能量收集或能量收集的概念是一種使用不同方法從外部環(huán)境收集能量的技術(shù)，包括熱電轉(zhuǎn)換、振動(dòng)激發(fā)、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換、壓力梯度和射頻信號(hào)。射頻無(wú)線能量收集為更換電池或延長(zhǎng)電池壽命提供了巨大的潛力。目前，電池為大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電，包括可穿戴設(shè)備。電池的尺寸有限，從而限制了它們的使用壽命并需要定期更換。

電磁波來(lái)自各種來(lái)源，例如衛(wèi)星站、無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)、廣播電臺(tái)和數(shù)字多媒體廣播。射頻能量收集系統(tǒng)可以捕獲電磁能并將其轉(zhuǎn)換為可用的連續(xù)電壓 (DC)。射頻能量收集系統(tǒng)的基本單元是天線和整流器電路，可將射頻功率或交流電 (AC) 轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)。這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施將有助于減少對(duì)電池的依賴(lài)，最終將對(duì)環(huán)境產(chǎn)生積極影響。圖 1 介紹了射頻能量收集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

圖 1：RF 能量收集系統(tǒng)的框圖

射頻傳輸

即使只有幾微瓦，環(huán)境中也可以獲得能量；通過(guò)采集射頻能量，克服了其他環(huán)境能源的典型問(wèn)題，即：光線不足、溫差不足、缺乏振動(dòng)；此外，可以根據(jù)要求連續(xù)控制和管理接收中的射頻能量。因此，射頻能量可用于為電池充電，也可用于更換電池本身，顯然用于為超低功耗設(shè)備供電。自然，這種類(lèi)型能量的可用性取決于射頻源的功率以及源與射頻接收器之間的距離、接收器的靈敏度、接收天線的特性和信號(hào)的頻率。

RF 信號(hào)的傳輸意味著非輻射和輻射 RF 之間的明顯區(qū)別。第一種基于電感耦合，而第二種使用電磁波的傳輸和接收，是能量收集的基礎(chǔ)。在最后一種情況下，射頻源（無(wú)意）連接到發(fā)射無(wú)線電波的天線。在一定距離處，接收天線捕獲一些波，將它們轉(zhuǎn)換成電信號(hào)為負(fù)載供電。電磁波由麥克斯韋方程組描述，該方程代表了確定電學(xué)和磁學(xué)基礎(chǔ)的最優(yōu)雅和簡(jiǎn)潔的方法之一。麥克斯韋方程組描述了由電荷和電流分布產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，以及它們?nèi)绾坞S時(shí)間變化。

第二個(gè)方程與磁場(chǎng)有關(guān)：

在后者中，表示不存在磁荷。上面提到的前兩個(gè)麥克斯韋方程是封閉表面上電場(chǎng)和磁場(chǎng)的積分。另外兩個(gè)方程是圍繞閉合曲線的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的積分。第三個(gè)是法拉第感應(yīng)定律，第四個(gè)是安培定律：

在微分形式中，描述電磁波的方程如下：

一旦定義了電磁方面，就必須評(píng)估要使用的換能器或天線。因此，該系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)包括天線的設(shè)計(jì)，其目的是捕獲電磁波（在這種情況下為 RF）。Friis 方程調(diào)節(jié)自由空間中的傳輸/接收：

其中 P 參數(shù)是發(fā)射和接收功率，G 是兩根天線的增益，λ 是波長(zhǎng) RF，R 是兩根天線之間的距離。射頻能量收集系統(tǒng)的總體布局包括一個(gè)設(shè)計(jì)合適的接收天線、一個(gè)整流器和一個(gè)連接到負(fù)載的 DC-DC 電路。通常，天線和整流器之間應(yīng)用阻抗匹配電路。在最通用的形式中，DC-DC 轉(zhuǎn)換電路連接到能量存儲(chǔ)系統(tǒng)（電池或電容器）和負(fù)載（圖 2）。

圖 2：簡(jiǎn)單的射頻能量收集電路

設(shè)計(jì)

從自由空間提取的射頻能量通常具有低功率密度，因?yàn)閳?chǎng)以 1 / d2 的速率減小，其中 d 是與射頻源的距離。因此，需要功率放大器電路從電磁波中產(chǎn)生足夠的直流能量來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。傳輸過(guò)程中的功率損耗會(huì)導(dǎo)致能源故障。在這些情況下，添加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò) (IMN) 可確保射頻源和負(fù)載之間的最大功率傳輸（圖 3）。

圖 3：阻抗匹配網(wǎng)絡(luò) (IMN) 適配電路的配置

通過(guò)IMN適配后的信號(hào)將被整流和升級(jí)以滿(mǎn)足應(yīng)用功率要求。電壓倍增器是一種整流電路，可在直流輸出上轉(zhuǎn)換和放大交流輸入。

增益、諧振頻率、帶寬是表征天線性能的參數(shù)。假設(shè)一個(gè)無(wú)障礙空間和一個(gè)各向同性的傳播源，波向各個(gè)方向的擴(kuò)散是均勻的。因此，距源一定距離處的單位面積功率與距離的平方成反比。但是，需要注意的是，天線并不總是以球形方式（各向同性天線）傳輸能量，而是根據(jù)其設(shè)計(jì)在某些特定方向上傳輸能量。天線的容量和電感（圖 3）是天線本身的頻率和物理尺寸的函數(shù)。天線尺寸越大，諧振頻率越低。因此，低頻波的發(fā)射和接收需要大孔徑，這不適合小型應(yīng)用程序。天線的帶寬是天線可以有效工作的頻率范圍。窄帶天線具有良好的轉(zhuǎn)換效率，但只能回收有限的能量。

然后必須評(píng)估（考慮）各種參數(shù)，這些參數(shù)決定（將決定）射頻能量收集項(xiàng)目的性能。RF 能量轉(zhuǎn)換為 DC (PCE) 的效率：施加到負(fù)載的功率量與天線回收的功率量之間的比率。因子 Q：它通常被定義為描述共振強(qiáng)度的無(wú)量綱值。

射頻能量收集解決方案

在世界市場(chǎng)上，用于從環(huán)境中收集射頻能量的組件和系統(tǒng)的生產(chǎn)不斷增加。例如，意法半導(dǎo)體推出了 M24LR Discovery 套件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其板載 EEPROM 存儲(chǔ)器使用環(huán)境射頻能量為其電路供電，從而允許與智能手機(jī)和支持 RFID 且兼容的協(xié)議系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

Analog Devices 和 Texas Instruments 等公司一直致力于研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和營(yíng)銷(xiāo)最高質(zhì)量和效率的能量收集組件和設(shè)備。模擬中的一個(gè)例子是納米功率頻段 LTC3588-1 的集成電路。它還通過(guò)其高效 DC-DC 轉(zhuǎn)換器降壓功能用作壓電源 Harvester 的接口元件，提供 1.8 V 至 3.6 V 的可選輸出電壓和高達(dá) 100 mA 的輸出電流。Texas 的 eZ430-RF2500-SEH 套件提供了一個(gè)令人興奮（有趣）的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，以創(chuàng)建一個(gè)完整的太陽(yáng)能收集設(shè)備，該設(shè)備能夠通過(guò)超低功耗微控制器為無(wú)線傳感器永久供電（圖 4）。

圖 4：LTC3588-1 的框圖

結(jié)論

與新的 IC 和存儲(chǔ)解決方案一起，能量收集有助于提高能源效率。射頻傳輸也主要來(lái)自無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，就像我們對(duì)信息的渴望和始終連接的渴望一樣，我們想要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，這實(shí)際上是能量收集的一個(gè)相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。


審核編輯：劉清