本文重點(diǎn)

射頻功率收集，對于源和負(fù)載之間的最佳功率傳輸、減少功率反射和提高系統(tǒng)效率而言，IMN 至關(guān)重要。

能量收集整流器和電壓倍增器電路（例如 Cockcroft–Walton 和 Dickson 倍增器）是將射頻信號轉(zhuǎn)換并放大為可用直流電的關(guān)鍵，每種設(shè)計都會滿足一些特定的電壓要求和效率需求。

射頻功率收集系統(tǒng)可以利用靜態(tài)（例如廣播電臺、移動基站）和動態(tài)（例如 Wi-Fi 接入點(diǎn)、警用無線電）環(huán)境射頻源，需要采用復(fù)雜的方法才能在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中持續(xù)高效地供應(yīng)能量。

射頻功率收集電路采用多種電路技術(shù)，旨在以最小電壓和電流工作。射頻波來自衛(wèi)星站、無線互聯(lián)網(wǎng)、無線電臺和數(shù)字多媒體廣播。射頻功率收集系統(tǒng)能夠捕獲這種電磁能，并將其轉(zhuǎn)換為可用的直流（DC）電壓。盡管射頻波的環(huán)境功率密度較低，但通過專門添加源以實(shí)現(xiàn)更好的功率傳輸，就可以顯著提高其效率。此外，還可以實(shí)施定制設(shè)計的升壓射頻功率收集電路，以滿足負(fù)載應(yīng)用的特定需求。

射頻功率收集電路器件

射頻功率收集電路階段細(xì)分

射頻功率收集電路器件

阻抗匹配電路

在低功耗電氣系統(tǒng)中，傳輸過程中的功率泄漏會導(dǎo)致能量損失。要解決這個問題，集成阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)（Impedance Matching Network, IMN）電路至關(guān)重要，因?yàn)樗?strong>可以確保射頻源和負(fù)載之間的最佳功率傳輸。在 WPH（Wireless Power Harvesting）應(yīng)用中，我們將接收天線視為源，將整流器或電壓倍增器視為負(fù)載。在直流電路中，當(dāng)源和負(fù)載的電阻相等時，功率傳輸效率最高。然而，在射頻電路中，阻抗取代了電阻。源和負(fù)載之間的阻抗失配會導(dǎo)致電路內(nèi)的功率反射，進(jìn)而降低整體的系統(tǒng)效率。

IMN 的作用是通過引入無功器件來調(diào)整源和負(fù)載的阻抗，從而提高功率傳輸過程的效率。IMN 電路的示例包括：

L 網(wǎng)絡(luò)

反向 L 網(wǎng)絡(luò)

T 網(wǎng)絡(luò)

Pi 網(wǎng)絡(luò)

多頻段匹配網(wǎng)絡(luò)

能量收集整流器

整流器器件可以影響能量收集 (EH) 電路的效率。在進(jìn)行功率收集時，天線捕獲的射頻信號通常具有正弦波形。經(jīng)過 IMN 處理后，該信號被整流，然后升壓以滿足特定應(yīng)用的功率要求。它們通常涉及多種配置，包括單二極管整流器、電壓倍增器和下文將要討論的更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，每種配置都旨在優(yōu)化交流到直流的轉(zhuǎn)換。

電壓倍增器電路

電壓倍增器是一種專門的整流器電路，用于轉(zhuǎn)換交流輸入并將其放大為直流輸出。當(dāng)整流后的功率不能滿足預(yù)期應(yīng)用的要求時，就需要增強(qiáng)直流輸出。通過串聯(lián)整流器，從而形成電壓倍增器。

此類電路最基本的配置是 Cockcroft–Walton 電壓倍增器。該電路的工作原理與全波整流器類似，但包括額外的級，以實(shí)現(xiàn)更高的電壓增益。

此類電路的另一種變體是 Dickson 倍增器：它在 Cockcroft–Walton 設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修改，具有分流級電容器，可減輕寄生效應(yīng)。因此，Dickson 倍增器更適合需要小電壓的應(yīng)用。不過，使用此設(shè)置可能很難實(shí)現(xiàn)高功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE)。此電路中，二極管兩端的高閾值電壓可能導(dǎo)致產(chǎn)生漏電電流，因而降低整體效率。此外，在具有高電阻負(fù)載的情況下，輸出電壓可能會大幅下降，從而導(dǎo)致負(fù)載的電流供應(yīng)減少。

Dickson 電荷泵通常采用一系列二極管耦合級來高效傳輸電荷并提高電壓。它可以提供相對穩(wěn)定的輸出，非常適合僅需適度增加電壓的應(yīng)用。

差分驅(qū)動電壓倍增器能夠?qū)崿F(xiàn)高電壓倍增，效率較高但較為復(fù)雜。

左圖：Cockcroft–Walton 電壓倍增器。

右圖：Dickson 倍增器

天線設(shè)計說明

在天線或整流天線設(shè)計中，關(guān)鍵性能參數(shù)包括增益、諧振頻率和帶寬。假設(shè)空間暢通無阻且具有各向同性發(fā)射源，那么波的擴(kuò)散在所有方向上都是均勻的。然而我們必須認(rèn)識到，天線并不總是以球形（各向同性）模式分配功率。根據(jù)設(shè)計的不同，天線可以更具體地將能量引導(dǎo)到特定方向。

射頻功率基礎(chǔ)知識

空間中的功率損耗通常用自由空間路徑損耗（FSPL）來表示，它指的是信號在開放空間中傳播時的功率降低。要計算 FSPL，需要了解天線增益、發(fā)射波的頻率以及發(fā)射器和接收器之間的距離等數(shù)據(jù)。電磁波的屬性取決于與發(fā)射天線的距離。這種行為變化分為兩個不同的類別：遠(yuǎn)場和近場。

近場和遠(yuǎn)場

在遠(yuǎn)場中，電磁波的模式往往相對均勻。然而在近場中，電和磁分量明顯更強(qiáng)且更獨(dú)立，以至于一個分量可能主導(dǎo)另一個分量。近場區(qū)域定義為 Fraunhofer 距離以內(nèi)的空間，而遠(yuǎn)場區(qū)域是超出 Fraunhofer 距離之外的空間。

Fraunhofer 距離是定義近場和遠(yuǎn)場區(qū)域邊界的關(guān)鍵參數(shù)。它是根據(jù)輻射器的最大尺寸（D）和電磁波的波長（λ）計算而來的。

雖然 Fraunhofer 距離確定了一個邊界，但近場和遠(yuǎn)場區(qū)域之間的實(shí)際過渡并沒有明確的界限。

在近場中，從天線延伸出一定距離內(nèi)的區(qū)域稱為非輻射/反應(yīng)近場區(qū)。在這里，電場（E）和磁場（H）不同相，導(dǎo)致能量失真。

當(dāng)我們從這個近場區(qū)域向距離天線更遠(yuǎn)的遠(yuǎn)場移動時，就進(jìn)入了輻射近場或 Fresnel 區(qū)域。在這個區(qū)域，電磁波反應(yīng)性質(zhì)的主導(dǎo)地位減弱，但 E 和 H 場的相位仍然隨距離而變化。

圖中描繪了近場和遠(yuǎn)場區(qū)域的空間分布。

射頻能量自由空間功率

從自由空間收集的射頻能量通常具有較低的功率密度，因?yàn)殡妶龉β拭芏葧猿杀壤乃俾蕼p小到 1/d2，其中 d 表示與射頻源的距離。因此，需要使用一個功率放大器電路，以便從電磁波中產(chǎn)生足夠的直流能量來為負(fù)載和應(yīng)用供電。這種情況可能會導(dǎo)致兩種結(jié)果：

如果負(fù)載的功耗小于收集的平均功率，則負(fù)載處的電子設(shè)備可以持續(xù)運(yùn)行。

如果負(fù)載消耗的能量超過功率收集電路產(chǎn)生的能量，設(shè)備就無法持續(xù)運(yùn)行。

從環(huán)境射頻源收集射頻能量

盡管靜態(tài)源是穩(wěn)定功率發(fā)射器，但需要通過更復(fù)雜的方法來為傳感器設(shè)備供電。這通常涉及到調(diào)制信號，例如改變頻率和傳輸功率。靜態(tài)源的例子包括廣播電臺、移動基站和電視等環(huán)境實(shí)體，在功率收集場景中，通常會利用這些源。

另一方面，動態(tài)源是以不受控制的方式發(fā)射信號的發(fā)射器，無法用物聯(lián)網(wǎng)（IoT）系統(tǒng)專門監(jiān)控。要有效地利用來自這些源的能量，必須使用智能無線能量收集 （WEH）系統(tǒng)。該系統(tǒng)必須不斷掃描通道，以識別潛在的收集機(jī)會。這類不受監(jiān)控的環(huán)境源的示例包括 Wi-Fi 接入點(diǎn)、微波無線電鏈路和警用無線電。這些動態(tài)源為各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的能量收集帶來了一系列獨(dú)特的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

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