環(huán)境射頻能量收集技術(shù)綜述

李建坡,丁昱竹,趙佳琪,于廷文

(1.東北電力大學計算機學院,吉林 吉林 132012;2.東北電力大學電氣工程學院,吉林 吉林 132012;3.中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司,吉林 長春 130021;4.廣東省數(shù)字電網(wǎng)技術(shù)企業(yè)重點實驗室(南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司),廣東 廣州 510000)

0 引 言

近年來,在醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)自動化、無線傳感器網(wǎng)絡、智能運輸系統(tǒng)等許多領域,低功耗獨立設備與裝置的應用越來越普及。許多設備受使用環(huán)境和安裝條件的影響,其供電電源很難更換,這直接影響了設備的使用范圍和使用壽命。因此,通過無線方式實現(xiàn)收集能量,進而為設備供電成為了科研人員日益關注的研究熱點之一。

能量收集系統(tǒng)是將已經(jīng)存在于環(huán)境中的能源(例如射頻能量、光能、機械能和熱能等)[1]轉(zhuǎn)換為電能,該系統(tǒng)可以作為輔助電源為設備電池進行充電,也可以作為設備的備用電源[2]。而環(huán)境中常見的能源類型及功率密度在文獻[3]中進行了總結(jié),反映了各種能源的可采集水平。雖然環(huán)境中可收集射頻信號的功率密度相對較低,但是隨著無線通信和廣播設施的逐漸增加,環(huán)境中可收集射頻信號的功率會逐漸提高;與此同時,隨著低功耗設備的迅速發(fā)展,設備對驅(qū)動能量的需求也在逐漸降低。這些發(fā)展趨勢都使得射頻能量收集技術(shù)具有越來越廣闊的應用前景[4]。因此本文針對射頻能量收集(Radio Frequency Energy Harvesting,RFEH)技術(shù)進行綜述分析。

從20世紀50年代至今,科研人員圍繞射頻能量收集技術(shù)不斷開展研究工作,并取得了一定的科研成果。Brown于1966年創(chuàng)新性地提出了整流天線的理念,并成功地將射頻微波信號轉(zhuǎn)換為直流電信號,這為射頻能量收集技術(shù)的發(fā)展奠定了研究基礎[5]。本世紀以來,隨著數(shù)字通信的發(fā)展,小型獨立設備逐漸普及,許多學者嘗試將射頻能量收集技術(shù)應用于此類設備。Hiroshi Nishimoto在距東京電視塔4 km處收集到電視信號并成功地為無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點供電[6]。美國俄亥俄州立大學的Olgun Ugur等人則成功搭建了一個9 cm×9 cm×1 cm的新型射頻能量收集模型,該模型僅使用辦公環(huán)境中的WiFi信號就可以提供足夠的能量以驅(qū)動帶有LCD顯示器的溫濕度計[7]。這些成功的實驗裝置證明了射頻能量可以被收集并用于低功耗獨立設備。

本文在已有研究工作的基礎上,從射頻能量收集系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)出發(fā),結(jié)合系統(tǒng)的評價參數(shù),介紹了可能的射頻源,并對天線、匹配電路、整流電路的工作原理及優(yōu)化方法進行了重點概述,最后,討論了該技術(shù)可應用領域及發(fā)展趨勢。

1 RFEH系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及性能評價

1.1 RFEH系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

RFEH系統(tǒng)主要分為基于集總參數(shù)元件的收集系統(tǒng)、基于分布式元件的收集系統(tǒng)和基于控制回路的收集系統(tǒng)三類。

1)基于集總參數(shù)元件的收集系統(tǒng)[8]

該系統(tǒng)由接收天線、阻抗匹配電路、升壓整流電路、儲能元件以及負載構(gòu)成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。接收天線用來接收空間中的射頻信號,并將其轉(zhuǎn)換為交流電能;阻抗匹配電路將收集到的能量以最大的功率傳輸給后續(xù)電路;升壓整流電路則將射頻交流(Alternate Current,AC)電能轉(zhuǎn)換為直流(Direct Current,DC)電能,同時將電壓進行提升以驅(qū)動后續(xù)負載電路;儲能元件一般為充電電池或者超級電容,可以在負載不需要能量時將收集到的能量儲存起來;負載需要根據(jù)應用場景進行選擇,如在無線傳感器網(wǎng)絡中,傳感器節(jié)點通常需要長時間運行且無法方便地更換電池。基于集總參數(shù)元件的射頻能量收集系統(tǒng)可以利用周圍的射頻信號作為能源,為傳感器節(jié)點提供持久的供電,從而實現(xiàn)長時間的無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測和控制。

圖1 基于集總參數(shù)元件的收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure with lumped parameter elements

2)基于分布式元件的收集系統(tǒng)

該系統(tǒng)由整流天線、DC-DC升壓電路、儲能元件以及負載構(gòu)成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中接收天線、匹配電路由微帶線構(gòu)成,與整流電路共同印刷在基板上,稱為整流天線[9],具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。為滿足系統(tǒng)小型化的要求,整流電路不宜過于復雜,導致整流電路升壓效果較差,因此需要添加DC-DC升壓電路以保證系統(tǒng)的升壓效果[10]。在實際射頻能量收集過程中,收集到的射頻信號強度和頻率可能會變化,導致輸出電壓波動。利用DC-DC升壓電路可以在穩(wěn)定輸出所需的電壓。

圖2 基于分布式元件的收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 System structure with distributed components

圖3 整流天線組成結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure ofrectenna

3)基于控制回路的能量收集系統(tǒng)

該系統(tǒng)由接收天線、整流電路、控制回路、DC-DC升壓電路、電壓調(diào)節(jié)器以及負載構(gòu)成[11]。該系統(tǒng)與前兩種相比增加了控制回路[12]?？刂苹芈房赏ㄟ^補償整流電路的阻抗變化,實現(xiàn)功率的最大化傳輸,根據(jù)部署方式可將其分為兩類,一類是作用在整流電路上的控制回路[13],如圖4所示,該回路通過對整流電路輸入阻抗的監(jiān)測和反饋,來調(diào)節(jié)電路參數(shù),補償阻抗變化,最終實現(xiàn)傳輸功率最大化;另一類則是作用在DC-DC升壓電路上的控制回路[14],可以稱之為自適應控制電路(Adaptive Control Circuit,ACC),如圖5所示,這種電路通過改變ACC的控制開關,定時調(diào)節(jié)整流電路的有效阻抗,以達到補償阻抗變化的目的,這類系統(tǒng)的靈活性較高,適合于復雜的應用,基于控制回路的射頻能量收集系統(tǒng)可以根據(jù)設備的能量需求和供電情況,動態(tài)地管理功率分配。系統(tǒng)可以根據(jù)設備的能量消耗情況和射頻能量收集情況,調(diào)整能量分配策略,以保證設備的正常運行并最大限度地利用射頻能量,但附加電路較多不適于低功率輸入。三種結(jié)構(gòu)的性能對比如表1所示。

表1 射頻能量收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較Tab.1 Comparison of RFEH structure

圖4 基于控制回路的收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1Fig.4 System structure with control loop 1

圖5 基于控制回路的能量收集系統(tǒng)2Fig.5 System structure with control loop 2

1.2 RFEH系統(tǒng)性能評價

1)輸出電壓

RFEH系統(tǒng)所應用的設備通常為一些低功率獨立裝置,然而這些設備的啟動電壓(或額定電壓)相對于天線收集到的信號電壓來說具有較高的量級。例如在無線傳感器網(wǎng)絡中,節(jié)點的啟動電壓為2～3 V,而由于射頻信號具有低功率的特性,天線端的輸出電壓通常只能維持在幾μV到幾mV的范圍內(nèi),因此如何提高系統(tǒng)的輸出電壓是影響其實用性的關鍵問題之一。

系統(tǒng)的輸出電壓主要受整流電路的影響,在無負載的情況下,N級倍壓整流電路最終的輸出電壓Vout由整流電路的級數(shù)和構(gòu)成整流元件(二極管或半導體場效應(Metal Oxide Semiconductor,MOS)晶體管)的閾值電壓決定,可表示為

Vout=Vth(n)=2n(Vn-Vth)

(1)

公式中:Vn為整流電路的輸入電壓(即天線端的輸出電壓);Vth為二極管(或MOS管)的閾值電壓;n∈[1,N],N為倍壓整流電路級數(shù)。

2)收集效率及輸出功率

RFEH系統(tǒng)的目的是獲取能量,因此系統(tǒng)的收集效率和輸出功率是評價系統(tǒng)性能的主要參數(shù)。

系統(tǒng)的收集效率η取決于天線和負載之間匹配電路的匹配度,以及整流電路的整流效率,可用直流輸出功率與天線輸入功率的比值來表示:

η=ηCηR=PDC/Pin

(2)

公式中:ηC為匹配電路傳輸效率;ηR為整流效率,PDC為系統(tǒng)輸出到儲存元件的直流功率;Pin為天線收集到的信號功率。

通過測量已知負載RL上的直流電壓Vdc,可以較容易的獲得固定負載下的系統(tǒng)輸出功率[15]。

PDC=Vdc2/RL

(3)

3)靈敏度

RFEH系統(tǒng)的靈敏度是指電路運行所需的最小輸入功率,通常取決于整流電路的啟動電壓。而環(huán)境中可收集的射頻功率密度相對較低,在一些遠離城市的郊區(qū),射頻能量的功率密度還達不到-40dBm[16]。為了使射頻能量收集技術(shù)的應用領域更加廣泛,研究人員經(jīng)常將靈敏度作為評估指標[17]。

2 RFEH系統(tǒng)電路原理及優(yōu)化設計

RFEH系統(tǒng)可以通過全波模擬和非線性諧波平衡分析的方法進行仿真設計,同時還有需滿足低成本和小尺寸的要求。本文主要針對基于集成參數(shù)的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)進行闡述,并介紹RFEH系統(tǒng)各部分的工作原理和發(fā)展現(xiàn)狀。

2.1 RF能量源

系統(tǒng)收集的射頻能量可源自兩類射頻信號:一類是環(huán)境中用于通信的射頻信號,另一類是具有特定頻段的射頻信號[18]。前者來自環(huán)境中的射頻發(fā)射器,例如微波中繼站、電視發(fā)射塔和Wi-Fi路由器等[19];后者則來自專門為射頻能量收集系統(tǒng)供電的特定RF發(fā)射器,其工作頻段通常設定為無線電譜的許可頻段。

2.1.1 通信射頻信號

通信射頻信號指周圍環(huán)境中用于通信的射頻信號,這些信號附帶一定的能量,工作在不同的通信頻段,例如:移動手機使用的蜂窩通訊信號、無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Networks,WLAN)的WiFi信號,其能量密度分布如表2所示[20]。用于收集該類信號的系統(tǒng)天線需具有寬頻帶或多頻帶的功能,以確保在多個頻段下都可以收集能量[21,22]。這類信號可以根據(jù)時間、距離和位置等因素來估計其發(fā)射功率,但是該類信號以傳遞信息為主,會存在長期或短期的波動,且功率密度很小,對系統(tǒng)的靈敏度和傳輸效率有較高的要求。

表2 通信射頻信號能量分布Tab.2 Communication RF signal power density

2.1.2 特定射頻信號

特定射頻信號來自穩(wěn)定且可預測功率的專用射頻信號源[23],用于收集該類信號的系統(tǒng)可以在免許可的ISM頻帶范圍內(nèi)運行,但是由于ISM規(guī)則的限制,專用射頻信號源無法發(fā)射大功率的射頻信號。例如在915 MHz ISM頻段中,最大允許發(fā)射功率為4 W[24],而隨著距離的增加能量衰落十分明顯,4 W的射頻信號在經(jīng)過20 m的傳輸路徑后,會衰落至10 μW。由于存在這些限制,為了滿足用戶需求,通常需要設置多個專用射頻源,這導致成本較高。然而,使用RFEH系統(tǒng)進行信號收集時,只需要針對單個頻段進行能量收集即可[25],這樣擁有較高的收集效率。

2.2 電路元件選擇

大多數(shù)RFEH系統(tǒng)使用具有半導體特性的整流元件構(gòu)成整流電路,例如二極管或MOS管[26]。由表3可知,本文列舉了射頻整流的應用實例及其性能對比,可看出,二極管適用于高功率下的整流,而MOS管適用于較小功率下的整流,且具有較低的寄生電容值,對電路性能的影響較小。

2.3 接收天線

2.3.1 工作原理

接收天線是RFEH系統(tǒng)的第一級輸入端,負責采集環(huán)境中的射頻信號,天線的接收射頻功率PL可表示為[44]

PL=Pr(λ/4πd·A·G)2

(4)

Gmax=120π2Le2/λ2RA

(5)

公式中:Pr為射頻源的發(fā)射功率;λ為波長λ=c/fr;c為光的傳播速度;fr為天線的中心頻率;d為系統(tǒng)與射頻源之間的距離;A為空間路徑衰減因子,在全開放環(huán)境下取值為2～2.5;G為天線的方向增益,其最大值可由公式(5)表示;Le為天線的有效長度;RA為天線的電阻。天線的接收功率、工作頻率、方向增益均與天線的有效長度密切相關,因此可通過改變有效長度來優(yōu)化天線性能。

在RFEH系統(tǒng)中,經(jīng)常使用貼片天線作為系統(tǒng)的接收天線。貼片天線具有重量輕、簡單且制作廉價的特點,且便于集成,其結(jié)構(gòu)如圖6所示,由微帶饋電線、導體貼片、介電基質(zhì)和金屬接地板疊加組成。根據(jù)導體貼片的不同形狀,可將貼片天線分為微帶天線、偶極天線以及平面天線三類,文獻[45]中對已存在的天線結(jié)構(gòu)進行了詳細的比較,性能對比如表4所示。

表4 常見天線性能比較Tab.4 Comparison of antenna structure

圖6 微帶貼片天線的基本結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure ofmicrostrip patch antenna

2.3.2 優(yōu)化設計

由于RFEH系統(tǒng)不僅需要充分收集環(huán)境中的射頻信號,還需要保持較小的體積,因此針對接收天線的優(yōu)化設計主要集中在多頻化、寬頻化及小型化三方面。

1)多頻化技術(shù)

在RFEH系統(tǒng)中,收集多頻段信號的方法由兩種:一是通過多個單頻段系統(tǒng)單元分別收集,再統(tǒng)一傳輸給負載設備,此方法違背了系統(tǒng)小型化的理念;另一種是則通過一個多頻段天線同時收集信號,并將能量全部傳給系統(tǒng)電路,該方法降低了系統(tǒng)的復雜度,減小了系統(tǒng)的尺寸,便于應用,但為系統(tǒng)電路的設計增加了難度。

貼片天線多頻化技術(shù)包括:開槽/開縫技術(shù)、加載技術(shù)和寄生貼片技術(shù)。開槽/開縫技術(shù)通過對輻射貼片蝕刻一些槽或縫隙,改變電流的流向,進而增加天線的接收頻段[50];加載技術(shù)通過在基板上額外加載不同形狀的貼片,改變電流分布,進而增加天線頻段[51];寄生貼片技術(shù)通過在接地板側(cè)增加寄生貼片,實現(xiàn)天線有效長度的改變,進而增加和改變工作頻率[52,53]。文獻[54]對近年來三頻段及兩頻段的天線工作頻段及尺寸進行了綜合比較,如表5所示。

表5 常見三頻段及兩頻段的天線工作頻段及尺寸比較Tab.5 Comparison of three-band and two-band antenna

2)寬頻化技術(shù)

收集寬頻段信號的方式與多頻段類似,同樣,需要一個寬頻帶天線作為RFEH系統(tǒng)的輸入端[64]。實現(xiàn)天線寬頻化的方法:采用偶極天線、開槽/開縫技術(shù)、選擇合適的饋電結(jié)構(gòu)和采用天線陣列。對于偶極子天線,通過偶極子臂加粗,可以得到更寬的帶寬[65];在貼片上開槽/縫,不僅可以增加天線的接收頻段,還可以展寬天線的頻帶,文獻[66]通過開槽技術(shù)優(yōu)化了方形貼片和接地板的形狀,實現(xiàn)了天線的寬頻化;合適的饋電結(jié)構(gòu)不僅能改善天線的匹配性能,還能展寬天線的工作帶寬[67];采用天線陣列作為接收天線,雖然能增加阻抗帶寬和增益,但其尺寸較大,不符合RFEH系統(tǒng)小型化的要求。

3)小型化技術(shù)

為使貼片天線具有較小的物理尺寸,通常采用的方法:曲流技術(shù)、加載技術(shù)和使用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板。曲流技術(shù)通過在輻射貼片或金屬接地板上刻蝕彎曲的窄縫,增大天線表面電流的有效長度,進而降低天線尺寸[68];加載技術(shù)在改變天線的輸入頻率的同時,還可以縮小天線的尺寸,如文獻[69]中,利用加載技術(shù)將天線的電流分布在兩層以通孔相連的介質(zhì)基板上,在不改變電流有效長度的基礎上,有效地減小了天線的體積;使用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板構(gòu)成,可以在一定程度上減小天線尺寸,但會增加制作難度及成本。

2.4 阻抗匹配電路

2.4.1 工作原理

阻抗匹配電路基于最大功率傳輸定理,即功率最大化的條件是源阻抗和負載阻抗共軛匹配。在RFEH系統(tǒng)中,阻抗匹配電路連接天線和整流電路,用以匹配天線阻抗和整流電路的輸入阻抗,以確保傳輸功率最大[70,71]。帶有阻抗匹配電路的系統(tǒng)模型,如圖7所示,圖中RA為天線的阻抗,RF為天線收集到的射頻能量,ZN=RN+jXN為整流電路的輸入阻抗。

圖7 帶有π形結(jié)構(gòu)阻抗匹配電路的系統(tǒng)模型Fig.7 Systemmodel withπ-shaped impedance matching

阻抗匹配電路常用結(jié)構(gòu)有三種:L形、T形和π形,分別如圖8、圖9和圖7所示,其中電感(L)和電容(C)的位置可以互換。三種結(jié)構(gòu)的性能對比如表6所示,L形電路設計簡單,只由兩個元件組成,元件值和元件組合選取的靈活性低,且工作頻段窄,但是該電路具有較高的品質(zhì)因數(shù),匹配性能好,適用于收集特定頻帶信號的系統(tǒng);T形和π形匹配電路由三個元件組成,元件值和元件組合可靈活選擇,適當?shù)脑M合可以有效地增加電路的匹配帶寬,適用于收集環(huán)境中射頻信號的系統(tǒng)。系統(tǒng)中匹配元件參數(shù)可通過Advanced Design System(ADS)軟件仿真獲得。

表6 三種匹配電路性能對比Tab.6 Comparison of three main topologies

圖8 帶有L形阻抗匹配電路的系統(tǒng)模型Fig.8 System model with L-shaped impedance matching

圖9 帶有T形阻抗匹配電路的系統(tǒng)模型Fig.9 Systemmodel with T-shaped impedance matching

2.4.2 優(yōu)化設計

在設計阻抗匹配電路的過程中,需要確定整流電路的輸入阻抗,而整流電路由非線性元件(二極管或MOS管)構(gòu)成,表現(xiàn)出非線性,無法準確預知其輸入阻抗[72]。這導致阻抗匹配的效果較差,直接影響系統(tǒng)的收集效率,因此,在設計RFEH系統(tǒng)的過程中,如何優(yōu)化阻抗匹配電路是一個亟需解決的重要問題。

在RFEH系統(tǒng)中,可通過改進匹配電路結(jié)構(gòu)和優(yōu)化整流電路輸入阻抗來實現(xiàn)最優(yōu)匹配。從匹配電路結(jié)構(gòu)入手,可在原有結(jié)構(gòu)的基礎上,增加帶有控制單元的分立電容器,以根據(jù)輸入阻抗的變化實時調(diào)節(jié)匹配參數(shù),使得匹配網(wǎng)絡在輸入功率變化時也可以達到完全匹配[72],但該方法加入了額外的控制單元,增加了電路損耗;文獻[73]則通過差分整流器交換輸入和輸出端子,將其配置為互補LC振蕩器,作為匹配電路,該方法沒有增加額外的控制回路,利用電感和電容的互補關系來確定匹配電路元件參數(shù),但這種計算方法只適用于特定頻率且已知負載阻抗的情況,靈活性低。從整流電路入手,文獻[74]提出了一個小信號整流電路阻抗計算模型,計算出不同工況下的輸入阻抗,通過電路計算的方式確定了匹配電路參數(shù)。

2.5 整流電路

2.5.1 工作原理

整流電路的主要作用是將天線收集到的射頻交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號,同時得到更高的輸出電壓。常用的電路結(jié)構(gòu)如圖10所示,采用的是Dickson倍壓結(jié)構(gòu),由二極管和電容組成,可同時起到整流和升壓的作用,故也稱為倍壓整流電路[75]。

圖10 N級Dickson倍壓整流電路Fig.10 N-stage Dickson voltage doubled rectifier

倍壓整流電路由鉗位電路和整流電路相互交叉組合而成,不僅達到了升壓的目的,還起到了整流的作用。鉗位電路使輸入的交流電壓產(chǎn)生正向直流偏移,多級此類結(jié)構(gòu)串接起來,可使輸出電壓遠高于輸入電壓,達到升壓的目的;半波整流電路則利用半導體元件的單向?qū)ㄌ匦?對輸入的正弦電壓進行整流處理。

2.5.2 優(yōu)化設計

由1.2的介紹可知,整流電路的整流效率ηR直接影響系統(tǒng)的效率η,整流電路的輸出電壓直接決定系統(tǒng)的輸出電壓。因此,在整流電路設計過程中,如何既保證輸出電壓又提高整流效率是一個主要研究的問題。

半導體元件(二極管或MOS管)是構(gòu)成整流電路的主要部件,整流電路的性能主要取決于半導體元件的最大正向?qū)妷骸柡碗娏?、結(jié)電容和導通電阻,由低導通電壓元件構(gòu)成的整流電路可以得到更高的整流效率[75]。還可以通過對元件的正確建模和精確仿真來提高整流效率,如文獻[35],在建立二極管模型時考慮了諧波的存在,并據(jù)此提出了一個高效整流電路,該電路在2.45 GHz頻率下,整流效率可達到70.4%;文獻[76]通過構(gòu)建一種低功率整流電路數(shù)學模型設計了一個高效整流電路,模型包括用以描述整流電容動態(tài)過程的準靜態(tài)模型,可準確預估了整流電路的工作過程。

由式(1)可知降低元件閾值電壓Vth可提高輸出電壓Vout,同時還可以提高系統(tǒng)的靈敏度,使其可在低功率下運行[77]。文獻[39]提出了一種自適應整流系統(tǒng),可動態(tài)地控制主整流器中MOS管的閾值電壓,降低了正向偏置MOS管的閾值電壓,增加了收集的功率和輸出電壓,同時增加反向偏置MOS管的閾值電壓,減小了漏電流,防止存儲的能量損失,提高系統(tǒng)效率;文獻[40]提出了一種提高整流電路效率的方法,該方法增加了輔助晶體管,為整流器的初級MOS管提供前向偏置,降低了元件閾值電壓,使得可以在低功率的條件下得到較高的輸出電壓和效率。

3 RFEH系統(tǒng)的主要應用

RFEH系統(tǒng)可應用在無線傳感器網(wǎng)絡、醫(yī)療保健行業(yè)的無線網(wǎng)絡和射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)標簽,此外,也可為各種低功耗移動設備(如電子手表、MP3播放器、無線鍵盤和鼠標等)提供充電功能。

3.1 無線網(wǎng)絡

無線傳感器網(wǎng)絡是迄今為止RFEH系統(tǒng)應用最廣泛的領域,一個應用射頻能量收集技術(shù)的無線網(wǎng)絡,稱為射頻能量收集網(wǎng)絡[16]。 RFEH系統(tǒng)還可其他與不同類型的無線網(wǎng)絡相結(jié)合,包括蜂窩網(wǎng)絡、認知無線電網(wǎng)絡和異構(gòu)網(wǎng)絡[78,79]。同時,在無線網(wǎng)絡與RFEH系統(tǒng)結(jié)合的過程中,還需要根據(jù)系統(tǒng)特點對網(wǎng)絡的管理和協(xié)議進行優(yōu)化改進[78],例如射頻能量認知無線電網(wǎng)絡中的頻譜管理和路由協(xié)議的重新設計等。在文獻[80]、[81]、[82]中介紹了無線網(wǎng)絡與RFEH系統(tǒng)結(jié)合的多種應用實例。

3.2 醫(yī)療保健

在醫(yī)療保健行業(yè)中,已存在通過磁感應供電的植入設備,有關學者利用松散耦合的線圈在更遠的范圍內(nèi)有效地為心臟植入物供電。一些植入設備也可以通過遠場射頻信號供電以延長設備使用壽命,例如利用射頻能量收集技術(shù),實現(xiàn)人體內(nèi)部溫度無創(chuàng)無線監(jiān)測[83]。

3.3 無源射頻識別

低功率電路和能量收集技術(shù)的最新發(fā)展可以延長傳統(tǒng)RFID標簽的壽命和操作范圍[84]。RFID標簽正利用射頻能量收集技術(shù),從被動地激活電路,向主動通信進行發(fā)展,即從簡單的無源標簽演變成智能標簽。

4 待研究的問題與發(fā)展趨勢

盡管近年來國際上對射頻能量收集技術(shù)持續(xù)開展了相關的研究工作,但與其他能量收集方式相比(如太陽能、振動能、熱力梯度、壓力差等),目前的研究還不夠充分,射頻能量收集技術(shù)還沒有應用到成熟的商業(yè)產(chǎn)品中,相關技術(shù)并不完善,存在的問題集中體現(xiàn)在以下幾個方面:

1)能量轉(zhuǎn)換效率低:射頻能量轉(zhuǎn)換的效率通常比較低,尤其是在低功率射頻信號的情況下。這意味著只有小部分收集到的射頻能量能夠轉(zhuǎn)換為可用的電能。提高能量轉(zhuǎn)換效率是一個重要的挑戰(zhàn)。

2)射頻信號稀缺:射頻信號在環(huán)境中的分布是不均勻的,有時甚至很弱或者稀缺(如布置在野外條件下的無線傳感器網(wǎng)絡)。這使得射頻能量的收集變得更加困難。

3)干擾和噪聲:射頻能量收集過程中,可能會受到來自其他射頻設備、電源線或其他無線信號的干擾和噪聲。這些干擾和噪聲可能會影響能量收集效果。

雖然射頻能量收集技術(shù)尚不成熟,但隨著無線應用的快速發(fā)展,射頻信號不受時間和空間限制的特點,使得射頻能量收集有著很大的發(fā)展?jié)撃芎蛻们熬啊Ｄ壳?國際上眾多科研機構(gòu)對射頻能量收集技術(shù)進行了相關的研究工作,并且在許多應用領域都取得了引人關注的成果。未來射頻能量收集技術(shù)主要從以下幾個方面進行研究:

1)研究小型化和集成化的天線:天線是制約能量收集的重要因素,小型的天線可以大大的減小系統(tǒng)整體的尺寸,可推動RFEH系統(tǒng)在小型低功耗設備上的應用。未來射頻能量收集技術(shù)在可穿戴設備和可嵌入式系統(tǒng)中有很大的應用潛力,研究熱點之一是開發(fā)適用于這些應用場景的射頻能量收集技術(shù)。

2)多頻段能量收集:射頻信號在不同頻段有不同的分布和強度,未來的研究熱點之一是開發(fā)能夠在多個頻段收集能量的技術(shù)?？梢酝ㄟ^設計多頻段收集器,實現(xiàn)對不同頻段信號的收集和轉(zhuǎn)換,提高能量收集的效率。

3)抗噪處理:射頻能量收集過程中,受到干擾和噪聲的影響是一個挑戰(zhàn)。未來的研究熱點之一是開發(fā)抗干擾和噪聲的技術(shù),如信號處理算法、濾波器設計等,以減小干擾和噪聲對能量收集效果的影響。

5 總 結(jié)

本文通過分析射頻能量收集系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),詳細介紹了天線、阻抗匹配電路和整流電路的工作原理和優(yōu)化設計方法,最后分析了RFEH系統(tǒng)的應用水平,并對目前存在的問題及發(fā)展趨勢進行了探討和總結(jié)。射頻能量收集技術(shù)是一個具有發(fā)展前景的研究領域,隨著國內(nèi)外專家學者的深入研究,其應用范圍一定會越來越寬廣。