应用于物联网的多频多极化多波束石墨烯共形射频能量收集系统

武汉理工大学何大平团队IM研究论文：应用于物联网的多频多极化多波束石墨烯共形射频能量收集系统

摘 要

　　射频能量采集系统可将环境中的电磁波转换为可利用电能，为低功耗电子器件供电。面向物联网、可穿戴电子和柔性终端应用，系统需要同时满足轻量化、柔性、共形贴合、多频段工作和稳定输出等要求。武汉理工大学何大平团队提出了一种基于石墨烯组装薄膜（GAF）的柔性多域射频能量收集系统。利用GAF材料的柔韧性、轻量化和耐腐蚀性，显著提高了系统的环境稳定性和使用寿命，增强了其在可穿戴设备和复杂环境中的适用性。该系统通过整合重新设计的基于GAF的天线阵列、双频段整流器以及集成式能量管理模块，实现了多领域的统一突破。具体而言，它在2.45 GHz（右旋圆极化）和5.8 GHz（左旋圆极化）频率下工作，覆盖了关键的Wi-Fi频段，从而显著提升了带宽、极化适应性和波束覆盖范围。此外，得益于出色的柔性和共形能力，该系统可集成到背包上，在保持稳定运行的同时为可穿戴设备供电。本研究展示了一种基于GAF的柔性易共形、双频段、双波束及双圆极化射频能量收集系统，为实现物联网（IoT）设备的无电池运行提供了技术基础。

主要内容

　　随着物联网设备数量增加，低功耗终端在分布式传感、可穿戴设备和无线节点中的应用不断扩展。传统电池供电方式在寿命、体积、重量和维护方面存在限制。射频能量采集技术可利用环境中的无线信号实现能量获取，为低功耗设备提供补充电源或独立供能方案。

　　现有射频能量采集系统在柔性、曲面共形、多频段接收和系统集成方面仍存在限制。为解决这些问题，本文基于石墨烯组装膜材料，提出了一种适用于物联网应用的双频段、双极化、双波束辐射和柔性易共形的多域性能提升的GAF射频能量收集系统（GEHS）。该系统工作于2.45 GHz和5.8 GHz两个Wi‑Fi频段，能够有效采集环境中的Wi‑Fi能量。GEHS采用双频段、双圆极化天线阵列，其中 2.45GHz为右旋圆极化，5.8 GHz为左旋圆极化，通过直接连接两个工作于不同频段和不同极化的贴片天线实现。由于采用了轻质、柔韧且耐腐蚀的GAF材料，系统表现出优异的柔韧性和共形能力，适合多种室内外应用场景。仿真和实验结果表明，GEHS在频段覆盖、极化覆盖、增益和波束覆盖范围等方面均优于传统天线阵列和全向天线方案；无论在平铺还是共形状态下，均能够稳定为物联网设备供电，展现出良好的应用前景。

　　图1展示了石墨烯组装膜（GAF）的制备过程及其基础结构特征。通过大尺寸氧化石墨烯（LGO）经离心分离、涂覆、干燥、氩气气氛退火以及辊压等步骤，最终制备出可大面积连续生产的GAF。此外表征结果说明，所制备的GAF具有大尺寸片层、平整表面和有序层状堆叠结构，为其优异导电性和柔性器件应用奠定了基础。

　　图1. GAF的制备过程与表征；（A）GAF制备过程示意图；（B）LGO薄片的微观形态图；（C）GAF大规模生产照片；（D）GAF三维形态及表面粗糙度；（E）GAF的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像；（F）GAF的X射线衍射（XRD）谱图；（G）GAF的二维广角X射线散射图。

　　图2进一步对 GAF 进行了物理化学性能表征，验证适合作为柔性射频能量收集系统导体的优势。相比传统金属导体，射频器件中的导体材料不仅需要高导电性，还需要兼具轻量化、机械稳定性和环境适应性。而图2结果说明，本文所使用的厚度为25 μm的GAF具有优异的柔韧性和结构稳定性，在反复弯曲条件下仍能保持稳定导电，同时其低密度特性有利于实现器件轻量化。此外，经盐雾测试后GAF表现出优于铜的耐腐蚀性和良好的表面稳定性，说明其更适用于复杂环境下的柔性射频器件。综合来看，GAF在柔性、轻量和耐环境性方面兼具优势，为其在可穿戴和室外场景中的应用提供了关键支撑。

　　图2GAF的物理性能；（A）厚度为25 μm的GAF的光学照片；（B）GAF在弯曲作用下的电导率变化（误差条表示三个独立样品的标准偏差（N=3））；（C）弯曲试验后GAF表面的扫描电子显微镜（SEM）图像；（D）GAF与常见金属的密度对比；(E)经盐雾试验后GAF与铜的光学照片；(F)GAF的接触角。

图3介绍了基于GAF构建的双频段、双圆极化、双波束天线阵列设计。针对环境中Wi‑Fi信号频段分布和极化状态复杂的问题，研究团队将2.45 GHz和5.8 GHz 两个关键频段集成到同一阵列中，并分别实现右旋圆极化和左旋圆极化辐射。模拟与测试结果表明，天线阵列在两个工作频段均具有良好的阻抗匹配和圆极化特性，实现增益分别达到9.25 dBi和10.32 dBi。与此同时，系统表现出明显的双波束辐射特征，可提升对不同空间方向来波的接收能力。值得注意的是，即使在不同弯曲半径条件下，天线阵列增益下降仍小于1 dB，说明该阵列在共形状态下依然能够保持稳定工作。这表明GAF不仅可以作为导体材料支持天线实现良好的电磁性能，其优异的柔性更能够支撑天线在弯曲状态下的保持稳定的工作模式。

　　图3. （A）天线阵列的结构示意图；天线单元在（B）2.45 GHz和（C）5.8 GHz下的电场分布；（D）X方向上的电场振幅；（E）平面天线阵列和共形天线阵列的模拟S11值及可实现增益；（F）平面天线阵列和共形天线阵列的模拟AR值；平面天线阵列在（G）2.45 GHz和（H）5.8 GHz下的模拟归一化方向图。

　　图4展示了GEHS的系统级性能。除基于GAF的双频整流器能够实现环境射频信号向直流电能的稳定转换外，系统在三维空间中的能量接收覆盖范围也优于常规阵列和偶极天线，能够在更广区域内保持较高接收效率；同时，其在不同极化角下仍具备良好的能量接收能力，体现出多频段、宽空间覆盖和极化自适应等多域优势。

　　图4.（A）GEHS天线阵列的示意图；（B）GEHS天线阵列在平面状态下的S11测量值和可实现增益；（C）基于GAF的整流器结构；（D）整流器的测量效率和输出电压；（E）GEHS天线阵列在2.45 GHz频率下的三维能量接收效率；（F）不同天线（GEHS天线阵列、常规阵列、偶极子天线）归一化能量接收效率的二维投影；（G）GEHS天线阵列极化适应性的演示；（H）GEHS天线阵列在不同极化角下的归一化能量接收率测量结果。

　　图5进一步展示了GEHS在实际场景中的应用方式，包括室内部署和可穿戴共形集成两类典型应用。该系统既可以安装于室内环境中，作为物联网节点的补充能源装置，也可以借助其优异的柔性和共形能力，集成到背包等可穿戴载体上。 在共形使用状态下，GEHS 仍能够保持稳定工作，并为低功耗电子器件供能，证明了系统具备服务于未来物联网设备、可穿戴电子和柔性终端的潜力。

图5.（A）GEHS的应用场景示意图；（B）室内GEHS的应用及示意图；（C）共形可穿戴GEHS的应用及示意图。

作者简介

Author Biography

何大平

　　武汉理工大学教授，物理与力学学院副院长，国家青年高层次人才。先后在中国科学技术大学、英国巴斯大学、剑桥大学从事博士后研究工作，现任湖北省射频微波应用工程中心主任、湖北省宏观石墨烯专业型研究所所长。主要研究方向为宏观石墨烯膜材的调控与制备及其在电子器件、新能源等领域的应用。先后承担科技部重点研发计划专项课题、国家自然科学基金等项目10余项。目前已在PNAS、Nat. Commu.、Adv. Mater. 等国际期刊上发表学术论文100余篇，授权国家发明专利20余项。担任国际重要期刊（国际Q1区）Natl. Sci. Rev. 学科编辑、Interdiscip. Mater. 编委。个人获“英国皇家学会牛顿学者”、湖北省“高层次人才计划”（创业领军）等荣誉；2023年带领团队获全国“工人先锋号”荣誉。实现多项成果转化，2019年创立汉烯科技有限公司，目前基于石墨烯的产品已经应用于航空航天、3C电子、能源信息等多个领域。

祖浩然

　　武汉理工大学信息工程学院特任教授，校“15551”高层次引进青年人才，中国通信学会微波技术委员会委员，获评中国电子学会“青年托举”人才，湖北省“青年拔尖”人才，湖北省科协“晨光托举”人才，陕西省优秀博士论文、省高等学校科学技术研究优秀成果特等奖等相关奖励与荣誉。从事电磁与射频器件的研究设计、工程化应用，包括各类高性能通讯天线、微波射频器件等。近5年发表各类高水平论文40余篇，包括Nat. Electron.、Nat. Commu.、IEEE TAP、IEEE AWPL 等电子通信类顶刊。主持多项国家自然科学基金、国家部委与装备预研等项目，任多类国际会议分会主席，担任IEEE TAP、IEEE AWPL 等领域顶级期刊客座编辑与审稿人，研究成果多次受麻省理工科技评论MIT Technol. Rev.、Deep Tech 等科技杂志媒体报道。

宋荣国
武汉理工大学物理与力学学院特岗教授，湖北省高层次青年人才，武汉理工大学“15551”高层次青年人才。博士毕业于武汉理工大学信息与通信工程专业，随后在中国人民解放军空军预警学院开展了为期两年的博士后研究工作，合作导师为王永良院士，期间在乾元国家实验室借调工作一年。自2015年至今一直从事石墨烯组装膜等新材料开发及其在射频微波器件中应用的相关研究工作，在该领域的理论研究、制备和测试方面积累了丰富的经验。目前，以第一/通讯作者在包括PNAS、Sci. Bull.、Carbon、ACS Appl. Mater. Interfaces、Energy Environ. Mater. 等国际期刊发表学术论文30余篇，授权国内发明专利5项，主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金特别资助项目、面上项目和乾元国家实验室基金、湖北省自然科学基金面上项目等多项科研项目。

　　来源：Interdisciplinary Materials