射频功率采集:设计方法与应用综述

无线电力传输是近一个世纪前提出的概念。迄今为止取得的某些成就已经使电力收集成为现实，能够提供替代能源。本文对射频能量收集技术进行了综述，以期为射频能量收集装置的设计提供指导。由于能量收集电路被设计成在相对较小的电压和电流下运行，它们依赖于最先进的电气技术来获得高效率。因此，对各种设计及其权衡进行了全面的分析和讨论。最后，概述了射频功率收集技术的最新应用。

无线能量收集的动机

无线电力传输系统的早期定义是这样一种装置，它从一个地方发射电力，并在地球大气层的另一个地方捕获电力，而不使用电线或任何其他支撑介质[1］．自由空间射频功率清除的历史起源于20世纪50年代末的微波动力直升机系统[2］．后来，能量收集或能量清除的概念被解释为一种从外部环境中获取能量的技术，使用不同的方法，包括热电转换、振动激发、太阳能转换和压力梯度。这项技术有望在低功率电气设备和系统中取代小型电池。数字1介绍了射频能量收集系统的结构和影响整个系统性能的因素。

射频无线能量收集(WPH)在替代电池或延长电池寿命方面具有巨大潜力。目前，电池为大多数低功耗遥感设备和嵌入式设备提供动力。事实上，电池的寿命是有限的，需要定期更换。通过应用能量收集技术，设备和设备可以在运行所需的能量方面实现自我维持，从而获得无限的运行寿命。因此，电力维护的需求将变得可以忽略不计。

WPH的来源有多种形式，例如太阳能[3.- - - - - -5]、风能[6- - - - - -8]、热能[9- - - - - -11]、电磁能[12- - - - - -14]，动能[15- - - - - -17)等。其中，电磁能量在空间中是丰富的，可以不受限制地回收。电磁波来自各种来源，如卫星站、无线互联网、无线电台和数字多媒体广播。射频电力收集系统可以捕获电磁能量并将其转换为可用的直流(DC)电压。射频功率收集系统的关键单元是天线和整流电路，它们允许射频功率或交流电(AC)转换为直流能量。

电池废料的处理是一个关键问题。大部分电池最后都被扔进了垃圾填埋场，导致了地下土地和水的污染。减少电池浪费最有效的方法是避免使用电池。应用WPH技术将有助于减少对电池的依赖，最终将对环境产生积极的影响。此外，利用电磁能的过程不会产生废物，因为它是一种清洁能源。

表中概述了目前可用于电力收集的能源1．表中数据1取自参考文献[18，19］．与热能或动能相比，电磁能不受空间和时间的限制。射频波在室内和室外，在农村和城市地区，全天都可用。尽管其在环境中的功率密度较低，但可以添加有意的电源以实现更有效的功率传输，并可以构建升压电路以适应负载应用的要求。这一特性促进了通过无线传感器网络(WSNs)和物联网(IoT)等应用实现射频WPH技术的研究。

了解电磁波对设计射频WPH系统非常重要。电磁波的行为随距离、频率和传导环境的不同而不同。根据应用的要求，设计人员需要为电磁波选择合适的参数，以获得最佳效果。

空间中的功率损耗可以用自由空间路径损耗(FSPL)来表征，它是信号在自由空间传播过程中的功率损耗。计算FSPL需要有关天线增益、发射波频率以及发射机和接收机之间距离的信息。

电磁波的特性取决于与发射天线的距离。这些特征可分为两部分:远场和近场[20.］．远场的电磁波波形比较均匀，而近场的电磁分量非常强，相互独立，一个分量可以支配另一个分量。近场区域被认为是位于夫琅和费距离内的空间，远场区域位于夫琅和费距离外。近场和远场区域的分布如图所示。2．夫琅和费距离定义为

在哪里d_f为夫琅和费距离，D散热器的最大尺寸(或天线的直径)，和λ是电磁波的波长。虽然夫琅和费创造了一个边界区域，但区域之间的实际过渡并不明显。在近场内，空间距离天线有一段距离\ \√[3]{{\压裂{D}{2 \λ}}}\)是一个非辐射/反应性近场区域，其中E场和H场不在相位，产生能量畸变。当我们在这个区域向远场向前传播时，我们会遇到一个辐射近场或菲涅耳区域，在那里电磁波的反应行为不占主导地位，但E场和H场的相位仍然随距离而变化。

对于远场自由空间中的发射-接收天线，接收天线上的功率传播可以表示为

在哪里P_R是电源在接收天线;G_R为接收机天线相对各向同性源的增益(dBi);\λ(\ \)是电磁信号的波长，等于真空中的光速除以信号频率，\(\lambda = \frac{c}{f}\)；k = 2π/λ是波数。由上式可知，FSPL，P_l对于远场可以推断为

或

以防f测量的单位是MHz，距离R是以公里为单位，而增益呢G_T而且G_R以dBi为单位，则上述函数为

利用路径损耗方程，可以表示远场区域的信号功率。但是，这个方程并没有给出所有影响传播过程的因素，如反射、衍射、吸收等。

与均匀的远场波相反，电场和磁场在近场表现异常。近场电磁波之间的关系随时间和空间的变化是不可预测的，而且太复杂而无法预测。所有这些因素使得在这一范围内估计功率密度成为问题。

FSPL估计过程对能量收集装置的设计至关重要。了解系统需要处理的电量有助于设计者选择正确的技术和方法。

由于电磁场(EMF)被广泛应用于各种用途，因此必须有一个标准来确保EMF设备的安全运行。为此目的，国际电工委员会[21]制定了电磁场的国际标准和频率限制。就安全措施而言，广播、通信、军事、医疗和家用电器等每一类应用都必须有单独的排放和免疫标准。

另一方面，必须仔细考虑辐射暴露，特别是在生物医学应用中。不同频谱的电磁场对人体的影响不同。在1兆赫到10兆赫频率之间，电磁场可能穿透组织并因能量吸收而产生热量。超过10ghz的电磁场会被皮肤强烈阻挡，如果磁场密度超过1000w /m，产生的热量会导致白内障或皮肤灼伤等损伤²．为了防止在使用EMF应用时对健康产生负面影响，国际非电离辐射保护委员会(ICNIRP)制定了世界卫生组织(WHO)认可的EMF暴露极限通用准则。迄今为止，还没有一致的报告证实长期暴露于EMF会缩短人的寿命或导致不利的健康状况。然而，出于安全考虑，必须仔细考虑射频发射功率和频率，以避免不必要的损坏。

有各种各样的参数需要评估，这决定了WPH设计的性能。评价依据不同的应用而有所不同。但是，我们定义了效率、灵敏度、操作距离、输出功率等临界值作为标准进行比较。然而，这些值之间存在权衡，如操作距离和整体效率。此外，除了这一优点外，其他制造辅助因素，如低成本、制造工艺的成熟度和批量制造的可用性也是至关重要的。

操作范围

操作距离主要与操作频率有关。事实上，大气条件对高频辐射的影响比低频辐射更大，而低频辐射穿透物质的深度更大。因此，如果WPH应用于植入式设备，则发射频率不应超过兆赫范围。

RF-DC功率转换效率(PCE)

这是施加于负载的功率与天线接收到的功率之间的比率。通常，RF-DC PCE包括整流、电压倍增器和存储元件的效率。PCE可以简单地计算为交付给负载的功率与检索功率的比率。在此术语中不考虑空间中的射频传输损失。

P_负载功率是否传递到负载和P_检索在天线处收集能量。决定PCE值的因素包括寄生效应、电路漏电、设计拓扑和电气元件的非线性阈值。

谐振器Q因子

Q因子通常被定义为描述共振强度和共振带宽的无量纲值[22］．在电路中，Q因子表示当系统在谐振频率上谐振时，峰值电压增加了多少。根据这个概念，Q因子的方程可以表示为[23]:

由上式可知，高Q因子伴随较窄的谐振带宽而来，但在谐振时获得较高的电压增益。此外，该方程还表明Q因子与每周期耗散的能量成反比。电容C和电感L在频率ω处的具体Q因子由

在R_C电容和R的串联电阻是多少_l是电感的串联电阻。从Q的方程_C和问_l，我们注意到电阻分量是功率损耗的原因。此外，在电路中，可以通过添加无功元件，如电容器或电感和尽量减少电阻元件来减少能量损失。由于在设计WPH系统时通常要考虑获得高Q因子，因此阻抗匹配网络设计中通常包含这一特性。

灵敏度

WPH系统的灵敏度定义为触发系统运行所需的入射功率的最小限制。灵敏度量化如下:

其中P是系统执行任务所需的最小功率。

CMOS技术的阈值电压影响灵敏度。较低的阈值CMOS更敏感，但会带来更大的泄漏电流，从而降低整体效率。

输出功率

通常，WPH系统的输出是直流电源，其特征是负载电压V_DD和电流I_DD．通过测量开载电压，可以看出WPH的总体性能_DD和我_DD取决于负载阻抗。如果负载是传感器，V_DD比我重要吗_DD而在电解或LED等应用中，电流是主要参数。

天线/微波设计

增益、谐振频率、带宽是表征天线性能的参数。假设空间通畅，发射源各向同性，波在各个方向的传播是均匀的。因此，距离源一段距离的单位面积功率与距离的平方成反比:

其中R是到源的距离，S是距离R处单位面积的功率，和\ (P_ {T} \)是发射功率。

然而，需要注意的是，天线并不总是球形传输能量(各向同性天线)，它们也会根据其设计向某些特定方向传输能量。天线在一定距离上的最大功率密度与在相同距离上辐射相同功率的最佳全向或各向同性天线的功率密度之比称为天线增益(G)。该参数表示天线的方向性。由于功率密度(S)是无方向性的，因此S的定义是方向的函数，即S (θ，\ \ varphi \ ())．因此，天线的增益也是一个方向函数。它定义为天线在给定方向上的功率密度与各向同性天线功率密度的比值，如下式所示

因此，在距离天线R处的功率密度一般由

P_T天线的发射功率和G_T是发射天线增益。已知理想各向同性天线具有G_T= 0 dBi。上述公式同样适用于接收天线。具体地说，对于能量收集应用，构成整流器的接收天线称为整流天线。

对高增益天线的偏好取决于应用需求。在射频传输的情况下，如果源和接收天线的位置是已知的，那么高增益整流天线是有利的。另一方面，如果源天线和接收天线的位置相对不确定，为了同时收集来自各个方向的信号，最好使用低增益天线。

每个天线都有自己的最佳工作频率，即谐振频率(图2)。3.)．谐振频率由天线的电容和电感特性决定。随着频率的增加，感应行为成为主导，电容减少。电感和电容相互抵消，使天线阻抗最小化的频率称为谐振频率。

电容和电感是天线频率和物理尺寸的函数。天线尺寸越大，谐振频率越低。因此，发射和接收低频波需要大孔径，不适合小器件应用。天线设计于[24灵敏度低至- 35 dBm (0.32 μ W)，但代价是大尺寸孔径可达64.68 cm^3.(7 × 7 × 1.32厘米)。

天线的带宽是天线能有效工作的频率范围。宽频带天线比窄频带天线能从更宽的频率范围内收集信号。因此，宽带天线在回收入射能量方面是有利的，但通过不需要的频率产生噪声干扰的风险很高(表2)2)．

通信天线的研究已经进行了几十年。然而，能量收集天线目前还处于发展阶段。最初，天线分类是根据设计特点和应用进行的。它最初包括有线天线、孔径天线、印刷平面天线和反射面天线。图中显示了天线的一些例子的说明。4．迄今为止，技术的发展已经为各种天线设计和制造方法铺平了道路，使其更加紧凑和成熟。

平板天线很受欢迎，有很多用途[27，34，38];片上天线是小型和紧凑应用的首选。最近，许多出版物涉及宽带和多波段天线。事实证明，窄带天线能提供较高的能量转换效率，但只能回收有限的能量。另一方面，宽频或多频天线可以在空间中回收更多的射频能量。然而，代价是低整体效率和大口径。在[32]，设计了共振频率为4.9 GHz和5.9 GHz的天线，pce分别为65.2和64.8%。Lu等人的进一步研究[26的研究结果支持这样的断言，即扩大天线的带宽会增加收集的电量。在这项工作中，具有三种独立模式的宽带极化天线的演示使天线可以在更宽的频率范围内工作。上述工作中的一种常见机制是通过开关二极管来控制天线配置，从而改变其谐振频率。然而，由于它对不同的频率使用不同的模式，这种天线不能同时在两个频率上共振。另一方面，天线呈现在[39]能够同时工作在2.45和5.8 GHz，提供2.6 V输出，PCE为65%，功率密度为10 mW/cm²．

阵列中天线对齐的主要目的是提高天线增益，获得高电压/电流。阵列天线优于大口径天线，因为它们不需要大击穿电压二极管来工作。天线阵列可在整流前或整流后进行连接。第一种配置增强了在主梁处的检索功率，而第二种配置扩展了从远离主梁的各个角度检索功率的能力[40］．如果射频波在整流之前被组合，整流需要一个大的击穿二极管。如果射频波整流后组合，组合直流电流就会成为问题。天线阵列可以串联或并联以获得高电压或大电流。尽管如此，扩展数组产生更好的输出，但这可能会导致转换效率的降低[33］．

为了演示天线阵列，Sun等人。[35他发明了一个t型结，将四个准八木天线连接在一起。这项工作的进步在于，t结可以灵活地从1 × 4阵列切换到2 × 2阵列拓扑。因此，该系统能够在低至455 μ W/cm的环境功率水平下运行²同时获得40%的PCE。

在低功耗电气系统中，传输过程中的漏电可能导致能量不足。在这种情况下，添加阻抗匹配网络(IMN)可以确保RF源和负载之间的最大功率传输。对于WPH应用，接收天线被认为是源，而整流/电压倍增器被认为是负载。在直流系统中，当电源和负载的电阻不可区分时，功率传输是最优的。在射频电路中，指的是阻抗而不是电阻。源和负载之间的阻抗不匹配会在电路中产生反射功率流，从而降低系统的效率。顾名思义，IMN通过在两者之间添加无功分量来确保源阻抗和负载阻抗相同。

有三种基本的匹配构型，即L、T和π匹配网络(图2)。5)．L匹配是常用的，因为它通常有两个组件，这简化了设计和控制过程。此外，L匹配网络不会改变电路的质量因子(Q)。

T和π匹配构型比L网络更复杂。此外，将T和π构型组织到多个阶段将保留最终的匹配结果，但将改变Q因子。该策略对提高升压效果很有帮助。

IMN的属性之间存在权衡，包括频率、带宽、可调节性和复杂性。例如，在[41]，引入次优阻抗匹配和多端口阶梯匹配方法，分别提高天线的匹配性能和收获功率。然而，与传统的匹配网络相比，实现这些配置需要更多的组件，从而增加了电路的复杂性。

Etor等人[42]设计了一种用于太赫兹频率应用的IMN，使用传输线和自行设计的金属-绝缘体-金属二极管，而不是集总组件。固定IMN和可调IMN [43- - - - - -45]作为一种更好地与宽带和多波段天线匹配的技术。

从自由空间提取的射频能量通常具有较低的功率密度，因为电场功率密度以1/d的速率下降²，其中d为到射频源的距离[46］．因此，需要一个功率放大器电路，从电磁波中产生足够的直流能量来驱动负载。这就产生了两种可能，如果负载的功耗低于平均功率采集，则负载下的电子设备可能会连续工作;否则，如果负载消耗的能量超过了电力收集电路所能产生的能量，则设备不能连续工作[47］．

整流是二极管最普遍的应用，它指的是交流电流到直流电流的转换。在功率采集应用方面，天线接收到的射频信号为正弦波。通过IMN变换后的信号将被整流和提升，以满足应用的功率要求。

整流器最基本的拓扑结构是半波整流器，包括一个二极管D1(图1)。6a).当交流电压通过D1传输时，只剩下正循环，负循环被切断;因此，它减少了一半的交流功率。此外，输出V_出是不连续的，因为负循环被截断了。尽管它简单，半波整流器通常不适用于常见应用。因此，全波整流器更可取。全波整流电路设计如图所示。6b.在交流输入的第一个负循环中，二极管D1导电，电容器C1充电到对应的V能级_峰输入的。然后，在下一个正循环中，二极管D1被阻塞，二极管D2导电，因此电容器C2也带电。因此，输出V_出会看到两个串联的电容器(每一个都存储V_峰)．因此,V_出是V的两倍_峰．因此，这种拓扑结构比半波整流器更加稳定和高效。还有一个桥式整流器，整流交流输入的正循环和负循环，但保留V_出= V_峰通过交替阻塞二极管D1, D4和D2, D3(图2)。6c)。

电压倍增器是一种特殊类型的整流电路，它将交流输入转换为直流输出。在某些情况下，整流功率不足以满足应用，需要通过将单个整流器堆叠成串联，形成电压倍增器来提高输出直流[48］．电压倍增器的几种配置如图所示。7．最基本的配置是Cockcroft-Walton电压倍增器(图2)。7a).该电路的工作原理类似于全波整流器(图;6B)，但具有更高的电压增益级。图中的Dickson乘法器。7b是Cockcroft-Walton配置的修改，级电容器被分流以减少寄生效应。因此，迪克森乘法器更适合于小电压应用。然而，由于二极管之间的高阈值电压会产生漏电流，从而降低了整体效率，因此很难获得高PCE。此外，对于高电阻负载，输出电压急剧下降导致低电流供应负载。表中列出了近年来有关电压倍增器的工作概况3.．

MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)技术正在克服二极管的限制，成为整流和增强的替代解决方案。由于MOSFET技术，Dickson乘法器可以通过用NMOS代替二极管集成到集成电路(IC)中，如图所示。7c.该设计具有较低的阈值电压和较高的pce。此外，差分驱动电压倍增器(图;7D)由于其低泄漏电流和进一步修改特定应用的潜力而被广泛使用。详细的解释和分析载于[49，50］．

电压倍增器的级数与其灵敏度和效率之间有很强的关系。随着压裂段数的增加，每增加一级的损失就会增加。然而，在第一阶段的代价是较高的电压倍增和较小的阈值电压。另一方面，具有几个级的电压倍增器在其级之间有更小的电压降，但需要更高的阈值电压才能同时工作。因此，电压倍增器在存在大量级时变得更敏感，在较少级时变得更有效。几项研究分析了这种权衡特征[53，58］．因此，应根据应用目标考虑最佳阶段数。

整流元件如二极管或晶体管是整流/电压倍增器组不可缺少的组件，它决定了工作频率和功率转换效率。传统上使用肖特基二极管，因为它的阈值电压低。此外，还有Esaki(隧道)二极管，金属-绝缘体-金属(MIM)二极管和自旋二极管，最近的技术改进使其更加成熟。特别是，Esaki二极管由于其寄生元件低，可以工作在非常高的频率和快速响应。此外，MIM二极管技术使与CMOS工艺集成成为可能，这是肖特基二极管的局限性。自旋二极管比肖特基二极管提供更低的阈值电压。

在选择二极管设计电压倍增器时，有几个参数需要考虑。这些包括射频到直流功率转换效率、寄生效率和匹配效率。当涉及到微瓦应用时，肖特基二极管在RF-DC转换效率方面面临一些限制，因为它们具有较高的零偏结电阻[59］．然而，由于最近技术的发展，如果回收功率小于−30 dBm(1µW)，那么建议使用低势障SMS7630和VDI W- band ZBD二极管，因为它们在匹配网络中具有低寄生功率损耗和低功耗[60］．

最近，许多出版物已经转向CMOS工艺，因为它们不仅有助于电子产品的定制设计，而且比传统肖特基二极管对低操作电压更敏感。许多研究专注于修改现有的整流器和电压倍增器拓扑，以实现更高的增益，灵敏度，效率[52，55- - - - - -57，61］．例如，电压倍增器在−24 dBm(4µW)时的PCE最大值为11% [62在−20.6 dBm(8.7µW)输入功率时，41% PCE [57］．虽然大多数出版物在其工作中使用了0.18 μ m CMOS技术，[52]应用商用40 nm CMOS工艺构建低压工作电压倍增器，在390 mV输入时达到44% PCE。Hwang等人。[54]采用减小反向损耗的方法，使整流器中的反向漏损最小化，从而提高整体效率。

与肖特基二极管类似，在设计定制CMOS电压倍增器的任务中，级的数量直接决定了性能效率。使用晶体管时的一个基本假设是，天线接收到的射频信号必须足够高，才能触发晶体管的开关。不同的电压倍增器拓扑结构具有不同的特点和特点。然而，在设计中只要使用晶体管，晶体管之间就存在相当大的压降。研究发现，整流电压降的主要原因是阈值损失。如果级数增加，晶体管上的阈值电压也会增加，需要更高幅度的RF信号来触发晶体管[62］．因此，大多数出版物的阶段数通常不超过10个。

单个模块的效率和所有模块的集成共同构成了WPH系统的总效率。因此，优化整体效率的唯一途径就是使各个模块的效率最大化，并使之和谐统一。通常，要得到一个优化的WPH系统，需要进行几次测试和调整。设计WPH系统的工作流程如图所示。8．

首先，根据应用的要求选择合适的工作频率是决定WPH系统效率的关键。其次，还需要明确操作范围。远程(远场)电力收集或传输需要2.45、5.24 GHz等高频率，而短距离(近场)应用则需要频率在兆赫范围内的电磁波。此外，对于不同于空气的密集环境中的电力收集，非常低的频率(~kHz)是更可取的。除了工作频率和距离外，所需的输出功率和电压决定了电压倍增器的合适拓扑结构。

根据工作和应用，天线的设计必须与增益、频率和尺寸相匹配。选择正确的矫正元素也很关键。对于整流模块和电压倍增器模块，RF-DC PCE对频率和输出负载的依赖关系在[50］．此外，它有义务有一个正确调优的IMN在WPH电路内的最大功率传输。

WPH系统各个模块的详细特性将在前面的章节中进行解释和讨论。优化WPH系统的问题变成了定义目标并将各个模块和谐地集成以存档目标的游戏。

医疗保健领域的射频能量收集

为了在现实世界中部署WPH，设备的功耗应该小于收集的功率。由于回收功率不稳定且难以预测，因此建议使用储能模块来提高其一致性。如果将WPH作为单个芯片系统集成到设备中，则系统的总尺寸将显著减小。

首个无线无电池芯片生物信号处理系统[63]由[介绍]64］．该系统能够通过心电图(ECG)、肌电图(EMG)和脑电图(EEG)对各种生物信号进行监测。芯片总尺寸为8.25 mm²．该芯片仅消耗19 μ W来测量心率。该系统的电源模块包括一个由热电发电机支持的RF WPH，它们共同提供1.35 V的电压。表格4介绍了几种芯片健康监测系统的性能。大多数芯片具有体积小、供电电压低、功耗低等优点，适用于与WPH技术集成。

事实上，相当数量的电视广播信号从未到达电视机。幸运的是，WPH技术可以利用这些浪费的能量，而不会对电视广播质量造成任何影响。在此背景下，Nishimoto等人。[71]已经探索了这种潜在的能源，以从温度监测传感器网络中移除电池。针对电视广播功率密度较弱的特点，设计了一种阵列天线来采集多频波。与[设计的天线阵列相比72]，在15 ~ 800 MHz频率范围内，天线整流效率提高了50%。据报道，该设计成功地测量和传输数据每5秒。

在一些不可避免的自由运动的研究实验中，刺激信号和响应数据必须通过无线传输和收集。在这种情况下，与电感耦合传输技术相比，射频WPH是为无线系统供电的更好选择。Cobo等人设计了一种由电感耦合线圈驱动的植入式微型泵。即使这项工作获得了高效率的电力传输，但操作范围仅限于距离电源几厘米。另一方面，在[73]，射频电磁波被部署为光遗传微针提供动力，并将其无线注射到小鼠体内。本文设计的WPH能够在距离7.9 W源1 m的距离上以910 MHz的频率回收4.08 mW的功率。另一个整流天线安装在小鼠头上，用于深部脑刺激(DBS)设备[31］．在该系统中，功率收集模块在最大运行距离为20 cm时，可回收0.254 mW的直流功率。有了这个可用的功率，DBS设备产生200µA的130 Hz脉冲。上述结果表明，射频WPH技术比传统电感耦合功率传输技术提供了更好的工作范围。现在有可能收集足够的电力来运行米范围内的低功耗设备。用于监测和研究各种健康指标的无创生物遥测系统是WPH技术的一个有前途的领域。程等人。[74]介绍了一种能量收集设计，包括连接到猪眼的环形天线，PCE为31%，输出功率高达2.10 mW。此外，在体内实验中，使用WPH技术提供用于快速眼睛植入的医疗设备被证明没有记录副作用[63，75］．

近年来，随着微机电系统技术的发展，无线传感器网络得到了广泛的应用。这一领域已经取得了几个里程碑，并仍在进一步发展。无线传感器网络应用广泛，从智能家居、医疗保健到工业和军事。除了传感可靠性、通信协议和网络服务的问题外，能量也是wsn中的一个关键问题[76］．传感器网络的传感器节点是低功耗器件，降低能耗和利用WPH补充电力存储元件是实现网络寿命最大化的两种并行方案。最近，研究人员进行了几项研究，以寻找功率传感器网络的优化方法，包括射频功率收集[77- - - - - -81］．

能源是部署传感器网络的最大挑战[82］．应用射频能量为电池充电是提高无线传感器网络寿命的一种方法[83，84］．Lee等人。[85]是利用WPH技术的射频充电器的一个例子。该系统能够在频率范围为1.96 ~ 1.98 GHz的最小输入功率−10 dBm (0.1 mW)的情况下为5 V超级电容充电。在6 dBm (3.98 mW)时，最大射频到直流功率转换效率为81%。Gudan等人[86]还设计了一个WPH系统，可以使用环境Wi-Fi或蓝牙信号为镍氢电池充电。当灵敏度降至−20 dBm时，该系统能够在1小时后将电池充电到5.8µJ。

表格5列出了一些可以与WPH模块集成的低功耗传感器应用。这些传感器大部分由电池供电，寿命有限。一旦WPH技术在这些应用中实现，它就可以作为无线传感器节点使用。特别是，在[81]利用射频功率采集到无线传感器网络，用于建筑物结构监测。在这项工作中，采用新颖的数据传输方法开发了远场射频供电无线传感器，以检测建筑物内的湿度、温度和光线。结果表明，在距离3w电源1米的距离上，传感器节点通过空气接收到3.14 mW的功率，通过2英寸砖接收到1.53 mW的功率，通过木材接收到2.88 mW的功率，通过2英寸钢接收到0.7 mW的功率。这一功率对于[中提出的传感器是足够的。88- - - - - -91］．这一结果表明了射频WPH在无线传感器网络中的适用性。

此外，功率发射器和传感器节点在wsn中的布置也对系统的效率起着至关重要的作用[94- - - - - -96］．为了增强射频传输的指向性，Shao等人[97]提出了一种波束操纵天线阵列，将其主波束导向能量收集单元。通过控制阵列中每个天线单元的传输线长度，各单元之间的相位辐射差产生了主波束的位移。通过这种方式，收获单元仍然提供能量，即使它与源错位35°。使用载于[98]作为演示，在1分钟内，该系统能够在距离波束转向源天线阵列2 m的距离上收获0°下的68.7 μ J和35°下的13.6 μ J。

本文综述了近年来射频功率采集技术的最新进展。在不久的将来，这项技术将在取代电池方面发挥关键作用。射频功率采集的一些应用已经实现。一个基本的射频功率收集单元包括三个主要模块:天线、IMN和电压倍增器。系统的整体效率取决于各个模块的协调整合。文中还讨论了各模块的设计原理。

射频电磁波是无害的，在太空中大量存在，并且能够穿透软组织。这些特性使得射频电磁波在许多应用中成为替代电池的替代能源。特别是，射频功率收集支持低功耗医疗和保健设备，并通过提供使用的移动性促进无线传感器网络和物联网的发展。此外，将射频功率收集电路集成到CMOS技术中的进展创造了一个完全无线的SoC。

除了近年来不断取得的成果外，射频功率收集技术仍有许多有待进一步优化的空间，如增大工作范围、降低传输损耗、优化PCE、最小化系统尺寸等都是射频功率收集研究的目标。此外，针对RF WPH的恶劣工作环境(如植入条件或水下区域)的研究正受到广泛关注，以扩展该技术的能力。要使这项技术成熟，就必须采用具有成本效益的精细制造和包装工艺。

总之，射频WPH技术正逐渐成为现实。尽管这项技术仍面临许多问题，但克服这些挑战可以引领电力行业进入清洁和可持续能源的新时代。

LGT进行了文献检索并撰写了手稿。HKC和WTP审阅/编辑了手稿。所有作者都阅读并批准了最终的手稿。

相互竞争的利益

作者宣称他们之间没有利益冲突。

资金

这项工作得到了韩国贸易、工业和能源部(MOTIE)工业源技术发展项目的10060065号资助。这项工作还得到了韩国科学、信息通信技术和未来规划部资助的韩国国家研究基金会(NRF-2013M2A2A9043274)辐射技术研发计划的支持。

作者及隶属关系

1. 首尔国立科技大学生物医学工程与生物材料融合研究所，韩国首尔

   Le-Giang Tran & Woo-Tae Park

2. 首尔国立科技大学电气与信息工程系，首尔，韩国

   Hyouk-Kyu Cha

3. 首尔国立科技大学机械与汽车工程系，首尔，韩国

   Woo-Tae公园

相应的作者

对应到Woo-Tae公园．

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