无线电射频能量的收集

Posted 2022-04-30 回映电子

大多数人没有意识到，我们周围总是有丰富的能量。我们整天都被能量波轰炸着。无线电和电视塔，环绕地球的卫星，甚至手机天线都在不断地传输能量。如果有一种方法我们可以收获正在传输的能量呢？如果有可能收集并储存这些能量，我们就有可能用它来为其他电路提供动力。对于手机来说，这种能量可以用来给不断耗尽的电池充电。移动电话和更复杂的设备，如口袋里的组织者，个人数字助理(pda)和笔记本电脑的潜力是存在的。

收获射频能量

能量收集元件是环境中存在的能量被捕获并转化为电能的过程。近年来，它已成为多学科的一个突出研究领域。太阳能、机械能、射频能、热能、电磁能、生物化学能、放射性能等多种能源采集方式已经被开发利用。

能量收集元件通常以毫瓦甚至微瓦的功率级运行。几乎所有的能源收集计划都需要各个阶段的电力调节和中间蓄电池或储存从环境中收集的能量的电容器。

当我们提到射频收获时，我们并没有提到专门为无线设备供电而设计的能源。相反，我们谈论的是我们可以从公共服务中收集到的能量。在城市和人口密集地区，有大量的射频源，如广播电台和电视台、移动电话基站和无线网络。人们有可能收集它们的部分能量，并将其转化为有用的能量。

图1: 电磁波谱与周围的应用

射频源

无线电波是电磁波谱的一部分，由磁性元件和电性元件组成。它们通过在一个频带内改变波的振幅、频率和相位的组合来携带信息。当与导体(如天线)接触时，电磁辐射会在导体表面产生电流，这就是所谓的趋肤效应。

通信设备利用10千赫至30千赫的不同频谱，使用天线传输和/或接收数据。对于2.4 GHz 和900mhz 频率，射频能量收集元件的最大理论功率为7.0 μW 和1.0 μW，自由空间距离为40m。在自由空间以外的环境中，信号的路径损耗是不同的。表 1 显示了不同的频谱及其特殊的应用。

不同的频段有不同的应用，图1显示了我们周围不同应用的电磁波谱。

射频能量收集系统的组件

图3示出了能量收集电路的组成部分。入射射频电源由多倍压器转换成直流电源。匹配网络由电感元件和电容元件组成，确保了从天线到多倍压器的最大功率传输。能量储存确保了电力平稳地输送到负载和作为储备时间，当外部能源是不可用的。这样的设计需要精心制作; 增加倍增器级数可以在负载处提供更高的电压，并减少通过最终负载支路的电流。这可能会导致不可接受的充电延迟储能电容器。

相反，较少的阶段的倍增器确保快速充电的电容，但电压产生的电容可能不足以驱动传感器尘埃(至少1.8 v，成为 + Vcc 的 mica2传感器)。

图2: 射频采集系统的框图

图3: 射频采集的部件

图4: 天线的等效电路

类似的，匹配电路参数的细微变化会显著改变能量转换效率最大的频率范围，通常是几兆赫兹。因此，射频收获电路涉及一个复杂的相互作用的设计选择，必须考虑在一起。这个问题是通过考虑一个多阶段设计的多倍压器，其操作点是由解决一个优化框架决定的。

天线

天线是一种用于辐射或接收无线电波的金属装置(如杆或线)。它是发射和接收无线电波的一种手段。换句话说，天线是自由空间和制导装置之间的过渡结构。制导装置或传输线可以采用同轴线或空心管(波导管)的形式，用于将电磁能从发射源传输到天线或从天线传输到接收器。

通信设备一般都有向多个方向传播射频能量的全向天线。这使移动应用程序的连接最大化。从无线源传输的能量要高得多，10ghz 频率可达30w，但在实际环境中只能获得很少的能量。其余部分则以热量的形式消散或被其他物质吸收。

收集射频能量需要一个天线。在射频能量收集系统中，天线(作为接收器)拦截经过的电磁波，并将其转换成电信号。典型的天线可以模拟为交流电压源串联阻抗，如图4所示。

PRF 是天线接收的功率; RS 是辐射电阻，代表接收电磁波的功率; Rloss 是损耗电阻，代表包括天线材料和介质损耗在内的实际电阻; Xant 可以是电感的，也可以是电容的，这取决于特定的天线。

天线设计者必须注意许多参数。功率增益是一个天线在任意距离从一个特定角度辐射出的最大功率密度与同一距离的一个假设的各向同性天线的功率密度之比。它可以被认为是实际的最大功率密度超过理想(损失较少)的平均功率密度。有效天线口径与天线的可用功率密切相关。其他一些关键参数包括路径损耗、极化、效率、方向性等。

图5: 电荷泵整流器

硅整流二极管天线

用来收集射频能量的装置称为直入式收集器。它指的是整流天线。射频能量转换成直流能量。一个典型的直肌有一个天线，匹配电路和一个整流器。

硅整流二极管天线是放置在天线馈电点的天线和肖特基二极管的混合物。它直接将射频信号转换为直流信号。可以使用不同的拓扑作为直肌的组成部分。针对 RF-DC 整流器的设计开发了不同的拓扑结构，如电荷泵整流器、差动驱动桥整流器和门交叉连接差动驱动桥整流器。

电荷泵整流器

图4所示的电荷泵整流器，也称为多倍压器电路，已广泛应用于微型电源收集电路。常规电荷泵整流器的基本结构是在1976年提出的，最初用作 DC-DC 上变换器。

在射频-直流整流器应用中，采用射频输入作为互补时钟信号之一，接地另一条时钟线和直流输入线。为了理解整流器的工作原理，首先考虑乘法器的前两个阶段，也通常被称为倍压器。

操作可以分为两个周期: 负半周期(输入射频信号为负值)和正半周期(输入射频信号为正值)。

假设，二极管的阈值电压为 VT，输入 RF 信号的振幅为 VRF。在第一个负半周期中，引入 d1并将电荷转移到 c1的右端板上。在第一个负半周期结束时，c1充电到 VRF-vt。

当正半周期开始时，d1是反偏的，c1的右端板被推到2 * (VRF-VT)。D2开启，电荷转移到 C2。在正半周期结束时，c2被充电到2 * (VRF-VT) ，用于更多阶段倍频整流器。

差动驱动桥式整流器

全波桥式整流器，如图4所示，已经常用于交直流电压转换。整流器具有差分输入射频信号。

在正半周期的射频信号，二极管 d2和 d3导电，而 d1和 d4是反偏的。

在负半周期的射频信号，二极管 d1和 d4导电，而 d2和 d3是反偏的。

在整个循环中，负载电容器 c1是单向充电的。当考虑反向泄漏电流和其他阻性负载时，c1上的直流电压可以达到 VRF-(2 * Vth) ，其中 Vth 是二极管的阈值电压。

电路开始整流一次，输入交流信号的幅度变大，大于二极管阈值电压的两倍，从而降低了整流器的电压灵敏度。为了提高电压灵敏度，可以用栅漏连接的 n 型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或栅源连接的低阈值 p 型 MOSFET 代替二极管，如图6(b)所示。为了提高直流电压水平，采用耦合电容器阻断直流，分阶段级联单元桥式整流器的叠加结构。

栅交联差动驱动桥式整流器

虽然采用二极管连接的低阈值 MOSFET，可以有效地提高桥式整流器的电压灵敏度，但 MOSFET 引起的反向漏电功耗不容忽视。

常规桥式整流器的一种适应结构是用差分输入射频信号偏置门极。通过偏置栅极，降低了 MOSFET 的导通电压，有效地提高了电压灵敏度。

以图7(a)中的结构为例。在正半周期的 RF 信号中，如同在正常的桥式整流器中，m2和 m3导电，而 m1和 m4则是反向偏置的。这种变化发生在 m1和 m3栅极端的偏置电压上。

在正半周期中，m3像传统的桥式整流器一样，带有大于零的偏置信号(接地电位) ，这减少了 m3的阈值电压，因此提高了电压灵敏度。

图6: 全波桥式整流器

图7: 差动驱动桥

在正半周期中，m1的漏极和源极进行了交换。M1在带负 RF 信号的栅极端反向偏置，该负 RF 信号低于源极端的接地电位。有了这种偏置，m1引起的泄漏电流就大大减小了。

对负半周期也可以进行同样的分析。在 NMOS 栅交叉连接桥式整流器中，只有两个 mosfet 存在差分偏置。

为了进一步提高整流器的性能，改为使用两个 PMOS 器件，如图7(b)所示。在正半周期中，pm2和 nm3呈正相关，nm1和 pm4呈反相关。Pm2栅极端的偏置信号为负值，导致比二极管连接模式的导通电压更小。Pm4交换机的源极和漏极。Pm4的栅极端子偏置于正射频信号中，正射频信号大于源极端子的电位，从而减小了反向漏电流。对负半周期也可以进行同样的分析。

常用的整流器件有 MOS 晶体管 和肖特基二极管。物理结构的差异导致了在应用 RF-DC 整流器设计的缺点和优点。表二总结了这两种设备的优点和缺点。

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