如何从无线电波中进行能量收集

电力的无线传输经常会提出Nicola Tesla的图像以及他在一个世纪前的无线电力传输工作。众所周知的微波功率传输整流天线的发明者威廉·C·布朗（William C. Brown）写了一篇关于海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）工作技术的优秀历史回顾，该技术实际上早于特斯拉。¹虽然特斯拉的电网愿景从未被采用，目前正在实施更适合无线传输和军事和航空航天有用功率收集的其他应用。

对于能量收集，可以考虑两种方法 - 宽带或窄带。任何对射频技术的熟悉都会使人们认识到，通常需要花费大量精力来调整尽可能窄的频段。对于通信信令的无线电的典型使用，主要益处是降低通信信道外的其他信号的噪声和抑制。窄带设计还有两个对能量收集特别感兴趣的好处。专注于小范围的频率通常会在天线或电路中产生增益，并通过所有电路元件的匹配调谐来改善功率传输。但是，缩小收集频率的频带会产生有害的影响，即拒绝其他可能被清除的环境能量。超宽带（UWB）是一种通信协议，它利用更大的频率范围来提高某些应用的性能。宽带技术也用于能量收集应用，以收集具有最大能量密度的频带中最宽的频率阵列。

正如人们所预料的那样，大多数现成的天线都设计有针对RF信号窄带接收的特定调谐。在某些情况下，特别是对于移动电话应用，可以使用覆盖多个频段的天线。对于蜂窝GSM频段的天线，设计人员应考虑覆盖900 MHz和1.9 GHz附近五个主要蜂窝频段的Taoglas 931-1052-ND五频天线（图1）。另一种五边形天线可从Ethertronics获得。 939-1022-1-ND（图2）为2 GHz频段提供2.5 dBi的高增益，并且比Taoglas设计更短。

图1 ：Taoglas 931-1052-ND五频手机天线。

图2：Ethertronics 939-1022-1-ND五频手机天线。

对于能量清除，宽带天线允许一系列环境能带到为了收集更多的环境射频能量，需要接听。整流天线最初设计用于解决与大型微波管整流器相关的问题，用于包络检测和转换，以便在五十年代早期开发航空航天。基本思想是创建一个带有半导体二极管的小偶极子阵列，以在每个偶极子位置将RF能量转换为DC。这种设计概念对于能量收集应用很有用，尽管大多数设计人员都希望采用仅由单个偶极子而不是大型阵列组成的紧凑设计。毕竟，20世纪50年代试图为小型无人驾驶飞机提供动力的航空航天团队比现在的微功率电子传感器平台或电池涓流充电应用需要多出几个数量级的功率。

对于能量收集感兴趣的大多数频段的整流天线可以很容易地建立在一小块印刷电路板上。双面PCB允许一侧有偶极子图案，并且平衡 - 不平衡转换器通过第二侧馈电，可以定位整流和其他收集电子设备，如平均功率点跟踪（MPPT）IC，以创建完整的系统设计一个基板。 Pulsar 182-1027-ND PCB入门套件（图3）可用于在设计和布置后构建整流天线和收集电路。

图3：Pulsar 182-1027-ND Fab-in-a-Box PCB入门套件。由于与诸如手机之类的消费者设备相比，运营商使用的基站以相对较高的功率广播，因此蜂窝无线电频带受到特别关注。然而，人们还可以考虑随着无线局域网（WLAN）或Wi-Fi的出现作为用于笔记本电脑和其他便携式电子设备中的网络连接的普遍协议的消费级广播设备的激增。大部分Wi-Fi通信在2.4 GHz下进行。

来自荷兰埃因霍温的一个研究小组进行的一项有趣研究比较了窄带和宽带方法，以最大限度地提高微型传感器系统的功率输出.2松散的要求将研究人员推向了GSM和WLAN，因为这些频段允许使用印刷天线仅占几平方厘米，类似于上述的整流天线。

研究从农村到市中心的许多环境，荷兰小组得出结论，当接收天线距离GSM基站200米范围内时，可用的射频能量通常约为0.1 mW/m²（对于GSM- 900和GSM-1800）。

一般来说，射频功率随距离源的距离的平方而下降，因此接近发射天线非常重要。因此，该研究继续通过检查WLAN，因为发射器放置提供了将收割机定位在非常靠近电源的可能性。这项研究最有趣的结果是，一个小型LED可以直接从蜂窝手机供电，1 W峰值功率在大约20 cm的近距离范围内传输。该结果有望用于在具有密集的移动电话用户群的位置定位RF收获节点。

虽然蜂窝电话技术的发展趋势，包括新频段的推出，表明现有频道的能量密度可能会随着时间的推移而下降，但我们应该期望随着新的，更快的数据服务（如4G和4G），总的射频能量密度会增加。实现LTE并且可用频谱用于新应用。这些趋势表明，设计用于更宽频带扫描的RF能量收集系统可以提供更长的使用寿命。