利用射频电磁波为便携式设备供电

利用射频能量为传统电池充电，将可能是一个有前途的替代解决方案。射频电磁波在人们的日常生活环境中无处不在，包括Wi-Fi、蜂窝网络和各种通信系统。通过收集这些射频源的能量，可以无缝地满足智能手表、健康追踪器和智能眼镜等可穿戴设备的充电要求，从而再也无需频繁充电或更换电池了！能量收集是一个利用周围空中的能量为各种便携式设备供电的过程。能量可以通过风、太阳、射频等不同方式收集。近年来，射频能量收集(RF-EH)系统大受欢迎，它为低功耗电子系统提供了一种可持续供电方式。

图1：主流环境能源分布图。(来源：IEEE)

射频能量收集是一个捕捉射频电磁波并将其转换为可用电能的过程。需要利用专门的天线和整流器对射频信号进行捕捉和整流，最后转化为直流电源。该方案是为无线传感器网络、物联网设备和其他低功耗电子设备供电的一种潜在解决方案。收集到的这类能量可用来为小型电子设备供电，或储存在储能系统中供日后使用。然而，射频能量收集系统的工作范围是有限的，要求需能设备与射频源保持较近的距离。随着设备与射频源之间距离的增加，射频能量收集的效率会大大降低。另一个挑战是需要专门设计的天线来接收或传送射频信号。

图2：射频能量收集系统的概念框图。(来源：NIH)

部件

射频能量收集系统包含了一个被称为整流天线(或整流型天线)的核心部件。它是一种特殊装置，由天线、射频输入滤波器、匹配网络、整流电路和存储装置组成。射频能量收集系统可以在能够提供环境射频能量的各种频段内工作。这些频段包括了长期演进(LTE)和数字电视(DTV)，其中LTE的工作频率在750～800MHz之间，用于提供4G移动数据服务，而DTV的工作频率在550～600MHz之间，用于广播数字电视信号，可取代模拟传输，提供更高质量和多通道传输功能。该频率清单中还包括GSM-900、GSM-1800和通用移动电信系统(UMTS)，其中GSM-900工作频率为850～910MHz，GSM-1800移动通信用的是2G频段，工作频率范围为1850～1900MHz。UMTS用的是2150～2200MHz频段，提供3G移动服务，比如视频通话、互联网接入和多媒体信息等。这段频谱还包括Wi-Fi和无线局域网(WLAN)网络，这些网络通常利用2.4～2.45GHz的频率范围进行无线互联网连接。0.9～2GHz的频谱则被分配给电视和无线广播。WLAN工作在3.1～4.4GHz范围内，也提供与Wi-Fi类似的无线网络连接，只是频段不同。

技术和优势

射频能量收集有多种不同的技术，包括：来自专用射频源的射频能量收集来自环境射频源的射频能量收集移动设备之间的射频能量传送(RFET)与其他方法相比，来自专用射频源的射频能量收集技术能输出较高功率。从专用射频源短距离收集射频能量的电路，有望输出50nW/cm2的功率水平。不过，这种有望实现的高功率电平，也伴随着路径损耗、能量耗散、屏蔽和衰减问题，所有这些问题都会带来很大挑战。而移动设备之间的射频能量传送技术，对耦合和方向对准方面的要求比较宽松，因此显示出比非辐射式无线能量传输更有前景的优势。来自环境射频源的射频能量收集系统可以分为两大子类：静态源和动态源。静态源：这些源具有稳定功率发射器的特点，但它们并不简单。通过对信号进行调制(一般调制频率和发射功率)的方式来为传感器设备供电。环境静态源包括广播电台、移动基站和电视。动态源：这些发射源以不受监控的方式定期发射射频信号。为了有效地从这些信号源收集能量，需要利用智能无线能量收集系统，来持续监控信道以寻找潜在的收集机会。Wi-Fi接入点、微波无线电链路、警用无线电等都是一些未被注意到的环境动态源。移动设备之间的射频能量收集，可实现邻近设备之间的稳定功率传输。通过利用功率分配或时间切换技术，无需对发射器进行任何改造就能使这些设备持续工作。这种方法允许使用共享天线或天线阵列，进行射频能量收集和信息接收。例如，移动设备的射频能量转换，可根据与中继节点的交互信息来进行，防止功耗失衡。与风能、太阳能和振动能等能源相比，射频能量收集系统具有如下明显优势：射频能量收集系统具有调节和简化远距离能量持续传输的能力。通过射频能量收集系统收集的能量，具有相对的稳定性和可预测性，可确保射频能量收集装置在固定距离内的长期性能。值得注意的是，由于射频能量收集效率取决于专用射频源与环境射频源的距离，因此，随着在网络节点中的位置变化，会给射频能量收集带来很大差异。

原理

用于发射和接收电磁波的微波天线，是根据麦克斯韦方程原理制造的。射频能则是电磁能的一种，可通过电磁波传输。射频能源，如广播站、手机信号塔和Wi-Fi热点，都可以在环境中持续提供丰富的射频能量。在近场应用中，可以用电磁感应和磁共振技术在短距离内产生电能。而在远场应用中，可以用天线接收射频信号，再通过整流电路将其转换为电能。远场射频能量收集可分为环境射频能量收集和专用射频能量收集。向充电范围内的接收器传输电能取决于距离、频率和天线增益等因素。接收到的电能会被转换成直流电压，并储存起来供随后使用。值得注意的是，接收功率的大小会受到环境传播特性的影响。在射频能量收集系统中，弗里斯(Friis)传输和等效各向同性辐射功率(EIRP)是需要考虑的两个关键设计界限。EIRP为天线侧的可用功率设定了上限，它与距离无关。除了强反射环境外，Friis功率密度都会随着距离的增加而降低。要评估无线能量收集设计的性能，必须对多个参数进行评估，同时应优先考虑灵敏度、效率、输出功率和距离。为了确保获得最大功率和最佳设计功能，还需要对这些参数进行充分的权衡。由于DTV、GSM900、GSM1800和3G等频段在城市地区的功率密度较高，因此是潜力较大的收集频段。此外，与半城市地区相比，城市地区捕获大量电磁能量的机会更大。

图3：射频能量收集资料分类。(来源：NIH)

探索天线种类

天线作为接收器，在整流系统中发挥着不可或缺的作用，由其接收的射频能量在系统的后续电路中，被转换成直流信号。天线设计要综合考虑复杂性、尺寸和整体性能等因素。为了满足能量收集的高效率，天线应具有较宽的工作频段、扁平设计、全向辐射模式、高增益和紧凑的尺寸。单频天线用于在单个窄频段内工作。圆极化(CP)是设计天线时必须考虑的参数之一，它通过稳定天线输出来提高整体输出功率。此外，CP天线还是提高整流系统整体效率的重要部件。设计宽带和宽频天线的目的是捕捉较宽频率范围内的各种能量源。宽带天线的使用已得到广泛研究，有文献指出，利用交叉偶极子天线中的花形插槽可改善1.8～2.5GHz范围内的阻抗匹配性能。同样，紧凑型槽形天线在LTE频段的2～3.1GHz带宽内具有卓越性能。宽带和宽频天线方面的这些进步，拓展了在不同频率范围内进行射频能量收集的可能性。在整流天线应用中，采用多频段天线有助于各种富能频率的收集。然而，与之前的解决方案相比，这种天线的效率较低，尽管能从周围环境中收集的能量较多。射频能量收集面临的一个主要挑战是，由于可用的射频功率密度较低，从射频到直流的转换率较低。此外，虽然天线阵列可提供高输出功率，但难以集成且占用大量芯片空间。因此，有必要专门开发用于环境射频能量收集的紧凑型多频段圆极化整流天线。例如，业界已出现一种紧凑型多频段整流天线，它具有分形几何结构和六个辐射频段，可覆盖WLAN、Wi-MAX、GSM和卫星通信等多个频段。整流器在射频能量收集过程中发挥着重要作用，它能将来自天线的交流(AC)信号转换成直流电源，从而实现能量的有效提取。射频能量收集中的整流部分可通过二极管、晶体管和CMOS技术实现。整流拓扑结构有两种：半波整流：只允许二分之一的交流波形通过，产生单向脉动直流。全波整流：将整个输入波形转换为单一极性的输出波形，从而获得平均值更高的输出电压。

应用及潜力

鉴于整流天线采用不同的尺寸、工作频率、基底和二极管技术，导致了一系列的射频能量收集应用。基于CP石墨烯场效应晶体管(GFET)的整流天线就是众多应用之一，该天线设计用于检测高频段射频信号。此外还有一种微型印刷整流天线，可从约2.45GHz的环境射频信号中获取能量。可穿戴式整流天线阵列专为要求移动性和舒适性的应用而设计。这种整流天线用Cordura纹理材料制成，耐用、轻便、坚韧、舒适，非常适合可穿戴式设备。在不到四分钟的时间内，这类射频能量收集和存储模块，就能够从频率为915MHz的工业和科学医疗辐射源收集到8.4mJ的能量。还有用于智能环境检测的射频识别(RFID)增强模块(RAMSES)。该模块最初是作为无源器件推出的，目的是用于开发新的和非传统的RFID应用。

图4：RAMSES原型。(来源：NIH)

通过射频能量收集为电池供电，可能是传统电池供电系统的一个有前途的替代方案。射频能量收集技术能够收集环境射频能量，并将其转化为可用电能，因而无需再频繁充电或更换电池。