? ? ? ?大多數(shù)人沒有意識到，我們周圍總是有豐富的能量。我們整天都被能量波轟炸著。無線電和電視塔，環(huán)繞地球的衛(wèi)星，甚至手機天線都在不斷地傳輸能量。如果有一種方法我們可以收獲正在傳輸?shù)哪芰磕?？如果有可能收集并儲存這些能量，我們就有可能用它來為其他電路提供動力。對于手機來說，這種能量可以用來給不斷耗盡的電池充電。移動電話和更復(fù)雜的設(shè)備，如口袋里的組織者，個人數(shù)字助理(pda)和筆記本電腦的潛力是存在的。

收獲射頻能量

能量收集元件是環(huán)境中存在的能量被捕獲并轉(zhuǎn)化為電能的過程。近年來，它已成為多學(xué)科的一個突出研究領(lǐng)域。太陽能、機械能、射頻能、熱能、電磁能、生物化學(xué)能、放射性能等多種能源采集方式已經(jīng)被開發(fā)利用。

能量收集元件通常以毫瓦甚至微瓦的功率級運行。幾乎所有的能源收集計劃都需要各個階段的電力調(diào)節(jié)和中間蓄電池或儲存從環(huán)境中收集的能量的電容器。

當(dāng)我們提到射頻收獲時，我們并沒有提到專門為無線設(shè)備供電而設(shè)計的能源。相反，我們談?wù)摰氖俏覀兛梢詮墓卜?wù)中收集到的能量。在城市和人口密集地區(qū)，有大量的射頻源，如廣播電臺和電視臺、移動電話基站和無線網(wǎng)絡(luò)。人們有可能收集它們的部分能量，并將其轉(zhuǎn)化為有用的能量。

射頻源

無線電波是電磁波譜的一部分，由磁性元件和電性元件組成。它們通過在一個頻帶內(nèi)改變波的振幅、頻率和相位的組合來攜帶信息。當(dāng)與導(dǎo)體(如天線)接觸時，電磁輻射會在導(dǎo)體表面產(chǎn)生電流，這就是所謂的趨膚效應(yīng)。

通信設(shè)備利用10千赫至30千赫的不同頻譜，使用天線傳輸和/或接收數(shù)據(jù)。對于2.4 GHz 和900mhz 頻率，射頻能量收集元件的最大理論功率為7.0 μW 和1.0 μW，自由空間距離為40m。在自由空間以外的環(huán)境中，信號的路徑損耗是不同的。表 1 顯示了不同的頻譜及其特殊的應(yīng)用。

不同的頻段有不同的應(yīng)用，圖1顯示了我們周圍不同應(yīng)用的電磁波譜。

射頻能量收集系統(tǒng)的組件

圖3示出了能量收集電路的組成部分。入射射頻電源由多倍壓器轉(zhuǎn)換成直流電源。匹配網(wǎng)絡(luò)由電感元件和電容元件組成，確保了從天線到多倍壓器的最大功率傳輸。能量儲存確保了電力平穩(wěn)地輸送到負(fù)載和作為儲備時間，當(dāng)外部能源是不可用的。這樣的設(shè)計需要精心制作; 增加倍增器級數(shù)可以在負(fù)載處提供更高的電壓，并減少通過最終負(fù)載支路的電流。這可能會導(dǎo)致不可接受的充電延遲儲能電容器。

相反，較少的階段的倍增器確?？焖俪潆姷碾娙?，但電壓產(chǎn)生的電容可能不足以驅(qū)動傳感器塵埃(至少1.8 v，成為 + Vcc 的 mica2傳感器)。

類似的，匹配電路參數(shù)的細(xì)微變化會顯著改變能量轉(zhuǎn)換效率最大的頻率范圍，通常是幾兆赫茲。因此，射頻收獲電路涉及一個復(fù)雜的相互作用的設(shè)計選擇，必須考慮在一起。這個問題是通過考慮一個多階段設(shè)計的多倍壓器，其操作點是由解決一個優(yōu)化框架決定的。

天線

天線是一種用于輻射或接收無線電波的金屬裝置(如桿或線)。它是發(fā)射和接收無線電波的一種手段。換句話說，天線是自由空間和制導(dǎo)裝置之間的過渡結(jié)構(gòu)。制導(dǎo)裝置或傳輸線可以采用同軸線或空心管(波導(dǎo)管)的形式，用于將電磁能從發(fā)射源傳輸?shù)教炀€或從天線傳輸?shù)浇邮掌鳌?/p>

通信設(shè)備一般都有向多個方向傳播射頻能量的全向天線。這使移動應(yīng)用程序的連接最大化。從無線源傳輸?shù)哪芰恳叩枚啵?0ghz 頻率可達(dá)30w，但在實際環(huán)境中只能獲得很少的能量。其余部分則以熱量的形式消散或被其他物質(zhì)吸收。

收集射頻能量需要一個天線。在射頻能量收集系統(tǒng)中，天線(作為接收器)攔截經(jīng)過的電磁波，并將其轉(zhuǎn)換成電信號。典型的天線可以模擬為交流電壓源串聯(lián)阻抗，如圖4所示。

PRF 是天線接收的功率; RS 是輻射電阻，代表接收電磁波的功率; Rloss 是損耗電阻，代表包括天線材料和介質(zhì)損耗在內(nèi)的實際電阻; Xant 可以是電感的，也可以是電容的，這取決于特定的天線。

天線設(shè)計者必須注意許多參數(shù)。功率增益是一個天線在任意距離從一個特定角度輻射出的最大功率密度與同一距離的一個假設(shè)的各向同性天線的功率密度之比。它可以被認(rèn)為是實際的最大功率密度超過理想(損失較少)的平均功率密度。有效天線口徑與天線的可用功率密切相關(guān)。其他一些關(guān)鍵參數(shù)包括路徑損耗、極化、效率、方向性等。

硅整流二極管天線

用來收集射頻能量的裝置稱為直入式收集器。它指的是整流天線。射頻能量轉(zhuǎn)換成直流能量。一個典型的直肌有一個天線，匹配電路和一個整流器。

硅整流二極管天線是放置在天線饋電點的天線和肖特基二極管的混合物。它直接將射頻信號轉(zhuǎn)換為直流信號?？梢允褂貌煌耐?fù)渥鳛橹奔〉慕M成部分。針對 RF-DC 整流器的設(shè)計開發(fā)了不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如電荷泵整流器、差動驅(qū)動橋整流器和門交叉連接差動驅(qū)動橋整流器。

電荷泵整流器

圖4所示的電荷泵整流器，也稱為多倍壓器電路，已廣泛應(yīng)用于微型電源收集電路。常規(guī)電荷泵整流器的基本結(jié)構(gòu)是在1976年提出的，最初用作 DC-DC 上變換器。

在射頻-直流整流器應(yīng)用中，采用射頻輸入作為互補時鐘信號之一，接地另一條時鐘線和直流輸入線。為了理解整流器的工作原理，首先考慮乘法器的前兩個階段，也通常被稱為倍壓器。

操作可以分為兩個周期: 負(fù)半周期(輸入射頻信號為負(fù)值)和正半周期(輸入射頻信號為正值)。

假設(shè)，二極管的閾值電壓為 VT，輸入 RF 信號的振幅為 VRF。在第一個負(fù)半周期中，引入 d1并將電荷轉(zhuǎn)移到 c1的右端板上。在第一個負(fù)半周期結(jié)束時，c1充電到 VRF-vt。

當(dāng)正半周期開始時，d1是反偏的，c1的右端板被推到2 * (VRF-VT)。D2開啟，電荷轉(zhuǎn)移到 C2。在正半周期結(jié)束時，c2被充電到2 * (VRF-VT) ，用于更多階段倍頻整流器。

差動驅(qū)動橋式整流器

全波橋式整流器，如圖4所示，已經(jīng)常用于交直流電壓轉(zhuǎn)換。整流器具有差分輸入射頻信號。

在正半周期的射頻信號，二極管 d2和 d3導(dǎo)電，而 d1和 d4是反偏的。

在負(fù)半周期的射頻信號，二極管 d1和 d4導(dǎo)電，而 d2和 d3是反偏的。

在整個循環(huán)中，負(fù)載電容器 c1是單向充電的。當(dāng)考慮反向泄漏電流和其他阻性負(fù)載時，c1上的直流電壓可以達(dá)到 VRF-(2 * Vth) ，其中 Vth 是二極管的閾值電壓。

電路開始整流一次，輸入交流信號的幅度變大，大于二極管閾值電壓的兩倍，從而降低了整流器的電壓靈敏度。為了提高電壓靈敏度，可以用柵漏連接的 n 型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)或柵源連接的低閾值 p 型 MOSFET 代替二極管，如圖6(b)所示。為了提高直流電壓水平，采用耦合電容器阻斷直流，分階段級聯(lián)單元橋式整流器的疊加結(jié)構(gòu)。

柵交聯(lián)差動驅(qū)動橋式整流器

雖然采用二極管連接的低閾值 MOSFET，可以有效地提高橋式整流器的電壓靈敏度，但 MOSFET 引起的反向漏電功耗不容忽視。

常規(guī)橋式整流器的一種適應(yīng)結(jié)構(gòu)是用差分輸入射頻信號偏置門極。通過偏置柵極，降低了 MOSFET 的導(dǎo)通電壓，有效地提高了電壓靈敏度。

以圖7(a)中的結(jié)構(gòu)為例。在正半周期的 RF 信號中，如同在正常的橋式整流器中，m2和 m3導(dǎo)電，而 m1和 m4則是反向偏置的。這種變化發(fā)生在 m1和 m3柵極端的偏置電壓上。

在正半周期中，m3像傳統(tǒng)的橋式整流器一樣，帶有大于零的偏置信號(接地電位) ，這減少了 m3的閾值電壓，因此提高了電壓靈敏度。

在正半周期中，m1的漏極和源極進(jìn)行了交換。M1在帶負(fù) RF 信號的柵極端反向偏置，該負(fù) RF 信號低于源極端的接地電位。有了這種偏置，m1引起的泄漏電流就大大減小了。

對負(fù)半周期也可以進(jìn)行同樣的分析。在 NMOS 柵交叉連接橋式整流器中，只有兩個 mosfet 存在差分偏置。

為了進(jìn)一步提高整流器的性能，改為使用兩個 PMOS 器件，如圖7(b)所示。在正半周期中，pm2和 nm3呈正相關(guān)，nm1和 pm4呈反相關(guān)。Pm2柵極端的偏置信號為負(fù)值，導(dǎo)致比二極管連接模式的導(dǎo)通電壓更小。Pm4交換機的源極和漏極。Pm4的柵極端子偏置于正射頻信號中，正射頻信號大于源極端子的電位，從而減小了反向漏電流。對負(fù)半周期也可以進(jìn)行同樣的分析。

常用的整流器件有 MOS 晶體管 和肖特基二極管。物理結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致了在應(yīng)用 RF-DC 整流器設(shè)計的缺點和優(yōu)點。表二總結(jié)了這兩種設(shè)備的優(yōu)點和缺點。