射频能量采集技术 / 开普饭

　　日常生活中的电子设备越来越多了，它们都需要某种形式的电源才能维持正常工作。幸运的是，我们周围存在很多种能量形式，既可以把风能、光能、物体运动动能转换成电能，甚至从高频无线电信号的传输中也可以收集部分能量。

　　相比之下没有那么普遍但是正在迅速普及的则是从RF/微波信号中收集能量的方案，它可以从无线电/电视广播站和无线设备上获取能量。在物联网(IoT)传感器和射频识别(RFID)标签等低功耗应用中，这种能量收集方案可以替换电池。重复使用能量可以降低运营成本，并提高现有电子系统和设备的能源使用效率。

　　从RF中获取能量

　　RF是能量收集的丰富来源，它正在从世界各地数十亿的无线电发射器中发射而出，这些发射器包括移动电话、移动电话基站和电视/电台信号发射基站等。因此，利用射频能量来为一些低功耗电路供电已经成为一种趋势。

　　从RF获取能量的概念并不新鲜，而且过程相对简单。无线电波到达天线并导致其长度上的电位差变化。该电位差使得电荷载流子沿着天线的长度移动以试图使场均衡，并且RF-DC集成电路能够从这些电荷载流子的移动中捕获能量。能量暂时存储在电容器中，然后用于在负载处产生所需的电位差。

　　射频能量信号是通过天线接收的，所以天线的工作频率必须与所接收到信号的频率相同，射频信号通过天线接收后既可以用在RF-DC转换器上又可以用在单纯的RF应用上;RF-DC转换器将RF信号转换为DC信号，从而可以将获取的能量存储在能量储存装置中;能量储存装置可以给RF-DC转换器、RF装置、低功耗应用提供能量。

　　可以创建一个电路，通过现成的组件为子系统执行RF到DC转换。利用天线，无线充电线圈，PMIC(电源管理IC)，功率接收器芯片，激励器发射器等的各种组合可以产生能够从RF获取能量的系统。

　　天线

　　发射信号的天线有很多种，如手机基站、电视信号发射塔和WIFI路由器等;接收信号的天线则属于射频能量收集器的一部分，通过它接收外界的射频信号来进行后续工作。

　　在任何移动设备中天线的设计都是相当重要的。平面贴片天线是一种形状适宜、重量轻、易于操作的天线。然而，其本身却也不那么小。

　　一种减小天线尺寸的方法是在高介电常数的材料上制备贴片天线。一般来说，单个的天线不能收集到足够的能量去驱动一个器件，多天线结构可以获取一个更大范围的射频能量。

　　一个设计良好的天线应该能够具有获取整个频带能量的功能，这对于计算整个频带的能量是非常重要的。输入射频功率密度是在结合了所有频谱后计算出来的。

　　RF-DC转换电路

　　RF-DC转换电路是能量收集器的核心部分，主要功能是将接收到的射频信号转换为直流信号。电路主要由阻抗匹配、整流器和电源管理三部分组成。

　　通常来说用单个硅整流天线二极管为设备提供能量是远远不够的，使用多个相互连接的天线可以提供足够的能量。

　　如图(a)所示，一种结构是在整流器前并联多个天线，汇总RF信号再进行整流。在点对点的射频系统中(窄基带)，这种结构的能量转移是最有效的;如图(b)所示，另一种结构则是每个天线对应一个整流器，先进行整流再汇总直流信号，对于大型硅整流二极管天线和射频能量收集(消除随机偏振的影响)，这种结构是最合适的。

　　能量储存

　　在能量储存方面可以利用传统的充电电池、新型薄膜电池以及电容对能量进行储存。但电池存在可充电次数有限，需要更换等缺点。这就需要考虑采用新的存储方案，例如使用超级电容。传统超级电容为电化学双层电容器(EDLC)，这种电容已经有30多年的使用历史了。EDLC是在必须被频繁更换的电池与在使用封装下无法提供足够电荷存储的静电/电解电容之间的最好产品。

　　能量收集器的难点

　　设计能量收集器的难点有三个，分别是天线、灵敏度和转换效率。

　　就天线而言，虽然科学工作者经过多年努力已经在设计技术方面取得了不小的成果，但是天线的小型化、宽频带问题仍是射频能量收集技术的关键。原因是要将其应用在较小的设备上就必须要求天线小型化，占用空间小;其次，空间中的射频能量比较低，所分布频带比较散，所以要求天线必须具有宽频带的特点。

　　就灵敏度而言，灵敏度决定了能量收集器工作的最大范围。射频能量比较低时，对其进行收集需要灵敏度较高的射频能量收集器。影响灵敏度的因素主要有：天线与整流器之间的匹配情况、整流器件阈值电压的影响等。经科研工作者不断努力，灵敏度虽已得到提高，但前提是需要使用几十级的整流电路，这就导致芯片面积增加、寄生参数增加等一系列问题。

　　就转换效率而言，功率转换效率是收集器的一个重要指标，当射频信号能量比较低时转换效率会迅速降低。目前提高效率的方法有采用外部阈值、内部阈值、自阈值的补偿以实现对整流MOS管进行阈值补偿加快其导通速度等方法。但这些技术效果还不是很理想，需要进一步改进或者发展其他新方法。

　　射频能量采集技术的发展现状及应用

　　近年来,超低功耗、低电压电子元器件及电路的大量出现以及现实生活中大量不易更换电池的电子微系统的广泛使用，引起了人们对环境射频能量收集技术研究的广泛关注。当前，环境射频能量收集的研究及应用主要在低功耗且不易更换电池的无线传感网络节点及植入式电子设备等方面。

　　1、无线传感器网络方面的应用

　　无线传感器网络具有广泛的应用价值，涉及工业、农业、水文、军事、生物医学等各个领域。当前，电池仍然是无线传感器网络的主要能量来源，但是电池的寿命、尺寸以及维护和更换费用等,在某些场合是不能忍受的。如在智能建筑中，每个建筑物至少有上百个的传感器节点分布于建筑体中的各个部位,用于监测温度、亮度、人流量等参数;通过布线为这些传感器节点提供电源,其代价是十分昂贵的，而采用电池供电主要面临的问题是往后如何判断哪些节点的电池已耗尽并进行更换，这在商业上是难以接受的,而采用环境射频能量收集技术辅以可充电电池则是其比较理想的供电方式。

　　近几年，环境射频能量收集技术在低功耗、分布广、不易更换电池的无线传感器网络的应用研究取得了一些进展。

　　此外，还有不少应用环境射频能量为低功耗无线设备提供电能的能量收集器，它们分别利用不同的射频源，如采用环境 GSM 信号作为射频源，采用环境 WiFi 信号作为射频源。

　　2、生物医学电子方面的应用

　　随着通信、计算机、传感器以及微纳电子技术等领域的研究不断取得突破，生物医学电子系统正朝集成化、微型化、无线化及智能化等方向迅速发展;同时随着老龄化社会的到来以及人们生活水平的提高，各种应用需求应运而生，生物医学电子设备的体积更小、功耗更低。电池是低功耗穿戴式或植入式生物医学电子设备当前的主要能量来源，但为了穿戴的舒适性或更易于植入，自供电显然是其最佳选择，不少科技工作者对此展开了研究。

　　此外，射频能量经过收集、转换，还可有望应用于其它可穿戴式低功耗设备、无线供电手持设备、RFID 标签、非接触式晶圆级测试等场合 ,具有广阔的应用前景。

　　当前，环境射频能量收集技术正朝着小型化、集成化、阵列化、智能化等方向发展。智能化就是通过一定的优化算法或自适应控制技术使其效率最大化;小型化、集成化的目标是将射频能量收集器甚至接收天线集成到用电系统芯片中。

射频能量采集技术

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