利用射頻能量為傳統(tǒng)電池充電，將可能是一個有前途的替代解決方案。射頻電磁波在人們的日常生活環(huán)境中無處不在，包括Wi-Fi、蜂窩網(wǎng)絡和各種通信系統(tǒng)。通過收集這些射頻源的能量，可以無縫地滿足智能手表、健康追蹤器和智能眼鏡等可穿戴設備的充電要求，從而再也無需頻繁充電或更換電池了！能量收集是一個利用周圍空中的能量為各種便攜式設備供電的過程。能量可以通過風、太陽、射頻等不同方式收集。近年來，射頻能量收集(RF-EH)系統(tǒng)大受歡迎，它為低功耗電子系統(tǒng)提供了一種可持續(xù)供電方式。
圖1：主流環(huán)境能源分布圖。(來源：IEEE)
射頻能量收集是一個捕捉射頻電磁波并將其轉換為可用電能的過程。需要利用專門的天線和整流器對射頻信號進行捕捉和整流，最后轉化為直流電源。該方案是為無線傳感器網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)設備和其他低功耗電子設備供電的一種潛在解決方案。收集到的這類能量可用來為小型電子設備供電，或儲存在儲能系統(tǒng)中供日后使用。然而，射頻能量收集系統(tǒng)的工作范圍是有限的，要求需能設備與射頻源保持較近的距離。隨著設備與射頻源之間距離的增加，射頻能量收集的效率會大大降低。另一個挑戰(zhàn)是需要專門設計的天線來接收或傳送射頻信號。
圖2：射頻能量收集系統(tǒng)的概念框圖。(來源：NIH)
部件
射頻能量收集系統(tǒng)包含了一個被稱為整流天線(或整流型天線)的核心部件。它是一種特殊裝置，由天線、射頻輸入濾波器、匹配網(wǎng)絡、整流電路和存儲裝置組成。射頻能量收集系統(tǒng)可以在能夠提供環(huán)境射頻能量的各種頻段內(nèi)工作。這些頻段包括了長期演進(LTE)和數(shù)字電視(DTV)，其中LTE的工作頻率在750～800MHz之間，用于提供4G移動數(shù)據(jù)服務，而DTV的工作頻率在550～600MHz之間，用于廣播數(shù)字電視信號，可取代模擬傳輸，提供更高質量和多通道傳輸功能。該頻率清單中還包括GSM-900、GSM-1800和通用移動電信系統(tǒng)(UMTS)，其中GSM-900工作頻率為850～910MHz，GSM-1800移動通信用的是2G頻段，工作頻率范圍為1850～1900MHz。UMTS用的是2150～2200MHz頻段，提供3G移動服務，比如視頻通話、互聯(lián)網(wǎng)接入和多媒體信息等。這段頻譜還包括Wi-Fi和無線局域網(wǎng)(WLAN)網(wǎng)絡，這些網(wǎng)絡通常利用2.4～2.45GHz的頻率范圍進行無線互聯(lián)網(wǎng)連接。0.9～2GHz的頻譜則被分配給電視和無線廣播。WLAN工作在3.1～4.4GHz范圍內(nèi)，也提供與Wi-Fi類似的無線網(wǎng)絡連接，只是頻段不同。
技術和優(yōu)勢
射頻能量收集有多種不同的技術，包括：來自專用射頻源的射頻能量收集來自環(huán)境射頻源的射頻能量收集移動設備之間的射頻能量傳送(RFET)與其他方法相比，來自專用射頻源的射頻能量收集技術能輸出較高功率。從專用射頻源短距離收集射頻能量的電路，有望輸出50nW/cm2的功率水平。不過，這種有望實現(xiàn)的高功率電平，也伴隨著路徑損耗、能量耗散、屏蔽和衰減問題，所有這些問題都會帶來很大挑戰(zhàn)。而移動設備之間的射頻能量傳送技術，對耦合和方向對準方面的要求比較寬松，因此顯示出比非輻射式無線能量傳輸更有前景的優(yōu)勢。來自環(huán)境射頻源的射頻能量收集系統(tǒng)可以分為兩大子類：靜態(tài)源和動態(tài)源。靜態(tài)源：這些源具有穩(wěn)定功率發(fā)射器的特點，但它們并不簡單。通過對信號進行調制(一般調制頻率和發(fā)射功率)的方式來為傳感器設備供電。環(huán)境靜態(tài)源包括廣播電臺、移動基站和電視。動態(tài)源：這些發(fā)射源以不受監(jiān)控的方式定期發(fā)射射頻信號。為了有效地從這些信號源收集能量，需要利用智能無線能量收集系統(tǒng)，來持續(xù)監(jiān)控信道以尋找潛在的收集機會。Wi-Fi接入點、微波無線電鏈路、警用無線電等都是一些未被注意到的環(huán)境動態(tài)源。移動設備之間的射頻能量收集，可實現(xiàn)鄰近設備之間的穩(wěn)定功率傳輸。通過利用功率分配或時間切換技術，無需對發(fā)射器進行任何改造就能使這些設備持續(xù)工作。這種方法允許使用共享天線或天線陣列，進行射頻能量收集和信息接收。例如，移動設備的射頻能量轉換，可根據(jù)與中繼節(jié)點的交互信息來進行，防止功耗失衡。與風能、太陽能和振動能等能源相比，射頻能量收集系統(tǒng)具有如下明顯優(yōu)勢：射頻能量收集系統(tǒng)具有調節(jié)和簡化遠距離能量持續(xù)傳輸?shù)哪芰Α?/span>通過射頻能量收集系統(tǒng)收集的能量，具有相對的穩(wěn)定性和可預測性，可確保射頻能量收集裝置在固定距離內(nèi)的長期性能。值得注意的是，由于射頻能量收集效率取決于專用射頻源與環(huán)境射頻源的距離，因此，隨著在網(wǎng)絡節(jié)點中的位置變化，會給射頻能量收集帶來很大差異。
原理
用于發(fā)射和接收電磁波的微波天線，是根據(jù)麥克斯韋方程原理制造的。射頻能則是電磁能的一種，可通過電磁波傳輸。射頻能源，如廣播站、手機信號塔和Wi-Fi熱點，都可以在環(huán)境中持續(xù)提供豐富的射頻能量。在近場應用中，可以用電磁感應和磁共振技術在短距離內(nèi)產(chǎn)生電能。而在遠場應用中，可以用天線接收射頻信號，再通過整流電路將其轉換為電能。遠場射頻能量收集可分為環(huán)境射頻能量收集和專用射頻能量收集。向充電范圍內(nèi)的接收器傳輸電能取決于距離、頻率和天線增益等因素。接收到的電能會被轉換成直流電壓，并儲存起來供隨后使用。值得注意的是，接收功率的大小會受到環(huán)境傳播特性的影響。在射頻能量收集系統(tǒng)中，弗里斯(Friis)傳輸和等效各向同性輻射功率(EIRP)是需要考慮的兩個關鍵設計界限。EIRP為天線側的可用功率設定了上限，它與距離無關。除了強反射環(huán)境外，F(xiàn)riis功率密度都會隨著距離的增加而降低。要評估無線能量收集設計的性能，必須對多個參數(shù)進行評估，同時應優(yōu)先考慮靈敏度、效率、輸出功率和距離。為了確保獲得最大功率和最佳設計功能，還需要對這些參數(shù)進行充分的權衡。由于DTV、GSM900、GSM1800和3G等頻段在城市地區(qū)的功率密度較高，因此是潛力較大的收集頻段。此外，與半城市地區(qū)相比，城市地區(qū)捕獲大量電磁能量的機會更大。
圖3：射頻能量收集資料分類。(來源：NIH)
探索天線種類
天線作為接收器，在整流系統(tǒng)中發(fā)揮著不可或缺的作用，由其接收的射頻能量在系統(tǒng)的后續(xù)電路中，被轉換成直流信號。天線設計要綜合考慮復雜性、尺寸和整體性能等因素。為了滿足能量收集的高效率，天線應具有較寬的工作頻段、扁平設計、全向輻射模式、高增益和緊湊的尺寸。單頻天線用于在單個窄頻段內(nèi)工作。圓極化(CP)是設計天線時必須考慮的參數(shù)之一，它通過穩(wěn)定天線輸出來提高整體輸出功率。此外，CP天線還是提高整流系統(tǒng)整體效率的重要部件。設計寬帶和寬頻天線的目的是捕捉較寬頻率范圍內(nèi)的各種能量源。寬帶天線的使用已得到廣泛研究，有文獻指出，利用交叉偶極子天線中的花形插槽可改善1.8～2.5GHz范圍內(nèi)的阻抗匹配性能。同樣，緊湊型槽形天線在LTE頻段的2～3.1GHz帶寬內(nèi)具有卓越性能。寬帶和寬頻天線方面的這些進步，拓展了在不同頻率范圍內(nèi)進行射頻能量收集的可能性。在整流天線應用中，采用多頻段天線有助于各種富能頻率的收集。然而，與之前的解決方案相比，這種天線的效率較低，盡管能從周圍環(huán)境中收集的能量較多。射頻能量收集面臨的一個主要挑戰(zhàn)是，由于可用的射頻功率密度較低，從射頻到直流的轉換率較低。此外，雖然天線陣列可提供高輸出功率，但難以集成且占用大量芯片空間。因此，有必要專門開發(fā)用于環(huán)境射頻能量收集的緊湊型多頻段圓極化整流天線。例如，業(yè)界已出現(xiàn)一種緊湊型多頻段整流天線，它具有分形幾何結構和六個輻射頻段，可覆蓋WLAN、Wi-MAX、GSM和衛(wèi)星通信等多個頻段。整流器在射頻能量收集過程中發(fā)揮著重要作用，它能將來自天線的交流(AC)信號轉換成直流電源，從而實現(xiàn)能量的有效提取。射頻能量收集中的整流部分可通過二極管、晶體管和CMOS技術實現(xiàn)。整流拓撲結構有兩種：半波整流：只允許二分之一的交流波形通過，產(chǎn)生單向脈動直流。全波整流：將整個輸入波形轉換為單一極性的輸出波形，從而獲得平均值更高的輸出電壓。
應用及潛力
鑒于整流天線采用不同的尺寸、工作頻率、基底和二極管技術，導致了一系列的射頻能量收集應用?；贑P石墨烯場效應晶體管(GFET)的整流天線就是眾多應用之一，該天線設計用于檢測高頻段射頻信號。此外還有一種微型印刷整流天線，可從約2.45GHz的環(huán)境射頻信號中獲取能量。可穿戴式整流天線陣列專為要求移動性和舒適性的應用而設計。這種整流天線用Cordura紋理材料制成，耐用、輕便、堅韌、舒適，非常適合可穿戴式設備。在不到四分鐘的時間內(nèi)，這類射頻能量收集和存儲模塊，就能夠從頻率為915MHz的工業(yè)和科學醫(yī)療輻射源收集到8.4mJ的能量。還有用于智能環(huán)境檢測的射頻識別(RFID)增強模塊(RAMSES)。該模塊最初是作為無源器件推出的，目的是用于開發(fā)新的和非傳統(tǒng)的RFID應用。
圖4：RAMSES原型。(來源：NIH)
通過射頻能量收集為電池供電，可能是傳統(tǒng)電池供電系統(tǒng)的一個有前途的替代方案。射頻能量收集技術能夠收集環(huán)境射頻能量，并將其轉化為可用電能，因而無需再頻繁充電或更換電池。
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