【導讀】射頻能量收集技術(shù)是一種無(wú)線(xiàn)形式的能量采集技術(shù)，它捕獲來(lái)自周?chē)h(huán)境的電磁波并實(shí)現能量轉換。在任何特定時(shí)刻，射頻能量都會(huì )從全球數百萬(wàn)個(gè)發(fā)射機和設備中傳輸。通過(guò)利用已經(jīng)存在于環(huán)境中的環(huán)境RF信號的能量，射頻能量收集技術(shù)有望成為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )、物聯(lián)網(wǎng)設備和其他低功耗電子設備潛在的供電解決方案。
能量收集是一種利用各種不同技術(shù)從周?chē)h(huán)境收集能量的方法，其能量來(lái)源包括陽(yáng)光、紅外聲波、射頻（RF）波、溫度變化、磁感應或壓電振動(dòng)等多種環(huán)境。在這些方法中，射頻能量收集（RF-EH）的發(fā)展潛力巨大，是一種很有前途的技術(shù)。
射頻能量收集技術(shù)是一種無(wú)線(xiàn)形式的能量采集技術(shù)，它捕獲來(lái)自周?chē)h(huán)境的電磁波并實(shí)現能量轉換。在任何特定時(shí)刻，射頻能量都會(huì )從全球數百萬(wàn)個(gè)發(fā)射機和設備中傳輸。通過(guò)利用已經(jīng)存在于環(huán)境中的環(huán)境RF信號的能量，射頻能量收集技術(shù)有望成為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )、物聯(lián)網(wǎng)設備和其他低功耗電子設備潛在的供電解決方案。
什么是射頻能量收集？
射頻能量收集（RF-EH）系統近年來(lái)非常受關(guān)注，該方法為低功耗電子系統提供了一種近乎無(wú)能耗的供電方案。在實(shí)際工作中，射頻采集器使用天線(xiàn)接收周邊環(huán)境的電磁波并將其轉換為可用的電能。射頻采集器的頻率范圍和功率范圍取決于可用的射頻源，常見(jiàn)的發(fā)射源包括2G/3G/4G/5G基站、無(wú)線(xiàn)電信號發(fā)射站、電視信號廣播站、衛星、Wi-Fi信息亭/路由器、衛星、NFC發(fā)射器、RFID讀取器、BLE（藍牙低功耗）發(fā)射器、UHF發(fā)射器等。
典型的射頻能量收集系統包含天線(xiàn)、AC-DC轉換器和充電管理模塊三個(gè)主要部件。能量采集工作從天線(xiàn)開(kāi)始，此時(shí)天線(xiàn)將被完美設計并調諧到特定的頻率，以接收來(lái)自其周?chē)h(huán)境的射頻信號。當天線(xiàn)將電磁波轉換為低功率電信號后，這些電信號將被饋送到AC-DC轉換器。系統中的充電管理模塊可以是鋰離子可充電電池或低損耗電容器，也可以直接用于為無(wú)電池電子設備供電。有了射頻能量收集系統，小型低能耗電子設備甚至可能不再需要額外的電源。
圖1：多種能量收集技術(shù)及其可用功率水平示例（圖源：Ericsson Research）
與其他能源收集技術(shù)相比，射頻能源的能量密度相對較低，范圍從0.2 nW/cm2到1μW/cm2，，這也是射頻能量采集技術(shù)實(shí)用過(guò)程中面臨的主要挑戰。如果為低功率設備如無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（WSN）供電，該技術(shù)是可行的方案，但在設計中還需綜合考慮收集系統的尺寸，其大小要與傳感器節點(diǎn)相匹配。射頻能量收集是一種很有前途的技術(shù)，它利用了我們周?chē)l(fā)現的射頻電磁波，其定位是面向未來(lái)應用的可行能源。
為了充分利用這一新技術(shù)，設計一款智能高效的天線(xiàn)是必不可少的步驟。為了達到高效能量收集的要求，天線(xiàn)應具有寬的工作頻率范圍、低剖面設計、全向輻射、高增益和緊湊的尺寸。在外形和尺寸上，多頻帶矩形天線(xiàn)有助于利用各種可用的頻率，可從周?chē)h(huán)境接收到更多的能量，但總體效率仍然較低。
另外，天線(xiàn)陣列雖提供了高輸出功率，但因尺寸較大難以集成，且可能占用較大的芯片空間。此時(shí)，可考慮設計一款用于環(huán)境射頻能量采集的緊湊型、多頻帶的圓極化矩形天線(xiàn)。天線(xiàn)的增益是設計中另一重點(diǎn)考慮因素，它的選擇取決于具體的應用要求。在源天線(xiàn)和接收天線(xiàn)的位置已知的情況下，高增益矩形天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)比較突出。相反，如果位置相對不確定，因低增益天線(xiàn)允許同時(shí)收集來(lái)自不同方向的信號，可能更適用。
很明顯，天線(xiàn)、整流電路和功率存儲組件的效率將顯著(zhù)影響能量收集設備所獲取和可用的能量。整流器通過(guò)將來(lái)自天線(xiàn)的AC信號轉換為DC以進(jìn)行有效的電力提取，在系統中發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。射頻能量采集中的整流器可以使用二極管、晶體管和CMOS技術(shù)來(lái)實(shí)現。
射頻能量收集技術(shù)的應用潛力
在大量使用中，環(huán)境射頻收集技術(shù)正在成為替代位于偏遠地區的低功耗電子設備中傳統電池的一種有吸引力的供電方案?，F在，射頻采集技術(shù)也在慢慢成為消費電子產(chǎn)品尤其是小型設備的供電選項。在可穿戴生物醫學(xué)設備的應用案例中，研究人員可連續監測患者的生理信號。
一般來(lái)說(shuō)，利用射頻能量的設備其功耗都非常小，例如，無(wú)線(xiàn)電燈開(kāi)關(guān)只使用激活LED或小型繼電器所需的少量電量。三星在2022年推出的一款遙控器，可以通過(guò)太陽(yáng)能電池板和使用Wi-Fi收集環(huán)境射頻能量的組合永久充電。
在某些情況下，傳感器可能需要部署在人類(lèi)難以進(jìn)入的區域，此時(shí)，需要采用一種可持續供電的方案。這種情況就不能通過(guò)收集周?chē)S機的射頻功率來(lái)為傳感器供電，而是要有專(zhuān)門(mén)的射頻源，技術(shù)人員可以在安全距離內將射頻發(fā)射器照射在設備上。
眾所周知，射頻電路的設計難度相對較高。為了便于設計人員高效完成射頻能量收集系統的設計，Powercast公司推出了一個(gè)評估工具包P2110-EVAL-02，專(zhuān)門(mén)用于通過(guò)射頻能量（無(wú)線(xiàn)電波）進(jìn)行遠距離無(wú)線(xiàn)電池充電。
該評估套件包括一個(gè)射頻發(fā)射器和接收器、一個(gè)天線(xiàn)和一個(gè)充電板，以及來(lái)自IPS公司的THINERGY微能電池（MEC），該電池具有超薄外形和極低泄漏。套件中的TX91501發(fā)射器是915MHz射頻能量的來(lái)源，但850-950 MHz的其他來(lái)源也可用于供電。提供調節的負載電壓為應用設備供電，其中包括德州儀器eZ430-RF2500無(wú)線(xiàn)開(kāi)發(fā)工具用于演示。
圖2：射頻能量收集開(kāi)發(fā)評估工具包P2110-EVAL-02（圖源：Powercast）
射頻能量收集技術(shù)有許多好處和優(yōu)勢，其中包括它有無(wú)限制的能量來(lái)源，這些電磁波遍布我們周?chē)沂敲赓M的。其次，它還是一種綠色能源，不會(huì )產(chǎn)生浪費。另外，與風(fēng)能和太陽(yáng)能相比，射頻能量采集器可以在黑暗的大氣條件下工作，通過(guò)射頻能量系統采集的能量表現出相對的穩定性和可預測性，幾乎不受使用環(huán)境的影響。
當然，環(huán)境射頻采集技術(shù)的缺點(diǎn)和不足也比較明顯。
射頻能量收集的未來(lái)
盡管無(wú)線(xiàn)電能量是一種較弱的環(huán)境能源，但射頻能量收集技術(shù)對許多應用而言仍是有吸引力的。豐富的無(wú)線(xiàn)信號，包括來(lái)自移動(dòng)基站、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )和電視發(fā)射機以及微波收音機和移動(dòng)電話(huà)的信號，導致作為環(huán)境能源的射頻能量收集市場(chǎng)的顯著(zhù)增長(cháng)。
根據Data Bridge Market Research的分析和預測，2021年，全球射頻能量收集市場(chǎng)的價(jià)值約為102.7億美元，預計到2029年將達到619.8億美元，在2022-2029年內，復合年增長(cháng)率達到25.2%。
能量收集的概念植根于通過(guò)各種機制將環(huán)境能量轉換為可用電力的原理。能量收集技術(shù)為從周?chē)h(huán)境中提取電力為各種設備和系統供電提供了一條很有前途的途徑。與化石燃料或電池等容量有限且需要定期更換或充電的傳統能源不同，能源收集方案不僅減少了對傳統電源的依賴(lài)，而且在為電子設備和系統供電方面實(shí)現了更大的自主權和可持續性。
無(wú)線(xiàn)電波廣泛存在于我們的日常環(huán)境中，通過(guò)利用這些射頻源，智能手表、健康追蹤器和智能眼鏡等可穿戴設備可以無(wú)縫滿(mǎn)足充電要求。物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)將需要一種高效的能源來(lái)連接數十億用于廣泛應用的智能設備和傳感器，長(cháng)期可持續和可靠的能源對于任何高效的系統來(lái)說(shuō)都是不可避免的。
近年來(lái)，材料科學(xué)、工程和電子技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了越來(lái)越高效和緊湊的能量收集設備的發(fā)展。通過(guò)射頻能量收集為電池供電有望成為低功耗電子設備中傳統電池供電系統的一種很有前途的替代方案。
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