射頻(RF)能量收集是無線能量傳輸技術的一種形式，其中接收到的射頻信號被轉換成電能。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備能夠從環(huán)境中可用的射頻信號中收集能量，為無線設備提供了強大的解決方案。射頻能量收集在各種應用中實現，包括無線傳感器網絡、可穿戴設備、無線充電和物聯網。

射頻能量/能量收集的歷史起源于20世紀50年代末的一架微波動力直升機。如今，這種技術被認為是小電池在低功耗電子設備和系統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、無線互聯網和衛(wèi)星電臺。射頻能量采集器系統有兩個關鍵組件。捕捉射頻波并將其轉換為交流電壓的天線。第二個關鍵部件是整流電路，它將交流電壓轉換成直流電壓，為指定設備供電。還有其他射頻能量收集系統，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的類型

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

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，在設計的頻率下工作，以最大限度地提高從天線到負載的功率傳輸。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，當負載阻抗(ZL)等于源阻抗(ZS)時，從源到負載的功率傳輸最大。

阻抗匹配電路的目的，顧名思義，是迫使負載阻抗“看起來像”源的復共軛，以便最大功率可以轉移到負載上。電抗是頻率相關的，因此在特定頻率下，阻抗匹配電路使阻抗(ZL)和(ZS)匹配，當它們匹配時，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絡組成。它提供RF-DC轉換，其次根據倍頻電路中的級數放大/提升直流電壓。存儲單元是作為能量儲備的存儲電容。

射頻能量收集技術的應用

為傳感器網絡中的低功耗自主傳感器供電：

WSN(無線傳感器網絡)是相互連接的節(jié)點/傳感器，可以無線通信以收集有關環(huán)境的數據。網絡中的傳感器收集數據，對其進行處理，并將其無線傳輸到基站。射頻能量采集器技術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，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的成本。此外，這種類型的傳感器可用于電池更換可能不經濟可行或可能涉及重大風險的地方。

移動設備無線充電：

射頻能量無處不在。它是由產生高電磁場的源發(fā)射的，如電視信號、無線無線網絡和移動電話。收集環(huán)境射頻能量的主要優(yōu)點是它本質上是“自由”的能量。這種能量可以用來為便攜式設備充電，如可穿戴電子產品、消費電子產品，如耳機、電子書閱讀器等。這使得設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也導致改進的產品設計。具有這種嵌入式無線電源技術的產品可以密封，不受潮濕和用戶訪問等環(huán)境條件的影響。產品的可靠性和生命周期也顯著提高。

充電有源RFID標簽：

射頻識別(RFID)標簽是安裝在產品/動物/人身上的電子設備，用于遠程識別和跟蹤。如果附近有射頻識別標簽，信號就會被附近的檢測器(稱為“閱讀器”)接收，然后與中央數據庫進行比較以進行識別。RFID技術用于供應鏈管理、建筑安全設施、圖書館、倉庫等。

閱讀器具有傳輸射頻信號的天線，標簽通過反射射頻能量對其作出響應。與無源標簽不同，有源RFID標簽需要電池來運行。使用電池為標簽供電，給用戶增加了充電/更換電池的負擔。射頻能量收集器可以連接到有源標簽上，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。

物聯網網絡應用：

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

在物聯網網絡中，設備之間的大量通信消耗巨大的電力。在不降低服務質量(QoS)的情況下為更長的網絡運行提供能源至關重要。大多數物聯網網絡使用協作中繼在網絡節(jié)點之間進行信息交換。

協作中繼是一種源節(jié)點和目標節(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。這種技術的優(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，網絡將使用更多的資源。

射頻能量收集技術是延長物聯網網絡中電池壽命和能源效率的最佳方法之一。與使用網絡中的電池為中繼節(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

在本節(jié)中，我們介紹了射頻能量采集器技術的基礎知識，以及為什么它被選為低功耗設備中電池的替代品。簡而言之，射頻能量技術是20世紀50年代發(fā)展起來的一種將射頻能量轉換為直流電壓的技術。RF-EH系統包括天線、匹配阻抗電路、整流電路和存儲單元。這項技術之所以受到歡迎，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。該技術的應用包括無線傳感器網絡(WSN)，充電便攜式設備，RFID標簽和物聯網網絡。

本文編譯自iotdesignpro