利用无线蜂窝和Wi－Fi信号发电！备受期待的射频能量收集，你了解多少？
能量收集是一种利用各种不同技术从周围环境收集能量的方法，其能量来源包括阳光、红外声波、射频（RF）波、温度变化、磁感应或压电振动等多种环境。在这些方法中，射频能量收集（RF-EH）的发展潜力巨大，是一种很有前途的技术。
射频能量收集技术是一种无线形式的能量采集技术，它捕获来自周围环境的电磁波并实现能量转换。在任何特定时刻，射频能量都会从全球数百万个发射机和设备中传输。通过利用已经存在于环境中的环境RF信号的能量，射频能量收集技术有望成为无线传感器网络、物联网设备和其他低功耗电子设备潜在的供电解决方案。
什么是射频能量收集？
射频能量收集（RF-EH）系统近年来非常受关注，该方法为低功耗电子系统提供了一种近乎无能耗的供电方案。在实际工作中，射频采集器使用天线接收周边环境的电磁波并将其转换为可用的电能。射频采集器的频率范围和功率范围取决于可用的射频源，常见的发射源包括2G/3G/4G/5G基站、无线电信号发射站、电视信号广播站、卫星、Wi-Fi信息亭/路由器、卫星、NFC发射器、RFID读取器、BLE（蓝牙低功耗）发射器、UHF发射器等。
典型的射频能量收集系统包含天线、AC-DC转换器和充电管理模块三个主要部件。能量采集工作从天线开始，此时天线将被完美设计并调谐到特定的频率，以接收来自其周围环境的射频信号。当天线将电磁波转换为低功率电信号后，这些电信号将被馈送到AC-DC转换器。系统中的充电管理模块可以是锂离子可充电电池或低损耗电容器，也可以直接用于为无电池电子设备供电。有了射频能量收集系统，小型低能耗电子设备甚至可能不再需要额外的电源。
图1：多种能量收集技术及其可用功率水平示例（图源：Ericsson Research）
与其他能源收集技术相比，射频能源的能量密度相对较低，范围从0.2 nW/cm2到1μW/cm2，，这也是射频能量采集技术实用过程中面临的主要挑战。如果为低功率设备如无线传感器网络（WSN）供电，该技术是可行的方案，但在设计中还需综合考虑收集系统的尺寸，其大小要与传感器节点相匹配。射频能量收集是一种很有前途的技术，它利用了我们周围发现的射频电磁波，其定位是面向未来应用的可行能源。
为了充分利用这一新技术，设计一款智能高效的天线是必不可少的步骤。为了达到高效能量收集的要求，天线应具有宽的工作频率范围、低剖面设计、全向辐射、高增益和紧凑的尺寸。在外形和尺寸上，多频带矩形天线有助于利用各种可用的频率，可从周围环境接收到更多的能量，但总体效率仍然较低。
另外，天线阵列虽提供了高输出功率，但因尺寸较大难以集成，且可能占用较大的芯片空间。此时，可考虑设计一款用于环境射频能量采集的紧凑型、多频带的圆极化矩形天线。天线的增益是设计中另一重点考虑因素，它的选择取决于具体的应用要求。在源天线和接收天线的位置已知的情况下，高增益矩形天线的优点比较突出。相反，如果位置相对不确定，因低增益天线允许同时收集来自不同方向的信号，可能更适用。
很明显，天线、整流电路和功率存储组件的效率将显著影响能量收集设备所获取和可用的能量。整流器通过将来自天线的AC信号转换为DC以进行有效的电力提取，在系统中发挥着至关重要的作用。射频能量采集中的整流器可以使用二极管、晶体管和CMOS技术来实现。
射频能量收集技术的应用潜力
在大量使用中，环境射频收集技术正在成为替代位于偏远地区的低功耗电子设备中传统电池的一种有吸引力的供电方案。现在，射频采集技术也在慢慢成为消费电子产品尤其是小型设备的供电选项。在可穿戴生物医学设备的应用案例中，研究人员可连续监测患者的生理信号。
一般来说，利用射频能量的设备其功耗都非常小，例如，无线电灯开关只使用激活LED或小型继电器所需的少量电量。三星在2022年推出的一款遥控器，可以通过太阳能电池板和使用Wi-Fi收集环境射频能量的组合永久充电。
在某些情况下，传感器可能需要部署在人类难以进入的区域，此时，需要采用一种可持续供电的方案。这种情况就不能通过收集周围随机的射频功率来为传感器供电，而是要有专门的射频源，技术人员可以在安全距离内将射频发射器照射在设备上。
众所周知，射频电路的设计难度相对较高。为了便于设计人员高效完成射频能量收集系统的设计，Powercast公司推出了一个评估工具包P2110-EVAL-02，专门用于通过射频能量（无线电波）进行远距离无线电池充电。
该评估套件包括一个射频发射器和接收器、一个天线和一个充电板，以及来自IPS公司的THINERGY微能电池（MEC），该电池具有超薄外形和极低泄漏。套件中的TX91501发射器是915MHz射频能量的来源，但850-950 MHz的其他来源也可用于供电。提供调节的负载电压为应用设备供电，其中包括德州仪器eZ430-RF2500无线开发工具用于演示。
图2：射频能量收集开发评估工具包P2110-EVAL-02（图源：Powercast）
射频能量收集技术有许多好处和优势，其中包括它有无限制的能量来源，这些电磁波遍布我们周围且是免费的。其次，它还是一种绿色能源，不会产生浪费。另外，与风能和太阳能相比，射频能量采集器可以在黑暗的大气条件下工作，通过射频能量系统采集的能量表现出相对的稳定性和可预测性，几乎不受使用环境的影响。
当然，环境射频采集技术的缺点和不足也比较明显。
射频能量收集的未来
尽管无线电能量是一种较弱的环境能源，但射频能量收集技术对许多应用而言仍是有吸引力的。丰富的无线信号，包括来自移动基站、Wi-Fi网络和电视发射机以及微波收音机和移动电话的信号，导致作为环境能源的射频能量收集市场的显著增长。
根据Data Bridge Market Research的分析和预测，2021年，全球射频能量收集市场的价值约为102.7亿美元，预计到2029年将达到619.8亿美元，在2022-2029年内，复合年增长率达到25.2%。
能量收集的概念植根于通过各种机制将环境能量转换为可用电力的原理。能量收集技术为从周围环境中提取电力为各种设备和系统供电提供了一条很有前途的途径。与化石燃料或电池等容量有限且需要定期更换或充电的传统能源不同，能源收集方案不仅减少了对传统电源的依赖，而且在为电子设备和系统供电方面实现了更大的自主权和可持续性。
无线电波广泛存在于我们的日常环境中，通过利用这些射频源，智能手表、健康追踪器和智能眼镜等可穿戴设备可以无缝满足充电要求。物联网等新兴技术将需要一种高效的能源来连接数十亿用于广泛应用的智能设备和传感器，长期可持续和可靠的能源对于任何高效的系统来说都是不可避免的。
近年来，材料科学、工程和电子技术的进步推动了越来越高效和紧凑的能量收集设备的发展。通过射频能量收集为电池供电有望成为低功耗电子设备中传统电池供电系统的一种很有前途的替代方案。
