【導讀】日常生活中的電子設備越來(lái)越多了，它們都需要某種形式的電源才能維持正常工作。幸運的是，我們周?chē)嬖诤芏喾N能量形式，既可以把風(fēng)能、光能、物體運動(dòng)動(dòng)能轉換成電能，甚至從高頻無(wú)線(xiàn)電信號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/微波信號中收集能量的方案，它可以從無(wú)線(xiàn)電/電視廣播站和無(wú)線(xiàn)設備上獲取能量。在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳感器和射頻識別（RFID）標簽等低功耗應用中，這種能量收集方案可以替換電池。重復使用能量可以降低運營(yíng)成本，并提高現有電子系統和設備的能源使用效率。
從RF中獲取能量
RF是能量收集的豐富來(lái)源，它正在從世界各地數十億的無(wú)線(xiàn)電發(fā)射器中發(fā)射而出，這些發(fā)射器包括移動(dòng)電話(huà)、移動(dòng)電話(huà)基站和電視/電臺信號發(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。
從RF獲取能量的概念并不新鮮，而且過(guò)程相對簡(jiǎn)單。無(wú)線(xiàn)電波到達天線(xiàn)并導致其長(cháng)度上的電位差變化。該電位差使得電荷載流子沿著(zhù)天線(xiàn)的長(cháng)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)存儲在電容器中，然后用于在負載處產(chǎn)生所需的電位差。
射頻能量信號是通過(guò)天線(xiàn)接收的，所以天線(xiàn)的工作頻率必須與所接收到信號的頻率相同，射頻信號通過(guò)天線(xiàn)接收后既可以用在RF-DC轉換器上又可以用在單純的RF應用上；RF-DC轉換器將RF信號轉換為DC信號，從而可以將獲取的能量存儲在能量?jì)Υ嫜b置中；能量?jì)Υ嫜b置可以給RF-DC轉換器、RF裝置、低功耗應用提供能量。
可以創(chuàng )建一個(gè)電路，通過(guò)現成的組件為子系統執行RF到DC轉換。利用天線(xiàn)，無(wú)線(xiàn)充電線(xiàn)圈，PMIC（電源管理IC），功率接收器芯片，激勵器發(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。
射頻能量信號是通過(guò)天線(xiàn)接收的，所以天線(xiàn)的工作頻率必須與所接收到信號的頻率相同，射頻信號通過(guò)天線(xiàn)接收后既可以用在RF-DC轉換器上又可以用在單純的RF應用上；RF-DC轉換器將RF信號轉換為DC信號，從而可以將獲取的能量存儲在能量?jì)Υ嫜b置中；能量?jì)Υ嫜b置可以給RF-DC轉換器、RF裝置、低功耗應用提供能量。
天線(xiàn)
發(fā)射信號的天線(xiàn)有很多種，如手機基站、電視信號發(fā)射塔和WIFI路由器等；接收信號的天線(xiàn)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來(lái)進(jìn)行后續工作。
在任何移動(dòng)設備中天線(xiàn)的設計都是相當重要的。平面貼片天線(xiàn)是一種形狀適宜、重量輕、易于操作的天線(xiàn)。然而，其本身卻也不那么小。
一種減小天線(xiàn)尺寸的方法是在高介電常數的材料上制備貼片天線(xiàn)。一般來(lái)說(shuō)，單個(gè)的天線(xiàn)不能收集到足夠的能量去驅動(dòng)一個(gè)器件，多天線(xiàn)結構可以獲取一個(gè)更大范圍的射頻能量。
一個(gè)設計良好的天線(xiàn)應該能夠具有獲取整個(gè)頻帶能量的功能，這對于計算整個(gè)頻帶的能量是非常重要的。輸入射頻功率密度是在結合了所有頻譜后計算出來(lái)的。
RF-DC轉換電路
RF-DC轉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轉換為直流信號。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(xiàn)二極管為設備提供能量是遠遠不夠的，使用多個(gè)相互連接的天線(xiàn)可以提供足夠的能量。
如圖（a）所示，一種結構是在整流器前并聯(lián)多個(gè)天線(xiàn)，匯總RF信號再進(jìn)行整流。在點(diǎn)對點(diǎn)的射頻系統中（窄基帶），這種結構的能量轉移是最有效的；如圖（b）所示，另一種結構則是每個(gè)天線(xiàn)對應一個(gè)整流器，先進(jìn)行整流再匯總直流信號，對于大型硅整流二極管天線(xiàn)和射頻能量收集（消除隨機偏振的影響），這種結構是最合適的。
能量?jì)Υ?/div>
在能量?jì)Υ娣矫婵梢岳脗鹘y的充電電池、新型薄膜電池以及電容對能量進(jìn)行儲存。但電池存在可充電次數有限，需要更換等缺點(diǎn)。這就需要考慮采用新的存儲方案，例如使用超級電容。傳統超級電容為電化學(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)
設計能量收集器的難點(diǎn)有三個(gè)，分別是天線(xiàn)、靈敏度和轉換效率。
就天線(xiàn)而言，雖然科學(xué)工作者經(jīng)過(guò)多年努力已經(jīng)在設計技術(shù)方面取得了不小的成果，但是天線(xiàn)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。原因是要將其應用在較小的設備上就必須要求天線(xiàn)小型化，占用空間??；其次，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(xiàn)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(xiàn)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的整流電路，這就導致芯片面積增加、寄生參數增加等一系列問(wèn)題。
就轉換效率而言，功率轉換效率是收集器的一個(gè)重要指標，當射頻信號能量比較低時(shí)轉換效率會(huì )迅速降低。目前提高效率的方法有采用外部閾值、內部閾值、自閾值的補償以實(shí)現對整流MOS管進(jìn)行閾值補償加快其導通速度等方法。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)展現狀及應用
近年來(lái),超低功耗、低電壓電子元器件及電路的大量出現以及現實(shí)生活中大量不易更換電池的電子微系統的廣泛使用，引起了人們對環(huán)境射頻能量收集技術(shù)研究的廣泛關(guān)注。 當前，環(huán)境射頻能量收集的研究及應用主要在低功耗且不易更換電池的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)及植入式電子設備等方面。
1、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )方面的應用
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有廣泛的應用價(jià)值，涉及工業(yè)、農業(yè)、水文、軍事、生物醫學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。 當前，電池仍然是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的主要能量來(lái)源，但是電池的壽命、尺寸以及維護和更換費用等,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)的傳感器節點(diǎn)分布于建筑體中的各個(gè)部位,用于監測溫度、亮度、人流量等參數;通過(guò)布線(xiàn)為這些傳感器節點(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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用研究取得了一些進(jìn)展。
此外，還有不少應用環(huán)境射頻能量為低功耗無(wú)線(xiàn)設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 信號作為射頻源， 采用環(huán)境 WiFi 信號作為射頻源。
2、生物醫學(xué)電子方面的應用
隨著(zhù)通信、計算機、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，生物醫學(xué)電子系統正朝集成化、微型化、無(wú)線(xiàn)化及智能化等方向迅速發(fā)展；同時(shí)隨著(zhù)老齡化社會(huì )的到來(lái)以及人們生活水平的提高，各種應用需求應運而生，生物醫學(xué)電子設備的體積更小、功耗更低。 電池是低功耗穿戴式或植入式生物醫學(xué)電子設備當前的主要能量來(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，不少科技工作者對此展開(kāi)了研究。
此外，射頻能量經(jīng)過(guò)收集、轉換，還可有望應用于其它可穿戴式低功耗設備、無(wú)線(xiàn)供電手持設備、RFID 標簽、非接觸式晶圓級測試等場(chǎng)合 ,具有廣闊的應用前景。
當前，環(huán)境射頻能量收集技術(shù)正朝著(zhù)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)化算法或自適應控制技術(shù)使其效率最大化；小型化、集成化的目標是將射頻能量收集器甚至接收天線(xiàn)集成到用電系統芯片中。
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