射頻能量采集技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用

日常生活中的電子設(shè)備越來(lái)越多了，它們都需要某種形式的電源才能維持正常工作。幸運(yùn)的是，我們周圍存在很多種能量形式，既可以把風(fēng)能、光能、物體運(yùn)動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，甚至從高頻無(wú)線電信號(hào)的傳輸中也可以收集部分能量。

相比之下沒(méi)有那么普遍但是正在迅速普及的則是從RF/微波信號(hào)中收集能量的方案，它可以從無(wú)線電/電視廣播站和無(wú)線設(shè)備上獲取能量。在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳感器和射頻識(shí)別（RFID）標(biāo)簽等低功耗應(yīng)用中，這種能量收集方案可以替換電池。重復(fù)使用能量可以降低運(yùn)營(yíng)成本，并提高現(xiàn)有電子系統(tǒng)和設(shè)備的能源使用效率。

從RF中獲取能量

RF是能量收集的豐富來(lái)源，它正在從世界各地?cái)?shù)十億的無(wú)線電發(fā)射器中發(fā)射而出，這些發(fā)射器包括移動(dòng)電話、移動(dòng)電話基站和電視/電臺(tái)信號(hào)發(fā)射基站等。因此，利用射頻能量來(lái)為一些低功耗電路供電已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。

從RF獲取能量的概念并不新鮮，而且過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。無(wú)線電波到達(dá)天線并導(dǎo)致其長(zhǎng)度上的電位差變化。該電位差使得電荷載流子沿著天線的長(zhǎng)度移動(dòng)以試圖使場(chǎng)均衡，并且RF-DC集成電路能夠從這些電荷載流子的移動(dòng)中捕獲能量。能量暫時(shí)存儲(chǔ)在電容器中，然后用于在負(fù)載處產(chǎn)生所需的電位差。

射頻能量信號(hào)是通過(guò)天線接收的，所以天線的工作頻率必須與所接收到信號(hào)的頻率相同，射頻信號(hào)通過(guò)天線接收后既可以用在RF-DC轉(zhuǎn)換器上又可以用在單純的RF應(yīng)用上；RF-DC轉(zhuǎn)換器將RF信號(hào)轉(zhuǎn)換為DC信號(hào)，從而可以將獲取的能量存儲(chǔ)在能量?jī)?chǔ)存裝置中；能量?jī)?chǔ)存裝置可以給RF-DC轉(zhuǎn)換器、RF裝置、低功耗應(yīng)用提供能量。

可以創(chuàng)建一個(gè)電路，通過(guò)現(xiàn)成的組件為子系統(tǒng)執(zhí)行RF到DC轉(zhuǎn)換。利用天線，無(wú)線充電線圈，PMIC（電源管理IC），功率接收器芯片，激勵(lì)器發(fā)射器等的各種組合可以產(chǎn)生能夠從RF獲取能量的系統(tǒng)。

射頻能量信號(hào)是通過(guò)天線接收的，所以天線的工作頻率必須與所接收到信號(hào)的頻率相同，射頻信號(hào)通過(guò)天線接收后既可以用在RF-DC轉(zhuǎn)換器上又可以用在單純的RF應(yīng)用上；RF-DC轉(zhuǎn)換器將RF信號(hào)轉(zhuǎn)換為DC信號(hào)，從而可以將獲取的能量存儲(chǔ)在能量?jī)?chǔ)存裝置中；能量?jī)?chǔ)存裝置可以給RF-DC轉(zhuǎn)換器、RF裝置、低功耗應(yīng)用提供能量。

天線

發(fā)射信號(hào)的天線有很多種，如手機(jī)基站、電視信號(hào)發(fā)射塔和WIFI路由器等；接收信號(hào)的天線則屬于射頻能量收集器的一部分，通過(guò)它接收外界的射頻信號(hào)來(lái)進(jìn)行后續(xù)工作。

在任何移動(dòng)設(shè)備中天線的設(shè)計(jì)都是相當(dāng)重要的。平面貼片天線是一種形狀適宜、重量輕、易于操作的天線。然而，其本身卻也不那么小。

一種減小天線尺寸的方法是在高介電常數(shù)的材料上制備貼片天線。一般來(lái)說(shuō)，單個(gè)的天線不能收集到足夠的能量去驅(qū)動(dòng)一個(gè)器件，多天線結(jié)構(gòu)可以獲取一個(gè)更大范圍的射頻能量。

一個(gè)設(shè)計(jì)良好的天線應(yīng)該能夠具有獲取整個(gè)頻帶能量的功能，這對(duì)于計(jì)算整個(gè)頻帶的能量是非常重要的。輸入射頻功率密度是在結(jié)合了所有頻譜后計(jì)算出來(lái)的。

RF-DC轉(zhuǎn)換電路

RF-DC轉(zhuǎn)換電路是能量收集器的核心部分，主要功能是將接收到的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)。電路主要由阻抗匹配、整流器和電源管理三部分組成。

通常來(lái)說(shuō)用單個(gè)硅整流天線二極管為設(shè)備提供能量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，使用多個(gè)相互連接的天線可以提供足夠的能量。

如圖（a）所示，一種結(jié)構(gòu)是在整流器前并聯(lián)多個(gè)天線，匯總RF信號(hào)再進(jìn)行整流。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的射頻系統(tǒng)中（窄基帶），這種結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)移是最有效的；如圖（b）所示，另一種結(jié)構(gòu)則是每個(gè)天線對(duì)應(yīng)一個(gè)整流器，先進(jìn)行整流再匯總直流信號(hào)，對(duì)于大型硅整流二極管天線和射頻能量收集（消除隨機(jī)偏振的影響），這種結(jié)構(gòu)是最合適的。

能量?jī)?chǔ)存

在能量?jī)?chǔ)存方面可以利用傳統(tǒng)的充電電池、新型薄膜電池以及電容對(duì)能量進(jìn)行儲(chǔ)存。但電池存在可充電次數(shù)有限，需要更換等缺點(diǎn)。這就需要考慮采用新的存儲(chǔ)方案，例如使用超級(jí)電容。傳統(tǒng)超級(jí)電容為電化學(xué)雙層電容器（EDLC），這種電容已經(jīng)有30多年的使用歷史了。EDLC是在必須被頻繁更換的電池與在使用封裝下無(wú)法提供足夠電荷存儲(chǔ)的靜電/電解電容之間的最好產(chǎn)品。

能量收集器的難點(diǎn)

設(shè)計(jì)能量收集器的難點(diǎn)有三個(gè)，分別是天線、靈敏度和轉(zhuǎn)換效率。

就天線而言，雖然科學(xué)工作者經(jīng)過(guò)多年努力已經(jīng)在設(shè)計(jì)技術(shù)方面取得了不小的成果，但是天線的小型化、寬頻帶問(wèn)題仍是射頻能量收集技術(shù)的關(guān)鍵。原因是要將其應(yīng)用在較小的設(shè)備上就必須要求天線小型化，占用空間?。黄浯?，空間中的射頻能量比較低，所分布頻帶比較散，所以要求天線必須具有寬頻帶的特點(diǎn)。

就靈敏度而言，靈敏度決定了能量收集器工作的最大范圍。射頻能量比較低時(shí)，對(duì)其進(jìn)行收集需要靈敏度較高的射頻能量收集器。影響靈敏度的因素主要有：天線與整流器之間的匹配情況、整流器件閾值電壓的影響等。經(jīng)科研工作者不斷努力，靈敏度雖已得到提高，但前提是需要使用幾十級(jí)的整流電路，這就導(dǎo)致芯片面積增加、寄生參數(shù)增加等一系列問(wèn)題。

就轉(zhuǎn)換效率而言，功率轉(zhuǎn)換效率是收集器的一個(gè)重要指標(biāo)，當(dāng)射頻信號(hào)能量比較低時(shí)轉(zhuǎn)換效率會(huì)迅速降低。目前提高效率的方法有采用外部閾值、內(nèi)部閾值、自閾值的補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)對(duì)整流MOS管進(jìn)行閾值補(bǔ)償加快其導(dǎo)通速度等方法。但這些技術(shù)效果還不是很理想，需要進(jìn)一步改進(jìn)或者發(fā)展其他新方法。

射頻能量采集技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用

近年來(lái),超低功耗、低電壓電子元器件及電路的大量出現(xiàn)以及現(xiàn)實(shí)生活中大量不易更換電池的電子微系統(tǒng)的廣泛使用，引起了人們對(duì)環(huán)境射頻能量收集技術(shù)研究的廣泛關(guān)注。當(dāng)前，環(huán)境射頻能量收集的研究及應(yīng)用主要在低功耗且不易更換電池的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及植入式電子設(shè)備等方面。

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的應(yīng)用

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，涉及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、水文、軍事、生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。當(dāng)前，電池仍然是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要能量來(lái)源，但是電池的壽命、尺寸以及維護(hù)和更換費(fèi)用等,在某些場(chǎng)合是不能忍受的。如在智能建筑中，每個(gè)建筑物至少有上百個(gè)的傳感器節(jié)點(diǎn)分布于建筑體中的各個(gè)部位,用于監(jiān)測(cè)溫度、亮度、人流量等參數(shù);通過(guò)布線為這些傳感器節(jié)點(diǎn)提供電源,其代價(jià)是十分昂貴的，而采用電池供電主要面臨的問(wèn)題是往后如何判斷哪些節(jié)點(diǎn)的電池已耗盡并進(jìn)行更換，這在商業(yè)上是難以接受的,而采用環(huán)境射頻能量收集技術(shù)輔以可充電電池則是其比較理想的供電方式。

近幾年，環(huán)境射頻能量收集技術(shù)在低功耗、分布廣、不易更換電池的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用研究取得了一些進(jìn)展。

此外，還有不少應(yīng)用環(huán)境射頻能量為低功耗無(wú)線設(shè)備提供電能的能量收集器，它們分別利用不同的射頻源，如采用環(huán)境 GSM 信號(hào)作為射頻源，采用環(huán)境 WiFi 信號(hào)作為射頻源。

2、生物醫(yī)學(xué)電子方面的應(yīng)用

隨著通信、計(jì)算機(jī)、傳感器以及微納電子技術(shù)等領(lǐng)域的研究不斷取得突破，生物醫(yī)學(xué)電子系統(tǒng)正朝集成化、微型化、無(wú)線化及智能化等方向迅速發(fā)展；同時(shí)隨著老齡化社會(huì)的到來(lái)以及人們生活水平的提高，各種應(yīng)用需求應(yīng)運(yùn)而生，生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)備的體積更小、功耗更低。電池是低功耗穿戴式或植入式生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)備當(dāng)前的主要能量來(lái)源，但為了穿戴的舒適性或更易于植入，自供電顯然是其最佳選擇，不少科技工作者對(duì)此展開(kāi)了研究。

此外，射頻能量經(jīng)過(guò)收集、轉(zhuǎn)換，還可有望應(yīng)用于其它可穿戴式低功耗設(shè)備、無(wú)線供電手持設(shè)備、RFID 標(biāo)簽、非接觸式晶圓級(jí)測(cè)試等場(chǎng)合 ,具有廣闊的應(yīng)用前景。

當(dāng)前，環(huán)境射頻能量收集技術(shù)正朝著小型化、集成化、陣列化、智能化等方向發(fā)展。智能化就是通過(guò)一定的優(yōu)化算法或自適應(yīng)控制技術(shù)使其效率最大化；小型化、集成化的目標(biāo)是將射頻能量收集器甚至接收天線集成到用電系統(tǒng)芯片中。

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