空氣充電環(huán)保系統(tǒng)的研究

彭勇鋼

（太原航空儀表有限公司，山西 太原 030000）

1 項(xiàng)目背景

近年來，智能家居、樓宇自動(dòng)化、大數(shù)據(jù)采集及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了蓬勃發(fā)展。目前，外接電源線供電、電池供電仍是各種電器產(chǎn)品的主要電源，但隨著電器產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境的變化，依靠有線供電已經(jīng)不能滿足人們的日常需求。傳統(tǒng)電池能量密度低、體積大、使用壽命有限，且對(duì)環(huán)境有嚴(yán)重污染等缺點(diǎn)，限制了部分電器產(chǎn)品的適用范圍。

空氣充電主要應(yīng)用電磁能量收集，也稱為射頻能量收集。射頻能量收集系統(tǒng)可直接作為無電池系統(tǒng)的電源，亦可作為電池的輔助電源為其充電。

2 基本結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 基本結(jié)構(gòu)

目前，空間電磁能量收集有兩種基本結(jié)構(gòu)。第一種結(jié)構(gòu)如圖1所示，由能量收集天線、DC/DC變換器、存儲(chǔ)單元及負(fù)載組成[2]。

圖1 電磁能收集結(jié)構(gòu)1

第二種結(jié)構(gòu)如圖2所示，由能量收集天線、阻抗匹配單元、RF/DC整流器及負(fù)載組成。

圖2 電磁能收集結(jié)構(gòu)2

2.2 工作原理

電磁波傳播滿足Friis傳播公式：

其中，Gt、Gr分別為發(fā)射天線和接收天線的增益；Pt、Pr分別為傳輸和接收的射頻功率；λ為波長(zhǎng)；R為兩者間的距離；接收到的功率與距離的平方成反比。

電磁能量收集系統(tǒng)的效率為：

其中，Prf為入射功率；Pdc為輸出功率；RL為負(fù)載電阻；Vo為輸出電壓；ηdct反映了直流功率從非線性器件到直流負(fù)載的效率。

3 電磁能收集技術(shù)

3.1 接收天線結(jié)構(gòu)分析

為了提高接收空間電磁能量收集的效率，目前許多接收天線形式的研究主要集中在寬頻帶、多極化以及陣列化等方面[1]。

3.1.1 寬頻化

圖3為寬頻能量收集系統(tǒng)的兩種結(jié)構(gòu)方式。在電磁能量收集系統(tǒng)中使用的寬頻化天線有分頻段的雙頻天線、多頻天線。

3.1.2 多極化

寬頻化結(jié)構(gòu)2（見圖3（b））體積小，功率密度大，但是天線和電源設(shè)計(jì)較為困難，現(xiàn)有技術(shù)條件較難實(shí)現(xiàn)。因此本次設(shè)計(jì)選擇寬頻化結(jié)構(gòu)1（見圖3（a）），其中天線和電源設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，天線選用AM/FM頻段和微波頻段兩種全相天線（多極化），以實(shí)現(xiàn)從頻率535 kHz～3.6 GHz的寬頻吸收。

圖3 寬頻電磁能量收集系統(tǒng)

3.2 接收天線類型分析

3.2.1 AM/FM頻段天線

AM頻段為535～1 700 kHz，是調(diào)幅廣播頻段；FM頻段為76～108 MHz，是調(diào)頻廣播頻段。廣播信號(hào)的來源比較多，并且覆蓋面積較大。大部分城市均有FM電臺(tái)，偏遠(yuǎn)山區(qū)也能收到AM廣播。以太原地區(qū)為例，用普通AM收音機(jī)可收到3～5個(gè)AM廣播臺(tái)，用一般智能手機(jī)可接收到15個(gè)左右的FM廣播電臺(tái)。

AM天線使得產(chǎn)品的抗跌落能力大為提升；體積小，更好的適應(yīng)產(chǎn)品小型化的要求；可做成插件元件，更方便安裝固定；性噪比高。FM天線使用磁性電介質(zhì)材料，大幅縮短了天線長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)天線內(nèi)置化，在有限外形基礎(chǔ)上獲得最大的天線增益和頻率帶寬，相比其他工藝天線帶寬寬、性價(jià)比高。

3.2.2 微波頻段天線

微波頻段為300M Hz～300 GHz。應(yīng)用比較廣泛，包括手機(jī)移動(dòng)通信、定位導(dǎo)航及WiFi信號(hào)等均在微波頻段內(nèi)。移動(dòng)通信GSM頻譜是890～955 MHz，3G頻段是1 920～2 180 MHz，而4G頻段為450～470 MHz、698～806 MHz、2.3～2.4 GHz及3.4～3.6 GHz；定位導(dǎo)航系統(tǒng)中GPS頻段為1 575.42 MHz和1 227.6 MHz兩種頻率，北斗系統(tǒng)頻段為2 491.75 MHz頻率；WiFi信號(hào)頻段是2 400～2 483.5 MHz。

主流微波接收天線分為兩類——皮法天線和單極天線，兩種主流天線性能對(duì)比如表1所示。

表1 皮法天線和單極天線性能對(duì)比

分析可知，皮法天線體積大、電性能好，而單極天線體積小、電性能次之，因此可根據(jù)電磁能收集元件體積和功率要求選用皮法天線或單極天線。皮法或單級(jí)天線均可復(fù)刻在PCB上，也可選用彈片天線與三維塑料相結(jié)合的產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)天線布置。

4 應(yīng)用研究

圖4為電磁能供電無線傳感器三維概念圖。經(jīng)過分析可知，隨著電磁能量收集技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)出現(xiàn)無線、無源、無電池、無需維護(hù)的消費(fèi)電子產(chǎn)品和傳感器等。

5 結(jié) 論

本文綜述了空氣充電環(huán)保系統(tǒng)的商業(yè)價(jià)值和應(yīng)用領(lǐng)域，分析了此種能量收集技術(shù)實(shí)現(xiàn)的無線、無源、無電池、無需維護(hù)的環(huán)保系統(tǒng)實(shí)例，并介紹了電磁能收集系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和各部份的工作原理。以太原地區(qū)為例，計(jì)算單位體積內(nèi)實(shí)際可吸收功率，從器件、拓?fù)?、同步整流技術(shù)、微電子技術(shù)以及寬頻化設(shè)計(jì)等方面對(duì)電源變換器進(jìn)行了概述，介紹了空氣充電環(huán)保系統(tǒng)的基本組成，在分析空氣充電器的工作原理的基礎(chǔ)上給出了其設(shè)想三維效果圖。

圖4 電磁能供電無線傳感器三維概念圖