在低功耗電氣系統中，傳輸過(guò)程中的功率泄漏會(huì )導致能量損失。要解決這個(gè)問(wèn)題，集成阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )（Impedance Matching Network, IMN）電路至關(guān)重要，因為它可以確保射頻源和負載之間的最佳功率傳輸。在 WPH（Wireless Power Harvesting）應用中，我們將接收天線(xiàn)視為源，將整流器或電壓倍增器視為負載。在直流電路中，當源和負載的電阻相等時(shí)，功率傳輸效率最高。然而，在射頻電路中，阻抗取代了電阻。源和負載之間的阻抗失配會(huì )導致電路內的功率反射，進(jìn)而降低整體的系統效率。

IMN 的作用是通過(guò)引入無(wú)功器件來(lái)調整源和負載的阻抗，從而提高功率傳輸過(guò)程的效率。IMN 電路的示例包括：

• L 網(wǎng)絡(luò )

• 反向 L 網(wǎng)絡(luò )

• T 網(wǎng)絡(luò )

• Pi 網(wǎng)絡(luò )

• 多頻段匹配網(wǎng)絡(luò )

整流器器件可以影響能量收集 (EH) 電路的效率。在進(jìn)行功率收集時(shí)，天線(xiàn)捕獲的射頻信號通常具有正弦波形。經(jīng)過(guò) IMN 處理后，該信號被整流，然后升壓以滿(mǎn)足特定應用的功率要求。它們通常涉及多種配置，包括單二極管整流器、電壓倍增器和下文將要討論的更復雜的結構，每種配置都旨在優(yōu)化交流到直流的轉換。

電壓倍增器是一種專(zhuān)門(mén)的整流器電路，用于轉換交流輸入并將其放大為直流輸出。當整流后的功率不能滿(mǎn)足預期應用的要求時(shí)，就需要增強直流輸出。通過(guò)串聯(lián)整流器，從而形成電壓倍增器。

在天線(xiàn)或整流天線(xiàn)設計中，關(guān)鍵性能參數包括增益、諧振頻率和帶寬。假設空間暢通無(wú)阻且具有各向同性發(fā)射源，那么波的擴散在所有方向上都是均勻的。然而我們必須認識到，天線(xiàn)并不總是以球形（各向同性）模式分配功率。根據設計的不同，天線(xiàn)可以更具體地將能量引導到特定方向。

空間中的功率損耗通常用自由空間路徑損耗（FSPL）來(lái)表示，它指的是信號在開(kāi)放空間中傳播時(shí)的功率降低。要計算 FSPL，需要了解天線(xiàn)增益、發(fā)射波的頻率以及發(fā)射器和接收器之間的距離等數據。電磁波的屬性取決于與發(fā)射天線(xiàn)的距離。這種行為變化分為兩個(gè)不同的類(lèi)別：遠場(chǎng)和近場(chǎng)。

在遠場(chǎng)中，電磁波的模式往往相對均勻。然而在近場(chǎng)中，電和磁分量明顯更強且更獨立，以至于一個(gè)分量可能主導另一個(gè)分量。近場(chǎng)區域定義為 Fraunhofer 距離以?xún)鹊目臻g，而遠場(chǎng)區域是超出 Fraunhofer 距離之外的空間。

Fraunhofer 距離是定義近場(chǎng)和遠場(chǎng)區域邊界的關(guān)鍵參數。它是根據輻射器的最大尺寸（D）和電磁波的波長(cháng)（λ）計算而來(lái)的。

雖然 Fraunhofer 距離確定了一個(gè)邊界，但近場(chǎng)和遠場(chǎng)區域之間的實(shí)際過(guò)渡并沒(méi)有明確的界限。

• 在近場(chǎng)中，從天線(xiàn)延伸出一定距離內的區域稱(chēng)為非輻射/反應近場(chǎng)區。在這里，電場(chǎng)（E）和磁場(chǎng)（H）不同相，導致能量失真。

• 當我們從這個(gè)近場(chǎng)區域向距離天線(xiàn)更遠的遠場(chǎng)移動(dòng)時(shí)，就進(jìn)入了輻射近場(chǎng)或 Fresnel 區域。在這個(gè)區域，電磁波反應性質(zhì)的主導地位減弱，但 E 和 H 場(chǎng)的相位仍然隨距離而變化。

  
  

圖中描繪了近場(chǎng)和遠場(chǎng)區域的空間分布。

從自由空間收集的射頻能量通常具有較低的功率密度，因為電場(chǎng)功率密度會(huì )以成比例的速率減小到 1/d2，其中 d 表示與射頻源的距離。因此，需要使用一個(gè)功率放大器電路，以便從電磁波中產(chǎn)生足夠的直流能量來(lái)為負載和應用供電。這種情況可能會(huì )導致兩種結果：

• 如果負載的功耗小于收集的平均功率，則負載處的電子設備可以持續運行。

• 如果負載消耗的能量超過(guò)功率收集電路產(chǎn)生的能量，設備就無(wú)法持續運行。

盡管靜態(tài)源是穩定功率發(fā)射器，但需要通過(guò)更復雜的方法來(lái)為傳感器設備供電。這通常涉及到調制信號，例如改變頻率和傳輸功率。靜態(tài)源的例子包括廣播電臺、移動(dòng)基站和電視等環(huán)境實(shí)體，在功率收集場(chǎng)景中，通常會(huì )利用這些源。

另一方面，動(dòng)態(tài)源是以不受控制的方式發(fā)射信號的發(fā)射器，無(wú)法用物聯(lián)網(wǎng)（IoT）系統專(zhuān)門(mén)監控。要有效地利用來(lái)自這些源的能量，必須使用智能無(wú)線(xiàn)能量收集 （WEH）系統。該系統必須不斷掃描通道，以識別潛在的收集機會(huì )。這類(lèi)不受監控的環(huán)境源的示例包括 Wi-Fi 接入點(diǎn)、微波無(wú)線(xiàn)電鏈路和警用無(wú)線(xiàn)電。這些動(dòng)態(tài)源為各種物聯(lián)網(wǎng)應用中的能量收集帶來(lái)了一系列獨特的挑戰和機遇。

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文章來(lái)源：Cadence楷登PCB及封裝資源中心