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            射頻能量采集技術

            發布時間:2021-09-03

                  日常生活中的電子設備越來越多了,它們都需要某種形式的電源才能維持正常工作。幸運的是,我們周圍存在很多種能量形式,既可以把風能、光能、物體運動動能轉換成電能,甚至從高頻無線電信號的傳輸中也可以收集部分能量。

              相比之下沒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,它可以從無線電/電視廣播站和無線設備上獲取能量。在物聯網(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源,它正在從世界各地數十億的無線電發射器中發射而出,這些發射器包括移動電話、移動電話基站和電視/電臺信號發射基站等。因此,利用射頻能量來為一些低功耗電路供電已經成為一種趨勢。

              從RF獲取能量的概念并不新鮮,而且過程相對簡單。無線電波到達天線并導致其長度上的電位差變化。該電位差使得電荷載流子沿著天線的長度移動以試圖使場均衡,并且RF-DC集成電路能夠從這些電荷載流子的移動中捕獲能量。能量暫時存儲在電容器中,然后用于在負載處產生所需的電位差。

              射頻能量信號是通過天線接收的,所以天線的工作頻率必須與所接收到信號的頻率相同,射頻信號通過天線接收后既可以用在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儲存裝置中;能量儲存裝置可以給RF-DC轉換器、RF裝置、低功耗應用提供能量。

                  可以創建一個電路,通過現成的組件為子系統執行RF到DC轉換。利用天線,無線充電線圈,PMIC(電源管理IC),功率接收器芯片,激勵器發射器等的各種組合可以產生能夠從RF獲取能量的系統。

              射頻能量信號是通過天線接收的,所以天線的工作頻率必須與所接收到信號的頻率相同,射頻信號通過天線接收后既可以用在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儲存裝置中;能量儲存裝置可以給RF-DC轉換器、RF裝置、低功耗應用提供能量。

               天線

              發射信號的天線有很多種,如手機基站、電視信號發射塔和WIFI路由器等;接收信號的天線則屬于射頻能量收集器的一部分,通過它接收外界的射頻信號來進行后續工作。

              在任何移動設備中天線的設計都是相當重要的。平面貼片天線是一種形狀適宜、重量輕、易于操作的天線。然而,其本身卻也不那么小。

              一種減小天線尺寸的方法是在高介電常數的材料上制備貼片天線。一般來說,單個的天線不能收集到足夠的能量去驅動一個器件,多天線結構可以獲取一個更大范圍的射頻能量。

              一個設計良好的天線應該能夠具有獲取整個頻帶能量的功能,這對于計算整個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。

              通常來說用單個硅整流天線二極管為設備提供能量是遠遠不夠的,使用多個相互連接的天線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多個天線,匯總RF信號再進行整流。在點對點的射頻系統中(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天線對應一個整流器,先進行整流再匯總直流信號,對于大型硅整流二極管天線和射頻能量收集(消除隨機偏振的影響),這種結構是最合適的。

            能量儲存

              在能量儲存方面可以利用傳統的充電電池、新型薄膜電池以及電容對能量進行儲存。但電池存在可充電次數有限,需要更換等缺點。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雙層電容器(EDLC),這種電容已經有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法提供足夠電荷存儲的靜電/電解電容之間的最好產品。


              能量收集器的難點

              設計能量收集器的難點有三個,分別是天線、靈敏度和轉換效率。

              就天線而言,雖然科學工作者經過多年努力已經在設計技術方面取得了不小的成果,但是天線的小型化、寬頻帶問題仍是射頻能量收集技術的關鍵。原因是要將其應用在較小的設備上就必須要求天線小型化,占用空間小;其次,空間中的射頻能量比較低,所分布頻帶比較散,所以要求天線必須具有寬頻帶的特點。

              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,對其進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:天線與整流器之間的匹配情況、整流器件閾值電壓的影響等。經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題。

              就轉換效率而言,功率轉換效率是收集器的一個重要指標,當射頻信號能量比較低時轉換效率會迅速降低。目前提高效率的方法有采用外部閾值、內部閾值、自閾值的補償以實現對整流MOS管進行閾值補償加快其導通速度等方法。但這些技術效果還不是很理想,需要進一步改進或者發展其他新方法。

              射頻能量采集技術的發展現狀及應用

              近年來,超低功耗、低電壓電子元器件及電路的大量出現以及現實生活中大量不易更換電池的電子微系統的廣泛使用,引起了人們對環境射頻能量收集技術研究的廣泛關注。 當前,環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線傳感網絡節點及植入式電子設備等方面。

              1、無線傳感器網絡方面的應用

              無線傳感器網絡具有廣泛的應用價值,涉及工業、農業、水文、軍事、生物醫學等各個領域。 當前,電池仍然是無線傳感器網絡的主要能量來源,但是電池的壽命、尺寸以及維護和更換費用等,在某些場合是不能忍受的。 如在智能建筑中,每個建筑物至少有上百個的傳感器節點分布于建筑體中的各個部位,用于監測溫度、亮度、人流量等參數;通過布線為這些傳感器節點提供電源,其代價是十分昂貴的,而采用電池供電主要面臨的問題是往后如何判斷哪些節點的電池已耗盡并進行更換,這在商業上是難以接受的,而采用環境射頻能量收集技術輔以可充電電池則是其比較理想的供電方式 。

              近幾年,環境射頻能量收集技術在低功耗、分布廣、不易更換電池的無線傳感器網絡的應用研究取得了一些進展。

              此外,還有不少應用環境射頻能量為低功耗無線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 采用環境 GSM 信號作為射頻源, 采用環境 WiFi 信號作為射頻源。

              2、生物醫學電子方面的應用

              隨著通信、計算機、傳感器以及微納電子技術等領域的研究不斷取得突破,生物醫學電子系統正朝集成化、微型化、無線化及智能化等方向迅速發展;同時隨著老齡化社會的到來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電子設備當前的主要能量來源,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了研究。

              此外,射頻能量經過收集、轉換,還可有望應用于其它可穿戴式低功耗設備、無線供電手持設備、RFID 標簽、非接觸式晶圓級測試等場合 ,具有廣闊的應用前景。

              當前,環境射頻能量收集技術正朝著小型化、集成化、陣列化、智能化等方向發展。 智能化就是通過一定的優化算法或自適應控制技術使其效率最大化;小型化、集成化的目標是將射頻能量收集器甚至接收天線集成到用電系統芯片中。

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