射頻能量收集綜述-工作與應(yīng)用

射頻(RF)能量收集是無線能量傳輸技術(shù)的一種形式，其中接收到的射頻信號被轉(zhuǎn)換成電能。它也被稱為射頻功率清除。射頻能量收集裝置通過使無線設(shè)備能夠從環(huán)境中可用的射頻信號中收集能量，為無線設(shè)備提供了強大的解決方案。射頻能量收集在各種應(yīng)用中實現(xiàn)，包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、可穿戴設(shè)備、無線充電和物聯(lián)網(wǎng)。

射頻能量/能量收集的歷史起源于20世紀(jì)50年代末的一架微波動力直升機。如今，這種技術(shù)被認(rèn)為是小電池在低功耗電子設(shè)備和系統(tǒng)中的有前途的替代品。電池有各種各樣的缺點，如尺寸，有限的能量存儲，以及低效的提取存儲的能量。大多數(shù)電池最終都被填埋，造成土地和水污染。射頻能量收集有助于減少對電池的依賴，這最終將對我們的環(huán)境產(chǎn)生積極影響。

我們環(huán)境中的射頻波來自各種來源，如無線電臺、無線互聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星電臺。射頻能量采集器系統(tǒng)有兩個關(guān)鍵組件。捕捉射頻波并將其轉(zhuǎn)換為交流電壓的天線。第二個關(guān)鍵部件是整流電路，它將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，為指定設(shè)備供電。還有其他射頻能量收集系統(tǒng)，其中天線和整流器被組合成一個稱為整流天線的元件。

射頻能量采集器系統(tǒng)的類型

射頻采集系統(tǒng)可分為兩種類型，即專用射頻能量采集系統(tǒng)和環(huán)境射頻采集系統(tǒng)。

射頻能量采集器是如何工作的?

其總體功能如下：天線捕捉環(huán)境中的射頻波。入射射頻功率通過整流電路轉(zhuǎn)換為直流功率，匹配電路確保從天線向整流電路提供最大功率。最后，當(dāng)外部能源不可用時，儲能單元作為電力儲備。

天線:

它是一種捕獲射頻信號并將其轉(zhuǎn)換為交流電壓的換能器。一種高效射頻能量采集器具有小尺寸和高天線增益的天線。

阻抗匹配電路：

這是一個諧振器電路，在設(shè)計的頻率下工作，以最大限度地提高從天線到負(fù)載的功率傳輸。它減少了傳輸損失。在射頻能量采集器電路或任何其他交流電路中，當(dāng)負(fù)載阻抗(ZL)等于源阻抗(ZS)時，從源到負(fù)載的功率傳輸最大。

阻抗匹配電路的目的，顧名思義，是迫使負(fù)載阻抗“看起來像”源的復(fù)共軛，以便最大功率可以轉(zhuǎn)移到負(fù)載上。電抗是頻率相關(guān)的，因此在特定頻率下，阻抗匹配電路使阻抗(ZL)和(ZS)匹配，當(dāng)它們匹配時，它們的電抗抵消或發(fā)生共振并傳遞最大功率。

整流電路和存儲單元：

它用于將AC(交流電)轉(zhuǎn)換為DC(直流電)。這個過程被稱為整流，因為它“拉直”了電流的方向。這個電路的主要元件是一個二極管。二極管是一種半導(dǎo)體器件，它只允許電流向一個方向流動?？梢允褂酶鞣N類型的整流電路，如橋式整流、電壓乘法器或整流都可以由整流天線完成。如前所述，整流天線是天線和二極管的組合。由于硅肖特基勢壘二極管的開關(guān)時間快，因此在整流天線中最常用的二極管是硅肖特基勢壘二極管。射頻能量采集器電路在高頻下工作，因此它們需要具有快速開關(guān)時間的二極管來匹配它們。

電壓倍增器或倍增電路是一種特殊類型的整流電路，由分成n級的電容器和二極管網(wǎng)絡(luò)組成。它提供RF-DC轉(zhuǎn)換，其次根據(jù)倍頻電路中的級數(shù)放大/提升直流電壓。存儲單元是作為能量儲備的存儲電容。

射頻能量收集技術(shù)的應(yīng)用

為傳感器網(wǎng)絡(luò)中的低功耗自主傳感器供電：

WSN(無線傳感器網(wǎng)絡(luò))是相互連接的節(jié)點/傳感器，可以無線通信以收集有關(guān)環(huán)境的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)中的傳感器收集數(shù)據(jù)，對其進行處理，并將其無線傳輸?shù)交?。射頻能量采集器技術(shù)允許傳感器在沒有電源線連接或更換電池的情況下工作。通過這項技術(shù)，傳感器可以通過收集其環(huán)境中的射頻能量來自我供電。這將大大降低與定期更換電池相關(guān)的成本。此外，這種類型的傳感器可用于電池更換可能不經(jīng)濟可行或可能涉及重大風(fēng)險的地方。

移動設(shè)備無線充電：

射頻能量無處不在。它是由產(chǎn)生高電磁場的源發(fā)射的，如電視信號、無線無線網(wǎng)絡(luò)和移動電話。收集環(huán)境射頻能量的主要優(yōu)點是它本質(zhì)上是“自由”的能量。這種能量可以用來為便攜式設(shè)備充電，如可穿戴電子產(chǎn)品、消費電子產(chǎn)品，如耳機、電子書閱讀器等。這使得設(shè)備在充電和使用過程中不需要連接器、電纜和電池訪問面板，并且具有移動性。射頻能量采集器技術(shù)也導(dǎo)致改進的產(chǎn)品設(shè)計。具有這種嵌入式無線電源技術(shù)的產(chǎn)品可以密封，不受潮濕和用戶訪問等環(huán)境條件的影響。產(chǎn)品的可靠性和生命周期也顯著提高。

充電有源RFID標(biāo)簽：

射頻識別(RFID)標(biāo)簽是安裝在產(chǎn)品/動物/人身上的電子設(shè)備，用于遠(yuǎn)程識別和跟蹤。如果附近有射頻識別標(biāo)簽，信號就會被附近的檢測器(稱為“閱讀器”)接收，然后與中央數(shù)據(jù)庫進行比較以進行識別。RFID技術(shù)用于供應(yīng)鏈管理、建筑安全設(shè)施、圖書館、倉庫等。

閱讀器具有傳輸射頻信號的天線，標(biāo)簽通過反射射頻能量對其作出響應(yīng)。與無源標(biāo)簽不同，有源RFID標(biāo)簽需要電池來運行。使用電池為標(biāo)簽供電，給用戶增加了充電/更換電池的負(fù)擔(dān)。射頻能量收集器可以連接到有源標(biāo)簽上，以便它們利用來自讀取器的射頻波并在不需要電池的情況下為自己供電。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)是一種通過互聯(lián)網(wǎng)連接多個設(shè)備的創(chuàng)新技術(shù)。這樣做的主要目標(biāo)是通過互聯(lián)網(wǎng)提供對物理世界的解釋。支持物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備可以在盡可能少的人為干預(yù)下通過操作、共享信息和做出共同決策來監(jiān)聽和執(zhí)行任務(wù)。

在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備之間的大量通信消耗巨大的電力。在不降低服務(wù)質(zhì)量(QoS)的情況下為更長的網(wǎng)絡(luò)運行提供能源至關(guān)重要。大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)使用協(xié)作中繼在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間進行信息交換。

協(xié)作中繼是一種源節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點通過一個或多個稱為中繼節(jié)點的中間節(jié)點進行通信的技術(shù)。這種技術(shù)的優(yōu)點是更好的覆蓋和吞吐量。然而，代價是，由于添加了額外的中繼節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)將使用更多的資源。

射頻能量收集技術(shù)是延長物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中電池壽命和能源效率的最佳方法之一。與使用網(wǎng)絡(luò)中的電池為中繼節(jié)點供電不同，使用射頻能量收集器中繼節(jié)點從環(huán)境中的射頻信號中自供電。

總結(jié)

在本節(jié)中，我們介紹了射頻能量采集器技術(shù)的基礎(chǔ)知識，以及為什么它被選為低功耗設(shè)備中電池的替代品。簡而言之，射頻能量技術(shù)是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種將射頻能量轉(zhuǎn)換為直流電壓的技術(shù)。RF-EH系統(tǒng)包括天線、匹配阻抗電路、整流電路和存儲單元。這項技術(shù)之所以受到歡迎，是因為它是一種綠色能源，利用電視、Wi-Fi路由器和手機信號塔等各種來源發(fā)出的“免費”射頻能量。該技術(shù)的應(yīng)用包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)，充電便攜式設(shè)備，RFID標(biāo)簽和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

本文編譯自iotdesignpro