射频技术的应用及如何从其中进行能量采集

我们都听到了空气中有能量的表达。大多数人都将其与兴奋和热情联系在一起，但实际上，根据其定义，空气中存在能量：来自利用物理或化学资源提供工作能力的能量。从纯物理学的角度来看，只要某些东西不是绝对零，它就有能量。从经典的牛顿观点来看，大量的光子，电子，气体分子和运动中的粒子都有能量。从爱因斯坦的观点来看，空气分子的质量转化为E = MC 2 能量。

更好的是，所有这些自然产生的能源都加入了我们现代化的射频技术，将数百万瓦特输送到大气中。这种RF能量在AM和FM等不同频段内是稳定状态，甚至在扩频范围内也是如此 - 只要您的调谐电路可以从与RF传输相关的电磁场中提取可用能量。

本文着眼于从RF信号中获取能量，以及如何将其用于为众多无线和分布式传感器，无线电和物联网连接的监控设备供电。

空间利用

如果您正在开发用于手持设备的IC，那么“越小越好”这一概念可能属实，但在能量收集方面，小一些并不总是更好RF能量，其中表面积或横截面积与可收集的能量的量成比例。例如，较大的天线可用于增加拾取信号强度。在某些情况下，天线阵列可以构建在一个结构中，而不是视觉上的减法。甚至可以将天线阵列编织成壁纸或纺织品。

更重要的是，没有理由不能使用聚光器，特别是在房间的角落。简单的反射器可以使有效表面积倍增，从而为实际拾取点提供更集中的能量。可以把它想象成一个低分辨率的有限元抛物面碟。当您对无线能量传输源有清晰的视线时，这种方法会变得更加吸引人。

这为收集射频能量以供电子电路和传感器提供了另一个考虑因素。如果没有来自本地源的足够环境RF能量，我们可以设计激励器发射器，可用于为远距离传感器阵列供电。然后，每个传感器可以无线通信。例如，超高电气隔离的好处可以使这些类型的无线能量采集器直接连接到超高压电力线。

实际的捕捉元素可以是天线，天线阵列或感应线圈。正确调谐后，线圈可以非常有效地无线传输能量。值得注意的一点是，当没有射频源时，可以无线提取能量。例如，吉他拾音器将从近距离的金属振动中获取能量。此外，正如许多非双线圈吉他手所知，它还会拾取宽带射频能量甚至无线电台信号。

在其他情况下，平面平面线圈可以安装在薄的保护层后面，不会削弱射频能量。通常，直径越大，波长越长;天线线圈的每个连续包裹都与提取的能量相加。

设计工程师可以设计自己的定制线圈以获得最佳配合，或使用预制线圈和线圈组件。一种途径是使用设计用于近距离无线充电的线圈组件。如果耦合到低损耗调谐电路并且在存在足够信号提取时，这些可以适于从不同频带提取RF能量。接收器可以通过使用更多的线圈匝数和更大的横截面积来最大化提取的信号，因此可以在此使用单线圈组件或模块，如TDK WT-505060-10K2-A11-G和WRM483245-15F5-5V-G （图1）。这些可以轻松地作为发射器或接收器安装到您自己的面板上。

图1：平面预制线圈组件可用于创建近距离，电隔离的电力传输到无线传感器，如穿墙传感。

Wurth Electronics 760308104119等多线圈组件可以从对齐的源中提取更多能量，并可用于为微控制器和模拟信号级提供真正隔离和独立的能量。注意，任何平面发射器和接收器的方向应垂直于波传播方向。使用这些线圈的穿墙式隔离无线传感器可以允许化学仓库在其封闭容积内使用无活性能源来监测爆炸性条件。

收获时间

一旦你建立了能量捕获技术并且正在捕获未经调节的原始电源，德州仪器的专用电源管理IC等部件就可以将这些电源调节为可用的形成。一个很好的例子是TI BQ25570RGRT，它可以提取低至488 nA的电流并使其可用。初始冷启动电压为330 mV将触发此组合升压/降压稳压器，效率高达93％（图2）。一旦激活，可以从低至100 mV的电压源提取可用功率，以驱动内部电池充电器和电压监控器。该部件还具有过充电保护和电压监控器。

图2：结合升压转换器和降压转换器技术，该能量采集器即使在低电压下也能提供高转换效率。

TI的BQ25570EVM-206能量收集评估套件将帮助工程师以低成本快速测试该技术。其纳米功率管理功能还包括可编程的最大功率点跟踪采样网络。这样可以优化功率传输。

也可以使用像Qi这样的更复杂的无线充电协议，但这些协议应限于近距离传感器，例如穿墙传感器驱动器。有趣的是，这是一个高级协议，双向通信回到充电器激励器。此外，还有几种符合国际标准的优质IC。

例如，考虑专用发射器芯片，如TI的BQ500210RGZT，或东芝TB6860WBG，EL功率接收器芯片。在每种情况下，它们都可以是低功耗微控制器和传感器阵列的外围芯片。虽然这些符合Qi标准的短距离充电，但更高功率水平，聚焦发射器和聚光接收器可以让这种设置在更长的距离上工作，用于穿墙式摄像机，通信集线器和无线网桥。

更长距离的链接

对于更长的距离，其他射频技术和标准可能更适合。例如，RFID Gen II标准提供几乎5瓦的发射功率，可以为电路供电，为电池和超级电容器充电，并在距离高达30英尺的地方为通信链路供电。

amsSL900A-AQFM传感器标签使用符合RFID Gen II UHF标准的RFID应答器和嵌入式读写非易失性存储器（图3）。这是远程和分布式传感器以及数据记录器的理想选择。本地SPIO可以将低功耗微配置，记录和传输数据传回接收器，所有RF和电源管理功能均可通过1.5 V单节充电电池工作。它还支持读者领域的能量收集。

ams视频“利用传感器解决方案塑造世界”描述了这项技术，可以在Digi-Key网站上找到。

图3：RFID Gen II系统一次可提供近5瓦的射频功率。这允许感官标签从RF场收集足够的能量并传回。

为什么不使用Wi-Fi？

Wi-Fi发射器也能耗尽功率，可用作为传感器和收发器供电的能源。与低频无线充电器和UHF标签不同，Wi-Fi使用2.4和5 GHz频段并且“突发”并且有些不一致，因为它依赖于流量模式以及在许多时隙频率中放置一定量的RF能量酒花。

然而，这里有能源，华盛顿大学已经证明Wi-Fi信号可以为远程传感器，电池充电器和视频链路提供足够的能量。 > 1 （图4）。

图4：Wi-Fi驱动的传感器，电池充电器和视频链接现在开始取得进展。期待看到更多。

在生活区和工作场所长期和长期接触大量射频能量的安全性和影响方面，还有很多工作要做，也有很多讨论。但是使用RF进行能量收集的技术显然是可行的。由于发现了巧妙的方法来提取我们周围的能量，因此对于许多应用而言，使用能量电池和电池的需求最终可能成为过去。

有关本文中讨论的部分的更多信息，请使用提供的链接访问Digi-Key网站上的产品页面。

参考文献

Wi-Fi Ambient反向散射通信