射频能量收集综述-工作与应用

射频(RF)能量收集是无线能量传输技术的一种形式，其中接收到的射频信号被转换成电能。它也被称为射频功率清除。射频能量收集装置通过使无线设备能够从环境中可用的射频信号中收集能量，为无线设备提供了强大的解决方案。射频能量收集在各种应用中实现，包括无线传感器网络、可穿戴设备、无线充电和物联网。

射频能量/能量收集的历史起源于20世纪50年代末的一架微波动力直升机。如今，这种技术被认为是小电池在低功耗电子设备和系统中的有前途的替代品。电池有各种各样的缺点，如尺寸，有限的能量存储，以及低效的提取存储的能量。大多数电池最终都被填埋，造成土地和水污染。射频能量收集有助于减少对电池的依赖，这最终将对我们的环境产生积极影响。

我们环境中的射频波来自各种来源，如无线电台、无线互联网和卫星电台。射频能量采集器系统有两个关键组件。捕捉射频波并将其转换为交流电压的天线。第二个关键部件是整流电路，它将交流电压转换成直流电压，为指定设备供电。还有其他射频能量收集系统，其中天线和整流器被组合成一个称为整流天线的元件。

射频能量采集器系统的类型

射频采集系统可分为两种类型，即专用射频能量采集系统和环境射频采集系统。

射频能量采集器是如何工作的?

其总体功能如下：天线捕捉环境中的射频波。入射射频功率通过整流电路转换为直流功率，匹配电路确保从天线向整流电路提供最大功率。最后，当外部能源不可用时，储能单元作为电力储备。

天线:

它是一种捕获射频信号并将其转换为交流电压的换能器。一种高效射频能量采集器具有小尺寸和高天线增益的天线。

阻抗匹配电路：

这是一个谐振器电路，在设计的频率下工作，以最大限度地提高从天线到负载的功率传输。它减少了传输损失。在射频能量采集器电路或任何其他交流电路中，当负载阻抗(ZL)等于源阻抗(ZS)时，从源到负载的功率传输最大。

阻抗匹配电路的目的，顾名思义，是迫使负载阻抗“看起来像”源的复共轭，以便最大功率可以转移到负载上。电抗是频率相关的，因此在特定频率下，阻抗匹配电路使阻抗(ZL)和(ZS)匹配，当它们匹配时，它们的电抗抵消或发生共振并传递最大功率。

整流电路和存储单元：

它用于将AC(交流电)转换为DC(直流电)。这个过程被称为整流，因为它“拉直”了电流的方向。这个电路的主要元件是一个二极管。二极管是一种半导体器件，它只允许电流向一个方向流动。可以使用各种类型的整流电路，如桥式整流、电压乘法器或整流都可以由整流天线完成。如前所述，整流天线是天线和二极管的组合。由于硅肖特基势垒二极管的开关时间快，因此在整流天线中最常用的二极管是硅肖特基势垒二极管。射频能量采集器电路在高频下工作，因此它们需要具有快速开关时间的二极管来匹配它们。

电压倍增器或倍增电路是一种特殊类型的整流电路，由分成n级的电容器和二极管网络组成。它提供RF-DC转换，其次根据倍频电路中的级数放大/提升直流电压。存储单元是作为能量储备的存储电容。

射频能量收集技术的应用

为传感器网络中的低功耗自主传感器供电：

WSN(无线传感器网络)是相互连接的节点/传感器，可以无线通信以收集有关环境的数据。网络中的传感器收集数据，对其进行处理，并将其无线传输到基站。射频能量采集器技术允许传感器在没有电源线连接或更换电池的情况下工作。通过这项技术，传感器可以通过收集其环境中的射频能量来自我供电。这将大大降低与定期更换电池相关的成本。此外，这种类型的传感器可用于电池更换可能不经济可行或可能涉及重大风险的地方。

移动设备无线充电：

射频能量无处不在。它是由产生高电磁场的源发射的，如电视信号、无线无线网络和移动电话。收集环境射频能量的主要优点是它本质上是“自由”的能量。这种能量可以用来为便携式设备充电，如可穿戴电子产品、消费电子产品，如耳机、电子书阅读器等。这使得设备在充电和使用过程中不需要连接器、电缆和电池访问面板，并且具有移动性。射频能量采集器技术也导致改进的产品设计。具有这种嵌入式无线电源技术的产品可以密封，不受潮湿和用户访问等环境条件的影响。产品的可靠性和生命周期也显著提高。

充电有源RFID标签：

射频识别(RFID)标签是安装在产品/动物/人身上的电子设备，用于远程识别和跟踪。如果附近有射频识别标签，信号就会被附近的检测器(称为“阅读器”)接收，然后与中央数据库进行比较以进行识别。RFID技术用于供应链管理、建筑安全设施、图书馆、仓库等。

阅读器具有传输射频信号的天线，标签通过反射射频能量对其作出响应。与无源标签不同，有源RFID标签需要电池来运行。使用电池为标签供电，给用户增加了充电/更换电池的负担。射频能量收集器可以连接到有源标签上，以便它们利用来自读取器的射频波并在不需要电池的情况下为自己供电。

物联网网络应用：

物联网(IoT)是一种通过互联网连接多个设备的创新技术。这样做的主要目标是通过互联网提供对物理世界的解释。支持物联网的设备可以在尽可能少的人为干预下通过操作、共享信息和做出共同决策来监听和执行任务。

在物联网网络中，设备之间的大量通信消耗巨大的电力。在不降低服务质量(QoS)的情况下为更长的网络运行提供能源至关重要。大多数物联网网络使用协作中继在网络节点之间进行信息交换。

协作中继是一种源节点和目标节点通过一个或多个称为中继节点的中间节点进行通信的技术。这种技术的优点是更好的覆盖和吞吐量。然而，代价是，由于添加了额外的中继节点，网络将使用更多的资源。

射频能量收集技术是延长物联网网络中电池寿命和能源效率的最佳方法之一。与使用网络中的电池为中继节点供电不同，使用射频能量收集器中继节点从环境中的射频信号中自供电。

总结

在本节中，我们介绍了射频能量采集器技术的基础知识，以及为什么它被选为低功耗设备中电池的替代品。简而言之，射频能量技术是20世纪50年代发展起来的一种将射频能量转换为直流电压的技术。RF-EH系统包括天线、匹配阻抗电路、整流电路和存储单元。这项技术之所以受到欢迎，是因为它是一种绿色能源，利用电视、Wi-Fi路由器和手机信号塔等各种来源发出的“免费”射频能量。该技术的应用包括无线传感器网络(WSN)，充电便携式设备，RFID标签和物联网网络。

本文编译自iotdesignpro