【摘要】
无线成像技术，配备超低功耗无线通信和能量收集功能，已成为无电池和可持续解决方案。然而，在可穿戴应用中实现无线彩色成像的挑战仍然存在，主要是由于高功耗需求，以及需要在收集能量与设备紧凑性之间取得平衡。近日，东南大学陆卫兵教授设计了一种专为彩色成像而设计的柔性可穿戴无电池背向散射通信系统。该系统采用混合射频、太阳能能量收集阵列，能够高效地从环境中的射频和可见光能源中获取能量，确保在不同环境中的持续运行。其次，柔性材料使工作系统能够适应人体，确保舒适性、用户友好性和安全性。此外，采用共用孔径天线阵列进行同时无线信息和能量传输，结合光学透明的堆叠结构，实现了紧凑设计。这种设计不仅优化了空间利用，而且保持了通信和能量收集过程的性能。所提出的柔性可穿戴彩色成像系统有望在环境监测、目标检测和执法记录等领域应用。这种方法展示了下一代可穿戴、功耗需求高的设备的可持续和实用解决方案。
【研究背景】
背向散射通信以其低功耗和低成本特性而闻名，在物联网系统中起着关键作用。成像技术在环境监测、目标检测和执法等应用中至关重要，通过将背向散射通信和能量收集相结合，推动了无电池无线灰度成像解决方案的发展。然而，在可穿戴设备中实现无线彩色成像存在挑战。与灰度成像相比，主要问题是彩色成像的更高功率需求，这使得平衡功率密度和可穿戴应用所需的紧凑性变得更加复杂。
在可穿戴无电池应用中，射频、环境光、热电和生物力学能源越来越受到追捧。虽然混合射频、太阳能能够提高收集到的能量，但其与背向散射通信的紧密集成对于可穿戴应用来说具有挑战性。通过使用透明堆叠式的混合射频、太阳能能量收集，在紧凑的面积内上实现对两种能量的同时利用。同时，采用共口径设计将不同频率下工作的天线共存于紧凑空间中，优化了空间利用率，实现了紧凑面积的无线携能通信（SWIPT）。
最近，东南大学陆卫兵教授提出了一种专为彩色成像而设计的柔性可穿戴无电池背向散射无线通信系统。该系统采用混合射频、太阳能能量收集阵列，从环境中的射频信号和可见光中高效收集能量。通过使用柔性导体和基板，使系统能够与人体共形，从而确保了舒适性、用户友好性和安全性，减小了比吸收率（SAR）。由于该系统的调制状态对其雷达散射截面（RCS）影响很小，因此具有稳定的可穿戴通信性能。此外，通过频分SWIPT技术和透明堆叠式混合射频、太阳能能量收集阵列实现了紧凑的形式。通过共口径天线阵列，实现了射频能量收集和背向散射通信的同时运行，有效减少了这两种操作之间的干扰。而透明堆叠结构不仅保持了射频和太阳能能量收集的效率，而且确保了射频组件的性能不受太阳能电池的影响。所采用的策略解决了可穿戴领域能量收集和携能通信方面的关键挑战，展示了下一代可穿戴和功耗需求高的设备的可持续和实用解决方案。该工作近期发表在npj Flexible Electronics期刊上。
【图文解析】
图 1应用于无线彩色图传的紧凑柔性免电池背向散射通信系统。包括透明SWIPT，柔性太阳能电池，电源管理模块（PMU）、微处理器（MCU）和彩色摄像头（CAM）。该系统穿戴在胸前并收集射频能量和光能，当靠近无线接入点（AP）时拍照并采用背向散射通信方式将照片回传给AP。
图 2 柔性免电池背向散射通信系统性能。a 室内和室外的无线图传测试。b 背向散射通信和无线能量收集的SAR仿真。c 系统共形在半径15 cm圆柱上的照片。d 背向散射通信频谱图。e 不同弯曲条件下通信和能量收集的性能。
柔性免电池通信系统。系统采用堆叠结构，透明频分SWIPT器件放置在柔性太阳能板和柔线路板之上，保证了太阳能板和CAM的正常运作。在室外或室内场景中，当混合射频、太阳能能量收集阵列从无线信号或光照中获得足够能量，CAM捕获彩色图片由MCU进行编码，MCU控制SWIPT器件中的调制器进行背向散射通信。该系统在距离USRP设备25 cm的位置实现了500 kbps的通信速率，同时SAR小于0.66 W kg-1。
图 3透明频分SWIPT器件的性能。a 共口径天线阵列远场测试场景图。b 天线方向图。c 天线S11。d 射频整流电路的输出电压和整流效率。e 调制器在不同状态下的S参数。f 系统与USRP设备之间的距离对其射频能量收集和无线通信性能的影响。g 穿戴SWIPT器件在2.4 GHz对人体SAR的影响。h 穿戴SWIPT器件在3.5 GHz对人体SAR的影响。
透明频分SWIPT器件。天线阵列采用共口径设计分别在2.4 GHz和3.5 GHz实现射频能量收集和背向散射通信，对应增益分别为7.7 dBi和8.4 dBi。调制器采用PIN管实现了BPSK调制，调制系数为0.45，调制器的状态对于器件的RCS几乎没有影响。对于-10 dBm到10 dBm的射频能量输入，整流器能够实现0.17 V到1.7 V的电压输出，对应的整流效率在27%到46%之间。将器件放置在人体表面，器件的RCS几乎没有变化，同时人体表面的SAR显著降低。
图 4 混合射频、太阳能能量收集阵列。a 原理图。b 射频能量收集测试场景。c 在不同光照和射频强度下混合能量收集阵列和PMU的输出电压。d 不同光照和电磁波入射角度对能量收集性能的影响。
混合射频、太阳能能量收集阵列。太阳能电池阵列和整流天线阵列串联输出，混合能量输出电平和光强与等效全向辐射功率（EIRP）相关，而PMU提供了能量存储和稳定的输出。当光照强度大于13 lux，或距离系统25 cm的USRP设备EIRP超过27 dBm，PMU可以正常工作。混合能量收集阵列的性能和入射角度相关。
【全文总结】
本文开发并演示了一款柔性、可穿戴的无电池背向散射无线通信系统。通过混合射频、太阳能能量收集阵列的集成高效地从环境中的射频信号和可见光中收集能量，通过仿真和实验分别评估了系统在不同弯曲情况下的稳定性以及和人体之间的相互影响，通过堆叠式共口径设计实现了能量收集、无线通信和设备紧凑性之间的平衡。该系统展现了在无线彩色图像传输方面的潜力。
【期刊简介】npj Flexible Electronics 中文名称为《npj-柔性电子》，由南京工业大学于2016年与施普林格·自然（Springer Nature）旗下的自然出版集团在柔性电子领域推出的首个“自然合作期刊”（Nature Partner Journal, NPJ），报道内容含柔性电子材料、器件、系统与集成等。2021年6月获得首个影响因子12.740。
Publisher:
NATURE PORTFOLIO, HEIDELBERGER PLATZ 3, BERLIN, Germany, 14197
ISSN / eISSN: 2397-4621
Issues Per Year: 1
Web of Science Core Collection:
Science Citation Index Expanded (SCIE)
Journal Website:
https://www.nature.com/npjflexelectron/
npj Flexible Electronics在JCR分区ENGINEERING, ELECTRICAL & ELECTRONIC学科共275种SCIE期刊中排在第6名，位列1区；MATERIALS SCIENCE, MULTIDISCIPLINARY学科共342种SCIE期刊中排在第27名，位列1区！
npj Flexible Electronics在中科院排名中，该期刊大类及分区：材料科学1区；小类及分区：MATERIALS SCIENCE, MULTIDISCIPLINARY材料科学：综合1区；ENGINEERING, ELECTRICAL & ELECTRONIC工程：电子与电气1区！
该刊由先进材料研究院院长、学科带头人，中国科学院黄维院士担任主编，先进材料研究院常务副院长（正处长级）王建浦教授担任常务副主编，美国国家科学院、国家工程院黄永刚院士，美国国家科学院、国家工程院鲍哲南院士，澳大利亚科学院Paul Burn院士等来自美国、英国、德国、意大利、瑞士、荷兰、澳大利亚、新加坡的20余位世界一流科学家共同担任编委。
npj Flexible Electronics发表于柔性电子系统相关的高质量文章，包括塑料电子和新兴材料、新器件设计、制造技术以及应用。
收录范围：
用于柔性电子产品的先进和新兴材料：塑料、分子和无机系统、二维材料、生物材料；
柔性设备和应用：生物电子学和健康监测、传感器和驱动器、能量收集和存储、光电学、计算机信息处理、机器人学、包装材料；
柔性器件的制造和加工：光刻、印刷、溶液处理、模式化、自组装、设备集成；
设备架构、仿真和测试。
npj Flexible Electronics作为柔性电子领域的“第一刊”，在柔性电子及材料科学、电子信息、生命健康等领域建立具有前瞻性的国际高端分享交流平台，注重文章质量，塑造品牌形象。
Jun-Lin Zhan et al. Flexible and wearable battery-free backscatter wireless communication system for colour imaging.
npj Flexible Electronics 2024, 8, 19
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41528-024-00304-4