能量收集是一種利用各種不同技術(shù)從周圍環(huán)境收集能量的方法，其能量來源包括陽光、紅外聲波、射頻（RF）波、溫度變化、磁感應(yīng)或壓電振動(dòng)等多種環(huán)境。在這些方法中，射頻能量收集（RF-EH）的發(fā)展?jié)摿薮?，是一種很有前途的技術(shù)。

射頻能量收集技術(shù)是一種無線形式的能量采集技術(shù)，它捕獲來自周圍環(huán)境的電磁波并實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。在任何特定時(shí)刻，射頻能量都會從全球數(shù)百萬個(gè)發(fā)射機(jī)和設(shè)備中傳輸。通過利用已經(jīng)存在于環(huán)境中的環(huán)境RF信號的能量，射頻能量收集技術(shù)有望成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和其他低功耗電子設(shè)備潛在的供電解決方案。

什么是射頻能量收集？

射頻能量收集（RF-EH）系統(tǒng)近年來非常受關(guān)注，該方法為低功耗電子系統(tǒng)提供了一種近乎無能耗的供電方案。在實(shí)際工作中，射頻采集器使用天線接收周邊環(huán)境的電磁波并將其轉(zhuǎn)換為可用的電能。射頻采集器的頻率范圍和功率范圍取決于可用的射頻源，常見的發(fā)射源包括2G/3G/4G/5G基站、無線電信號發(fā)射站、電視信號廣播站、衛(wèi)星、Wi-Fi信息亭/路由器、衛(wèi)星、NFC發(fā)射器、RFID讀取器、BLE（藍(lán)牙低功耗）發(fā)射器、UHF發(fā)射器等。

典型的射頻能量收集系統(tǒng)包含天線、AC-DC轉(zhuǎn)換器和充電管理模塊三個(gè)主要部件。能量采集工作從天線開始，此時(shí)天線將被完美設(shè)計(jì)并調(diào)諧到特定的頻率，以接收來自其周圍環(huán)境的射頻信號。當(dāng)天線將電磁波轉(zhuǎn)換為低功率電信號后，這些電信號將被饋送到AC-DC轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)中的充電管理模塊可以是鋰離子可充電電池或低損耗電容器，也可以直接用于為無電池電子設(shè)備供電。有了射頻能量收集系統(tǒng)，小型低能耗電子設(shè)備甚至可能不再需要額外的電源。

圖1：多種能量收集技術(shù)及其可用功率水平示例（圖源：Ericsson Research）

與其他能源收集技術(shù)相比，射頻能源的能量密度相對較低，范圍從0.2 nW/cm2到1μW/cm2，，這也是射頻能量采集技術(shù)實(shí)用過程中面臨的主要挑戰(zhàn)。如果為低功率設(shè)備如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）供電，該技術(shù)是可行的方案，但在設(shè)計(jì)中還需綜合考慮收集系統(tǒng)的尺寸，其大小要與傳感器節(jié)點(diǎn)相匹配。射頻能量收集是一種很有前途的技術(shù)，它利用了我們周圍發(fā)現(xiàn)的射頻電磁波，其定位是面向未來應(yīng)用的可行能源。

為了充分利用這一新技術(shù)，設(shè)計(jì)一款智能高效的天線是必不可少的步驟。為了達(dá)到高效能量收集的要求，天線應(yīng)具有寬的工作頻率范圍、低剖面設(shè)計(jì)、全向輻射、高增益和緊湊的尺寸。在外形和尺寸上，多頻帶矩形天線有助于利用各種可用的頻率，可從周圍環(huán)境接收到更多的能量，但總體效率仍然較低。

另外，天線陣列雖提供了高輸出功率，但因尺寸較大難以集成，且可能占用較大的芯片空間。此時(shí)，可考慮設(shè)計(jì)一款用于環(huán)境射頻能量采集的緊湊型、多頻帶的圓極化矩形天線。天線的增益是設(shè)計(jì)中另一重點(diǎn)考慮因素，它的選擇取決于具體的應(yīng)用要求。在源天線和接收天線的位置已知的情況下，高增益矩形天線的優(yōu)點(diǎn)比較突出。相反，如果位置相對不確定，因低增益天線允許同時(shí)收集來自不同方向的信號，可能更適用。

很明顯，天線、整流電路和功率存儲組件的效率將顯著影響能量收集設(shè)備所獲取和可用的能量。整流器通過將來自天線的AC信號轉(zhuǎn)換為DC以進(jìn)行有效的電力提取，在系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。射頻能量采集中的整流器可以使用二極管、晶體管和CMOS技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

射頻能量收集技術(shù)的應(yīng)用潛力

在大量使用中，環(huán)境射頻收集技術(shù)正在成為替代位于偏遠(yuǎn)地區(qū)的低功耗電子設(shè)備中傳統(tǒng)電池的一種有吸引力的供電方案。現(xiàn)在，射頻采集技術(shù)也在慢慢成為消費(fèi)電子產(chǎn)品尤其是小型設(shè)備的供電選項(xiàng)。在可穿戴生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的應(yīng)用案例中，研究人員可連續(xù)監(jiān)測患者的生理信號。

一般來說，利用射頻能量的設(shè)備其功耗都非常小，例如，無線電燈開關(guān)只使用激活LED或小型繼電器所需的少量電量。三星在2022年推出的一款遙控器，可以通過太陽能電池板和使用Wi-Fi收集環(huán)境射頻能量的組合永久充電。

在某些情況下，傳感器可能需要部署在人類難以進(jìn)入的區(qū)域，此時(shí)，需要采用一種可持續(xù)供電的方案。這種情況就不能通過收集周圍隨機(jī)的射頻功率來為傳感器供電，而是要有專門的射頻源，技術(shù)人員可以在安全距離內(nèi)將射頻發(fā)射器照射在設(shè)備上。

眾所周知，射頻電路的設(shè)計(jì)難度相對較高。為了便于設(shè)計(jì)人員高效完成射頻能量收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，Powercast公司推出了一個(gè)評估工具包P2110-EVAL-02，專門用于通過射頻能量（無線電波）進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線電池充電。

該評估套件包括一個(gè)射頻發(fā)射器和接收器、一個(gè)天線和一個(gè)充電板，以及來自IPS公司的THINERGY微能電池（MEC），該電池具有超薄外形和極低泄漏。套件中的TX91501發(fā)射器是915MHz射頻能量的來源，但850-950 MHz的其他來源也可用于供電。提供調(diào)節(jié)的負(fù)載電壓為應(yīng)用設(shè)備供電，其中包括德州儀器eZ430-RF2500無線開發(fā)工具用于演示。

圖2：射頻能量收集開發(fā)評估工具包P2110-EVAL-02（圖源：Powercast）

射頻能量收集技術(shù)有許多好處和優(yōu)勢，其中包括它有無限制的能量來源，這些電磁波遍布我們周圍且是免費(fèi)的。其次，它還是一種綠色能源，不會產(chǎn)生浪費(fèi)。另外，與風(fēng)能和太陽能相比，射頻能量采集器可以在黑暗的大氣條件下工作，通過射頻能量系統(tǒng)采集的能量表現(xiàn)出相對的穩(wěn)定性和可預(yù)測性，幾乎不受使用環(huán)境的影響。

當(dāng)然，環(huán)境射頻采集技術(shù)的缺點(diǎn)和不足也比較明顯。

射頻能量收集的未來

盡管無線電能量是一種較弱的環(huán)境能源，但射頻能量收集技術(shù)對許多應(yīng)用而言仍是有吸引力的。豐富的無線信號，包括來自移動(dòng)基站、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)和電視發(fā)射機(jī)以及微波收音機(jī)和移動(dòng)電話的信號，導(dǎo)致作為環(huán)境能源的射頻能量收集市場的顯著增長。

根據(jù)Data Bridge Market Research的分析和預(yù)測，2021年，全球射頻能量收集市場的價(jià)值約為102.7億美元，預(yù)計(jì)到2029年將達(dá)到619.8億美元，在2022-2029年內(nèi)，復(fù)合年增長率達(dá)到25.2%。

能量收集的概念植根于通過各種機(jī)制將環(huán)境能量轉(zhuǎn)換為可用電力的原理。能量收集技術(shù)為從周圍環(huán)境中提取電力為各種設(shè)備和系統(tǒng)供電提供了一條很有前途的途徑。與化石燃料或電池等容量有限且需要定期更換或充電的傳統(tǒng)能源不同，能源收集方案不僅減少了對傳統(tǒng)電源的依賴，而且在為電子設(shè)備和系統(tǒng)供電方面實(shí)現(xiàn)了更大的自主權(quán)和可持續(xù)性。

無線電波廣泛存在于我們的日常環(huán)境中，通過利用這些射頻源，智能手表、健康追蹤器和智能眼鏡等可穿戴設(shè)備可以無縫滿足充電要求。物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)將需要一種高效的能源來連接數(shù)十億用于廣泛應(yīng)用的智能設(shè)備和傳感器，長期可持續(xù)和可靠的能源對于任何高效的系統(tǒng)來說都是不可避免的。

近年來，材料科學(xué)、工程和電子技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了越來越高效和緊湊的能量收集設(shè)備的發(fā)展。通過射頻能量收集為電池供電有望成為低功耗電子設(shè)備中傳統(tǒng)電池供電系統(tǒng)的一種很有前途的替代方案。