果中可以看出，检波器输出端开路电压平均值Uo=395mV，短路电流平均值Is=0.75uA。把检波器的输出看作微功耗无线传感器节点的电源，要使外电路获得最大功率，外电路电阻RL等于电源内阻Rs，即：
RL=Rs=Uo/Is=527KΩ（1）
考虑到升压电路效率为60%左右，此时外电路获得的最大功率Pmax为：
Pmax=（Uo/2Rs）×（Uo/2Rs）×Rs×60%=0.148uW
如此小的功率显然无法直接驱动无线传感器节点工作，因此考虑采用间歇工作方式。暂不考虑电源管理功耗，假设节点每次以9600bps传输10字节数据，则需要t0=8.3ms。当节点工作电压U0=3V时，按照典型的射频前端发射电流I0=20mA计算，则传感器一次传输需要消耗的能量W0为：
W0 = U0×I0×t0=0.498（J） （3）
则理想状态下，估算传感器工作一次需要搜集电能的时间为：
T= W0/Pmax=46.9 min（4）
从实验及推导的结果可知，搜集单位面积内的电磁波能量，在不到一小时的时间内可以为典型的无线传感器节点提供一次通信所需的能量，通过升高天线高度、增加面积等手段，还能够获得更大的能量。证明该课题理论上可行，且能够满足某些低速率通信（如环境监测等）的需求。
（2）电能搜集天线设计方案
搜集空间中中波段电磁波来给节点供能，常见的中波天线分为线形天线、磁棒天线、环形天线、蜘蛛网形天线等类型。上述天线各有特点，线形天线可临时拉设，但因为中波段波长较长，需要很长的天线，且信噪比低，且无法调整方向。磁棒天线体积小，灵敏度高，但难以在业余条件下加工大型的磁性材料。
（3）低功耗升压及电源管理电路方案。
为保证微功耗节点获得最大的能量，需要超低功耗的升压电路，由于收集到的电磁波经检波后的电流小于1uA，其电流已经低于现有电荷泵等低功耗升压IC的静态电流，本项目拟自行设计超低功耗的升压、储能及电源管理电路。
传统的电源管理电路依赖于在处理器的管理下将各模块休眠，但目前低功耗处理器（如MSP430系列）即使在休眠状态工作也会消耗几微安到电流，加上射频IC约2uA的静耗，大于电磁波搜集的电流，因而无法工作。本项目中拟提出一种不依赖于处理器的电源管理方案，如图。通过倍压检波电路将电磁波能量存储于电容中，当电能收集和储存达到一定的能量阈值后，才接通传感器节点电源，通过锁存使传感器正常工作，这样可以消除处理器和射频前端休眠状态下的消耗，保证了在收空间电磁波产生的有限电能下微功耗节点的工作，这是本实验的创新点之一。
作者简介
李盼菲，（1991-07）女，河南洛阳人。郑州大学物理工程学院2010级本科生 测控技术与仪器专业.