前行中的射频能量采集技术

能量采集是实现低功耗电子器件(如无线传感器)长期免维护工作的一项关键技术。通过捕获环境中的多余能量(如照明、温差、振动和无线电波(射频能量))，完全可以让低功耗电子器件正常工作。在这些微功率能源中，来自射频发射器的能量具有独特的优势，包括随距离变化可预测和一致的功率，从而允许能量采集器远离能源的束缚。

环境射频能量如今可以从全球数十亿个无线发射器获得，包括移动电话、手持无线电设备、移动基站以及电视/无线广播台等。捕获这类能量的能力有助于创建新的无电池设备，并允许电池供电设备通过无线方式实现点滴式充电。除了环境射频能量外，还有一种方式是使用专门的发射器发送功率，这能使无线电源系统提供更高的性能。在许多应用中这是首选的解决方案，但成本比较高。政府法规一般将使用免许可频带的无线电设备输出功率限制为4W有效全向辐射功率(EIRP)，就像射频标签(RFID)询问器那样。作为对比，基于模拟技术的早期移动电话的最大发射功率为3.6W，而Powercast公司的新款TX91501发射器功率为3W。

环境射频(RF)能量采集有个明显吸引人的地方，即收集的是完全"免费的"能量。虽然具有这种能力的设备在充电时可以移动，但许多射频能量采集方案要求使用指向已知能源(如移动基站)的定向天线。在移动电话领域的应用前景是能够收集足够多的环境射频能量来与移动手机的待机功耗相匹配。如果可能的话，那么移动电话将具有连续的待机能力，而不仅仅是几天时间。虽然这种特殊应用目前还不实用，但许多系统级要素的汇集正在推动适合其它应用的环境射频能量采集方案。这些要素包括低功耗元件不断普及、有更多的发射器作为能源、无源射频采集器的射频灵敏度提升以及低等效串联电阻(ESR)双层电容(也称为超级电容)的推广。

诸如微控制器等低功耗电子元件的制造商正在不遗余力地降低元件功耗，同时提高性能。来自这些公司的数据手册和其它行销广告都在有意宣传几个纳安级的待机电流，以及能够从电压不到1V的电池进行升压的片上DC/DC转换器。其它元件(如传感器等)被越来越多地设计成有助于降低总体系统功耗的无源器件。这对无电池设备来说尤其重要。通过充分的实时能量采集，无电池设备可以连续运转，但如果能量太低，就必须先储存起来，直到足够维持一次工作周期。随着元件功率水平的降低，由能量采集技术供电的系统可以工作得更加频繁。

无线电发射器的数量，特别是用于移动基站和手机的发射器数量正在不断增加。据ABI Research公司和iSupply公司估计，移动手机用户数量近期已经超过50亿，ITU估计其中有10亿多是移动宽带用户。此外还有众多的Wi-Fi路由器以及诸如笔记本电脑等无线终端设备。在一些城市环境中，有可能检测到数百个Wi-Fi接入点。在短距离范围内，比如同一房间内，可以从发射功率为50mW至100mW的典型Wi-Fi路由器中收集到微小的能量。在更长距离的情况下，需要使用具有更高增益的更长天线才能真正收集到来自移动基站和无线广播塔的射频能量。2005年，Powercast公司在距一个小型5kW AM广播电台1.5英里(大约2.4公里)的地方成功演示了环境能量采集的实现。

无源射频接收器或射频能量采集器件(如Powercast公司的P2110 Powerharvester接收器)工作时的射频输入电平要大于等于-11dBm。提高射频灵敏度允许在距射频能量源更远的距离范围内实现射频至直流(RF/DC)电源转换，但随着距离的增加，可用功率将降低，充电时间将延长。低漏电流的能量存储技术非常重要，特别是在输入功率非常低时，这样才能最大限度地减小采集到能量的损失，使能量采集过程尽可能高效。

射频能量采集器的一个重要性能是在宽范围的条件下正常工作的能力，包括输入功率和输出负载电阻的变化。例如，Powercast的射频能量采集元件无需额外的耗能电路来实现最大功率点跟踪(MPPT)，而这是将太阳能转换为电能等其它能量采集技术不可或缺的。Powercast元件可以在很宽的工作范围内保持较高的射频至直流转换效率，因而具有跨应用和OEM设备的扩展性。能够适应多频带或宽带频率范围并且支持自动频率调谐的射频能量采集电路可以进一步提高输出电能，也因此能扩展移动性，简化安装。Powercast元件采用标准50Ω输入阻抗设计，不仅有利于缩短设计时间，而且支持使用现成的天线。

图1显示了Powercast P2110 Powerharvester接收器在多个频段的性能，包括中心频率为915MHz的工业-科学-医疗(ISM)频段。


图1：图中曲线显示了P2110 Powerharvester模块在三种ISM频段工作时射频输入功率与转换效率的关系。

存储利用能量采集技术捕获到的能量有几种方式，包括传统的可再充电电池、新兴的薄膜电池和电容。在过去20年中，锂(锂离子)电池、镍氢电池(NiMH)和薄膜电池都有了长足的发展。随着能量密度的提高和封装尺寸的缩小，这些产品已被成功地用于长时间地维持微功率传感器设备运转。这些产品的缺点是，就像一次性电池那样，可再充电电池也有有限的寿命和充电次数，最终必须要更换。这正是许多行业需要考虑和研究能量采集与替代性能量存储方案(如超级电容)的原因。