低功率設備的射頻能量收集設計?

能量收集或能量收集的概念是一種使用不同方法從外部環境收集能量的技術，包括熱電轉換、振動激發、太陽能轉換、壓力梯度和射頻信號。射頻無線能量收集為更換電池或延長電池壽命提供了巨大的潛力。目前，電池為大多數物聯網設備供電，包括可穿戴設備。電池的尺寸有限，從而限制了它們的使用壽命并需要定期更換。

電磁波來自各種來源，例如衛星站、無線互聯網、廣播電臺和數字多媒體廣播。射頻能量收集系統可以捕獲電磁能并將其轉換為可用的連續電壓 (DC)。射頻能量收集系統的基本單元是天線和整流器電路，可將射頻功率或交流電 (AC) 轉換為直流信號。這項技術的實施將有助于減少對電池的依賴，最終將對環境產生積極影響。圖 1 介紹了射頻能量收集系統的結構。

圖 1：RF 能量收集系統的框圖

射頻傳輸

即使只有幾微瓦，環境中也可以獲得能量；通過采集射頻能量，克服了其他環境能源的典型問題，即：光線不足、溫差不足、缺乏振動；此外，可以根據要求連續控制和管理接收中的射頻能量。因此，射頻能量可用于為電池充電，也可用于更換電池本身，顯然用于為超低功耗設備供電。自然，這種類型能量的可用性取決于射頻源的功率以及源與射頻接收器之間的距離、接收器的靈敏度、接收天線的特性和信號的頻率。

RF 信號的傳輸意味著非輻射和輻射 RF 之間的明顯區別。第一種基于電感耦合，而第二種使用電磁波的傳輸和接收，是能量收集的基礎。在最后一種情況下，射頻源（無意）連接到發射無線電波的天線。在一定距離處，接收天線捕獲一些波，將它們轉換成電信號為負載供電。電磁波由麥克斯韋方程組描述，該方程代表了確定電學和磁學基礎的最優雅和簡潔的方法之一。麥克斯韋方程組描述了由電荷和電流分布產生的電場和磁場，以及它們如何隨時間變化。

第二個方程與磁場有關：

在后者中，表示不存在磁荷。上面提到的前兩個麥克斯韋方程是封閉表面上電場和磁場的積分。另外兩個方程是圍繞閉合曲線的電場和磁場的積分。第三個是法拉第感應定律，第四個是安培定律：

在微分形式中，描述電磁波的方程如下：

一旦定義了電磁方面，就必須評估要使用的換能器或天線。因此，該系統的工程設計包括天線的設計，其目的是捕獲電磁波（在這種情況下為 RF）。Friis 方程調節自由空間中的傳輸/接收：

其中 P 參數是發射和接收功率，G 是兩根天線的增益，λ 是波長 RF，R 是兩根天線之間的距離。射頻能量收集系統的總體布局包括一個設計合適的接收天線、一個整流器和一個連接到負載的 DC-DC 電路。通常，天線和整流器之間應用阻抗匹配電路。在最通用的形式中，DC-DC 轉換電路連接到能量存儲系統（電池或電容器）和負載（圖 2）。

圖 2：簡單的射頻能量收集電路

設計

從自由空間提取的射頻能量通常具有低功率密度，因為場以 1 / d2 的速率減小，其中 d 是與射頻源的距離。因此，需要功率放大器電路從電磁波中產生足夠的直流能量來驅動負載。傳輸過程中的功率損耗會導致能源故障。在這些情況下，添加阻抗匹配網絡 (IMN) 可確保射頻源和負載之間的最大功率傳輸（圖 3）。

圖 3：阻抗匹配網絡 (IMN) 適配電路的配置

通過IMN適配后的信號將被整流和升級以滿足應用功率要求。電壓倍增器是一種整流電路，可在直流輸出上轉換和放大交流輸入。

增益、諧振頻率、帶寬是表征天線性能的參數。假設一個無障礙空間和一個各向同性的傳播源，波向各個方向的擴散是均勻的。因此，距源一定距離處的單位面積功率與距離的平方成反比。但是，需要注意的是，天線并不總是以球形方式（各向同性天線）傳輸能量，而是根據其設計在某些特定方向上傳輸能量。天線的容量和電感（圖 3）是天線本身的頻率和物理尺寸的函數。天線尺寸越大，諧振頻率越低。因此，低頻波的發射和接收需要大孔徑，這不適合小型應用程序。天線的帶寬是天線可以有效工作的頻率范圍。窄帶天線具有良好的轉換效率，但只能回收有限的能量。

然后必須評估（考慮）各種參數，這些參數決定（將決定）射頻能量收集項目的性能。RF 能量轉換為 DC (PCE) 的效率：施加到負載的功率量與天線回收的功率量之間的比率。因子 Q：它通常被定義為描述共振強度的無量綱值。

射頻能量收集解決方案

在世界市場上，用于從環境中收集射頻能量的組件和系統的生產不斷增加。例如，意法半導體推出了 M24LR Discovery 套件開發平臺，其板載 EEPROM 存儲器使用環境射頻能量為其電路供電，從而允許與智能手機和支持 RFID 且兼容的協議系統進行數據交換。

Analog Devices 和 Texas Instruments 等公司一直致力于研究、開發、生產和營銷最高質量和效率的能量收集組件和設備。模擬中的一個例子是納米功率頻段 LTC3588-1 的集成電路。它還通過其高效 DC-DC 轉換器降壓功能用作壓電源 Harvester 的接口元件，提供 1.8 V 至 3.6 V 的可選輸出電壓和高達 100 mA 的輸出電流。Texas 的 eZ430-RF2500-SEH 套件提供了一個令人興奮（有趣）的開發系統，以創建一個完整的太陽能收集設備，該設備能夠通過超低功耗微控制器為無線傳感器永久供電（圖 4）。