射频功率收获:对设计方法和应用程序审查

近一个世纪前无线电力传输的概念。取得某些成就迄今为止已经收集现实力量,提供替代能源的能力。本文提供了一个夏射频(RF)权力的必要为了收获技术作为指导射频能量收获的设计单位。因为能量采集电路设计与相对较小的电压和电流,他们依靠最先进的电子技术获取效率高。因此,综合分析和讨论各种设计和他们的权衡。最后,最近的应用功率收割了。

动机无线能量收获

无线电力传输系统的早期定义描绘了一个单位,从一个地方发出电力和捕捉它在另一个地方在地球的大气层,而无需使用电线或其他支持介质(188bet登录网址 ]。功率扫在自由空间的历史起源于1950年代末microwave-powered直升机系统(188bet登录网址 ]。之后,收获力量或能量收集的概念解释为技术获得能源使用不同的方法从外部环境包括热电转换、振动激发,太阳能能量转换,压力梯度。这种技术承诺大范围的小型电池的更换低功率电子设备和系统。图188bet登录网址 介绍了射频能量收集系统和结构因素对整个系统的性能。

射频无线电力收获(WPH)拥有巨大潜力取代电池或增加他们的寿命。目前,电池功率大部分远程传感器设备和嵌入式设备低功耗。事实上,电池寿命有限,需要定期更换。运用权力获取技术、设备和设备可以成为自给自足操作所需的能量,从而获得无限操作寿命。因此,电力需求维护将变得微不足道。

WPH可用的来源多种多样,如太阳能发电(188bet登录网址 - - - - - -188bet登录网址 ,风能188bet登录网址 - - - - - -188bet登录网址 ],热能[188bet登录网址 - - - - - -188bet登录网址 ),电磁能量(188bet登录网址 - - - - - -188bet登录网址 ),动能(188bet登录网址 - - - - - -188bet登录网址 )等。其中,电磁能量丰富的空间和可以无限制的检索。电磁波来自各种渠道如卫星电台、无线互联网,广播电台和数字多媒体广播。射频功率收集系统可以捕获和电磁能量转换成一个可用的直流电(DC)电压。射频功率收获系统的关键单元天线和整流电路,使功率或交流电(AC)转换成直流能量。

电池废料的处理是一个关键的问题。大多数电池最终在垃圾填埋场,导致下面的土地和水的污染。最有效的解决方案,减少电池废料是避免使用它们。应用WPH技术将有助于减少依赖电池,最终将对环境产生积极的影响。此外,利用电磁能量的过程不会产生废物,因为它是一种清洁能源。

总结目前的能源可供电力收获表所示188bet登录网址 。表中的数据188bet登录网址 收集从引用188bet登录网址 ,188bet登录网址 ]。与热能或动能相比,电磁能量不是时间或空间的限制。射频波在室内和室外都是可用的,在农村和城市地区,在整个一天。尽管环境中的功率密度很低,可以添加一个有意的来源更高效的电力传输和提高电路可以构建适合装载应用程序的需求。这个特性促进研究实现射频WPH技术通过应用,如无线传感器网络(网络)和物联网(物联网)。

了解电磁波对设计一个射频WPH系统很重要。电磁波的行为根据距离、不同频率,并进行环境。根据应用程序的需求,设计师需要选择合适的参数电磁波来获得最好的结果。

损失的权力空间可以以自由空间路径损耗(FSPL),这是信号在自由空间的传播力量的损失。天线增益的计算FSPL需要信息,发射波的频率,发射机和接收机之间的距离。

电磁波的行为取决于发射天线之间的距离。这些特征是分为两个部分:远场和近场188bet登录网址 ]。而电磁波远场模式的相对统一,在近场,电和磁组件非常强大和独立的,这样一个组件可以主宰另一个。近场区域被认为是谎言的空间在弗劳恩霍夫的距离和远场区域位于弗劳恩霍夫的距离外。近和远场区域的分布见图。188bet登录网址 。弗劳恩霍夫的距离被定义为

在哪里d_f弗劳恩霍夫的距离,D是散热器的最大尺寸(或直径的天线),然后呢λ电磁波的波长。虽然弗劳恩霍夫创建一个边界地区,实际不清楚之间的过渡区域。在近场天线的空间距离\ \√[3]{{\压裂{D}{2 \λ}}}\)是一个无辐射/无功近场区域,E和H字段不是在阶段,创造能源失真。当我们对远场传播在这个地区,我们遇到一个辐射近场或菲涅耳区,电磁波的反应性行为不是占主导地位,但H E和字段的阶段仍然随距离。

收发天线的远场自由空间,传播力量的接收机天线可以表示为

在哪里P_R在接收机天线就是力量;G_R接收机天线增益相对于各向同性源(dBi);\λ(\ \)电磁信号的波长,这等于光速在真空除以信号频率,\ \(λ= \压裂{c} {f} \);和k = 2π/λ是波数。从上面的公式,FSPL,P_l远场可以推断

或

以防f以兆赫,距离R以公里,获得G_T和G_R是以dBi,上述函数变得

通过使用路径损耗方程,可以显示信号功率在远场区域。然而,这个方程不存在所有影响传播过程的因素,如反射、衍射、吸收等。

在统一的远场波相比,近场电场和磁场的行为异常。电和磁波近场之间的关系不可预知的变化与时间和空间和过于复杂的预测。所有这些因素在这个范围内功率密度估计的问题。

FSPL估计过程是设计能源采集单元的关键。被告知所需的电力系统处理帮助设计师在选择正确的技术和方法。

由于电磁场(EMF)被广泛用于各种各样的目的,必须有一个标准来确保EMF设备的安全运行。为此,国际电工委员会(188bet登录网址 )建立国际标准和频率限制动势。安全措施,必须有一个单独的排放和免疫标准为每个类的应用程序包括广播、通信、军事、医疗、家用电器。

另一方面,必须仔细考虑辐射,尤其是在生物医学应用。电磁辐射在不同光谱影响人体不同。1 MHz到10 GHz频率之间,EMF可能渗透到组织和产生热量,因为能量吸收。电磁辐射超过10 GHz强烈被皮肤,然后创建的热量造成损害,如眼白内障或皮肤灼伤如果场密度高于1000 W / m²。希望防止负面健康影响在利用EMF应用程序时,国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)开发的通用指南EMF接触限度承认在世界卫生组织(世卫组织)。到目前为止,没有一致的报道确凿,持续暴露于EMF缩短人的寿命或诱发不良健康状况。然而,对于安全问题,必须仔细考虑射频发射功率和频率,以避免不必要的损失。

有各种各样的参数,需要评估,决定WPH设计的性能。评估价值变化取决于不同的应用程序。然而,效率等关键值,灵敏度、操作距离,输出功率定义为标准进行比较。然而,这些值之间存在权衡等操作距离和整体效率。此外,除了这个优点,其他生产辅助低成本等因素,成熟的制造工艺和批量生产可用性也至关重要。

操作范围

操作距离主要与操作频率。事实上,在高频传输衰减的大气条件比在低频率而低频穿透更深的问题。因此,如果应用程序WPH植入式设备,然后发射频率不应超过兆赫范围。

RF-DC功率转换效率(PCE)

这是力量的数量之间的比率应用于负载和检索的天线。通常,RF-DC PCE包括整流器的效率、电压乘法器和存储元素。PCE的比例可以简单地计算功率交付给负载的检索能力。射频传输损耗计算没有考虑在太空这一项。

P_负载就是力量传递到负载和P_检索天线是收获的力量。因素决定PCE的价值包括寄生效应、泄漏电路,设计拓扑结构和电气组件的非线性阈值。

谐振器品质因数

Q因子通常是定义为一个无量纲值,描述了强共振的共振和带宽188bet登录网址 ]。电路的品质因数是多少峰值电压增加时,系统谐振频率的共振。从这个概念,品质因数的方程可以表达如下公式(188bet登录网址 ]:

从上面的方程,它是被推断出来的高品质因数有狭窄的共振带宽,但高电压增益获得共鸣。此外,这个方程也表明,品质因数是每周期损耗的能量成反比。电容C和电感L的特定品质因数在频率ω是给定的

在R_C是电容器的串联电阻和R_l是电感的串联电阻。方程的Q_C和问_l,我们注意电阻组件功率损耗的原因。此外,在一个电路,可以减少能量损失增加活性成分如电容器、电感和电阻元件的最小化。自获得高品质因数通常考虑在设计WPH系统,这种特性一般是包含在阻抗匹配网络的设计。

灵敏度

WPH系统的灵敏度定义为入射功率的最小限制触发所需的操作系统。敏感性量化如下:

P是最小电力系统需要执行一项任务。

CMOS技术的阈值电压影响的敏感性。较低的阈值CMOS更敏感,但有更多的泄漏电流,从而降低整体的效率。

输出功率

通常的结果WPH系统是直流电源,它的特点是负载电压V_DD和现在的我_DD。测量负载电压V以来展示WPH一般的性能_DD和我_DD取决于负载阻抗。如果负载是一个传感器,V_DD比我更重要吗_DD在应用程序(如电解或LED,电流的主要参数。

天线/微波设计

增加,共振频率、带宽参数,描述天线的性能。假设一个畅通无阻的空间和各向同性发射源,波的传播在所有方向是一致的。因此,单位面积上的权力距离源距离的平方反比关系:

R是源的距离,S是单位面积上的权力距离R,然后呢\ (P_ {T} \)是传输功率。

然而,重要的是要注意,天线并不总是传输能量球(各向同性天线),他们也传递能量在某些特定的方向根据他们的设计。之间的比率的最大功率密度天线在给定距离最优全方位的功率密度或各向同性天线在同一距离,辐射相同的力量,被称为天线增益(G),这个参数代表了天线的方向性。因为功率密度(S)是无方向性的,年代的定义开发方向的函数即S(θ,\ \ varphi \ ())。因此,天线的增益是一个方向性函数。它被定义为天线的功率密度的比值在给定方向的功率密度各向同性天线如下公式

因此,功率密度在远处从天线一般是由R

P_T天线的发射功率和G_T是发射天线增益。众所周知,一个理想的各向同性天线G_TdBi = 0。上述公式也适用于接收天线。专门为电力,收集应用程序,一个接收天线,构成一个整流器,称为微波。

偏爱一个高增益天线取决于应用程序的需求。在射频传输的情况下,如果源和接收天线的位置是已知的,那么一个高增益微波是有利的。另一方面,如果源和接收天线的位置是相对不确定的,低增益天线最好同时为了收集来自不同方向的信号。

每个天线都有自己的最优操作频率称为共振频率(无花果。188bet登录网址 )。共振频率是由电容和电感特性的天线。随着频率的增加,感应行为成为主导和电容减少。电感和电容的频率相互抵消,减少天线的阻抗,称为共振频率。

的电容和电感功能频率和天线的物理尺寸。天线的尺寸越大,谐振频率越低。因此,发射和接收低频波需要大光圈,这并不适用于小型设备的应用程序。天线设计(188bet登录网址 )有一个灵敏度低至35−dBm(0.32µW),但代价是一个大尺寸的孔径测量64.68厘米³(7×7×1.32厘米)。

天线的带宽的频率范围的天线能有效地运作。宽的带宽天线可以收集信号从一个广泛的频率比窄带宽天线。因此,大带宽天线在检索入射能量有利,但提供了一个高的风险通过不必要的噪声干扰频率(表188bet登录网址 )。

通信天线研究了几十年。然而,power-harvesting天线目前的发展阶段。起初,天线的分类是基于设计特点和应用程序。它最初包括线天线,天线孔径,印刷平面天线,和反射器天线。一些天线的例子的一个例证是图所示。188bet登录网址 。迄今为止,技术铺平了道路的增长各种天线的设计和制造方法,使其更加紧凑和成熟。

盘子天线很受欢迎,有许多应用188bet登录网址 ,188bet登录网址 ,188bet登录网址 ];片上天线小型轿车和微型应用程序的首选。最近,许多出版物解决宽带和多波段天线。已经证明窄带天线提供高能源转换效率,但只能获取有限的能量。另一方面,宽带和多波段天线可以检索更多的射频能量在空间频率。然而,权衡整体效率低和大光圈。在[188bet登录网址 ),天线的谐振频率4.9和5.9 GHz设计pc为65.2和64.8%,分别。陆等进一步的工作。188bet登录网址 在极化天线支持主张扩大天线的带宽导致权力的增加收获。在这部作品中,演示宽带极化天线的三个独立的操作模式使得天线在一个广泛的频率。一个常见的机制在上述工作是控制天线配置的开关二极管,从而改变其共振频率。然而,由于它使用单独的模式不同的频率,这种天线不能同时在两个频率产生共鸣。另一方面,[中给出的天线188bet登录网址 )能够操作2.45和5.8 GHz,同时,提供2.6 V输出PCE的65%和10兆瓦的功率密度/厘米²。

调整在阵列天线的主要目的是提高天线增益和获得高电压/电流。阵列天线要优于大孔径天线因为它们不需要大型击穿电压的二极管。天线阵列可以连接整流之前或之后。第一个配置提高检索能力的主光束而第二个配置扩展检索能力从不同角度从主光束(188bet登录网址 ]。整改前的射频波组合,二极管整流器需要大崩溃。如果整改后射频波相结合,结合直流电流成为问题。天线阵列可以通过串联或并联连接获得高电压或大电流。尽管如此,阵列更好的输出扩张,但这可能导致转换效率(扣除188bet登录网址 ]。

说明天线阵列,但太阳et al。188bet登录网址 )发明了一个丁字路口四quasi-Yagi天线连接在一起。这项工作是丁字路口的进步是灵活的改变从数组1×4 2×2阵列拓扑。因此,该系统能够运行在一个环境功率低至455µW /厘米²而获得40%的PCE。

低功率消耗电力系统,电力在传输过程中泄漏可能导致能量不足。在这种情况下,添加一个阻抗匹配网络(IMN)确保了最大功率射频源和负载之间的转移。对于WPH应用程序,接收天线是源,而整流/电压倍增器是负载。承认,在华盛顿,权力交接时最优源和负载的电阻是没有区别的。在射频电路,阻抗是指而非阻力。源和负载之间的阻抗失配造成的反射功率流电路,降低了系统的效率。如它的名字所表明的那样,IMN确保源的阻抗和负载通过添加活性成分是相同的。

有三个基本匹配配置即L T和π匹配网络(图。188bet登录网址 )。L匹配是常用的,因为它通常有两个组件,简化了设计和控制的过程。此外,L匹配网络不改变品质因数(Q)的电路。

T和π匹配配置是更复杂的比L型网络。此外,组织T和π配置成多个阶段将保留最终的匹配结果,但将改变品质因数。这个策略是有用的在提高电压增加。

有IMN的属性之间的权衡,包括频率、带宽、适应性、复杂性。对于即时,(188bet登录网址 ),次优的阻抗匹配和多端口阶梯匹配方法介绍了提高天线的匹配性能和收获力量,分别。然而,这些配置的权衡,实现比传统匹配网络需要更多的组件,因此,增加电路的复杂性。

Etor et al。188bet登录网址 )设计了一个IMN对于太赫兹频率应用程序利用输电线路和自行设计metal-insulator-metal二极管代替集总元件。此外,固定IMN和可调IMN [188bet登录网址 - - - - - -188bet登录网址 ]介绍了为更好地与宽带匹配技术和多波段天线。

射频能量从自由空间中提取通常具有低功率密度,因为电场功率密度减少的速度1 / d²,d是射频源的距离(188bet登录网址 ]。因此,需要一个功率放大器电路产量足够直流电磁波的能量驱动负载。这产生了两种可能,如果负载的功耗低于平均功率收获、电子设备的负载可能会连续工作;否则,如果负载消耗比功率采集电路可以产生更多的能量,设备不能连续工作(188bet登录网址 ]。

整流二极管是最受欢迎的应用,它是指交流电流直流电流的转换。权力获取应用程序而言,检索到的射频信号的天线有一个正弦波形。转换后的信号通过IMN将纠正和提高来满足电力需求的应用程序。

最基本的整流器的拓扑结构的半波整流器由单个二极管D1(无花果。188bet登录网址 通过D1)。当交流电压转移,只有良性循环仍然和负周期截止;因此,它减少了一半的交流电源。此外,V的输出_出是不连续的,因为消极周期截止。尽管它的简单性,半波整流为常见的应用程序通常是不够的。因此,全波整流器更可取。全波整流电路设计的图所示。188bet登录网址 b。在第一次消极的循环交流输入,二极管D1导电和电容C1被指控V的相应的能级_峰的输入。然后,在下一个良性循环,二极管D1受阻,二极管D2导电,所以电容C2也起诉。结果是,V的输出_出会看到两个串联电容器(每一个存储V的电压吗_峰)。因此,V_出是V两倍_峰。因此,该拓扑结构更加稳定和效率比半波整流。还有一个桥式整流,矫正正面和负面的循环交流输入,但保留了V_出= V_峰或者阻止对二极管D1, D4和D2、D3(无花果。188bet登录网址 c)。

电压乘法器是一种特殊类型的整流电路,转换和提高交流输入直流输出。在某些情况下,应用程序的矫正力量是不够的,需要增加输出直流叠加单一整流器系列,形成电压倍增器(188bet登录网址 ]。电压乘法器的几个配置图所示。188bet登录网址 。最基本配置Cockcroft-Walton电压倍增器(无花果。188bet登录网址 )。这个电路的工作原理类似于全波整流器(无花果。188bet登录网址 b),但更多的高电压增益阶段。迪克森乘数在无花果。188bet登录网址 Cockcroft-Walton b是一个修改的配置阶段电容器被挤到了减少寄生效应。因此,迪克森乘数比小电压的应用程序。然而,难以获得高的PCE由于二极管产生漏电流之间的高阈值电压,从而降低整体效率。此外,高电阻负载,输出电压急剧下降导致低负载供电。总结最近的工作电压相关乘数表所示188bet登录网址 。

金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)技术是克服的局限性整流二极管和成为一个备用解决方案和提高。由于场效应晶体管技术,迪克森乘数可以集成在集成电路(IC)通过更换二极管NMOS如无花果所示。188bet登录网址 c。相对较低的阈值电压和高电脑是这个设计的特性。此外,微分驱动电压倍增器(无花果。188bet登录网址 d)被广泛使用,因为它潜力低泄漏电流和特定应用程序的修改。一个详细的解释和分析提出了(188bet登录网址 ,188bet登录网址 ]。

有一种强烈的阶段的电压乘法器的数量之间的关系,其灵敏度和效率。随着阶段的数量增加,有更多的损失在每个阶段补充道。然而,较高电压的权衡乘法和小阈值电压在第一阶段。另一方面,一个电压倍增器与几个阶段少之间的电压降阶段,但需要更高的阈值电压同时各个阶段工作。出于这个原因,一个电压倍增器变得更加敏感当出现大量的阶段,并且变得更有效地减少阶段。在几个研究[这个折衷的特性进行了分析188bet登录网址 ,188bet登录网址 ]。因此,应该考虑阶段的最优数量取决于应用程序的目标。

整流二极管或晶体管等元素是不可或缺的整流/电压倍增器块组件,确定操作频率和能量转化效率。传统上,使用一个肖特基二极管因其低阈值电压。此外,还有隧道二极管(隧道),metal-insulator-metal (MIM)二极管,和旋转二极管与最近的技术改进,让它更加成熟。特别是,隧道二极管可以以非常高的频率与快速响应,因为它低寄生元素。此外,MIM二极管技术使与CMOS工艺的集成成为可能,这是一个肖特基二极管的限制。旋转二极管提供阈值电压低于肖特基二极管。

有几个参数需要考虑在选择设计一个电压倍增器的二极管。这些包括射频直流电源转换效率,寄生效率和匹配效率。微瓦特时应用,肖特基二极管面临一些限制在RF-DC转换效率,因为他们的高零偏压结电阻(188bet登录网址 ]。然而,由于技术的最新发展,如果检索能力小于−30 dBm(1µW),然后低门槛SMS7630 VDI w频段ZBD二极管建议由于其低寄生功率损耗和低功耗的匹配网络(188bet登录网址 ]。

最近,许多出版物朝着CMOS流程,因为他们不仅帮助定制设计电子产品,也更敏感,低操作电压比传统的肖特基二极管。许多研究关注修改目前整流器和电压倍增器拓扑实现更高的增益,灵敏度、效率(188bet登录网址 ,188bet登录网址 - - - - - -188bet登录网址 ,188bet登录网址 ]。例如,电压乘法器实现最大11% PCE−24 dBm(4µW) (188bet登录网址 )和41%的PCE−20.6 dBm(8.7µW)输入功率(188bet登录网址 ]。而大多数出版物使用0.18µm CMOS技术在他们的工作,(188bet登录网址 ]应用商业40纳米CMOS工艺来构建一个低压操作电压倍增器达到44% PCE在390 mV输入。黄等。188bet登录网址 ]应用减少反向损失整流器反向渗漏损失减小到最低限度,从而提高整体效率。

类似于肖特基二极管,阶段的数量直接决定了性能效率,设计一个自定义的任务CMOS电压倍增器。一个基本的假设在使用晶体管,检索到的射频信号从天线必须足够高,以触发晶体管。不同的电压倍增器拓扑具有不同的功能和特点。然而,只要使用晶体管的设计,有大量的晶体管之间的电压降。已经观察到,整流电压降的主要原因是阈值损失。如果阶段的数量增加时,晶体管的阈值电压也增加,要求更高的振幅射频信号触发晶体管(188bet登录网址 ]。因此,阶段通常在大多数出版物的数量不超过10。

单个模块的效率和集成的模块共同构成WPH系统的总效率。因此,唯一的方法来优化每个模块的总效率最大化效率,巩固和谐。通常,需要做一些测试和调整来获得一个优化WPH系统。的工作流程设计WPH系统图中描述。188bet登录网址 。

首先,选择合适的操作频率应用程序的要求严格规定WPH效率的系统。其次,还需要指定的操作范围。长期(远场)权力收获或传播需要高频如2.45,5.24 GHz,而短程(近场)应用程序需要电磁波在兆赫的频率范围。此外,对权力的收获在密集环境下不同于空气,非常低的频率(~千赫)者优先。除了操作频率和距离,所需的输出功率和电压确定电压倍增器的合适的拓扑结构。

根据操作和应用,天线的增益的设计必须匹配,频率和大小。选择正确的整流元素也很重要。整流器和电压乘法器模块的总体而言,RF-DC PCE的依赖频率和输出负载进行了讨论(188bet登录网址 ]。此外,它是义务correct-tuned IMN WPH内最大功率传输电路。

个体WPH系统的模块的详细功能说明和讨论在前面的部分。WPH系统优化的问题成为定义的游戏目标,整合各个模块归档目标相协调。

射频功率收获在医学和保健

为了部署WPH在现实世界中,设备的能耗率应小于收获权力。由于检索能力是不稳定,难以预测,一个储能模块强烈建议增强其一致性。如果WPH集成芯片的设备作为一个单独的系统,系统的总大小会显著减少。

第一个无线battery-free生物信号处理系统芯片(188bet登录网址 ]介绍了[188bet登录网址 ]。这个系统能够监控各种里面通过心电图(ECG)、肌电图(EMG)、脑电图(EEG)。芯片的总大小是8.25毫米²。这个芯片只消耗19µW测量心率。这个系统的电源模块组成一个支持射频WPH热电发生器,提供1.35 V的电压。表188bet登录网址 提出了性能的几个健康监测系统芯片(soc)。大部分的芯片体积小的优势,低电压供应和低功耗与WPH适用于集成技术。

事实上,大量的从未达到电视电视广播信号。幸运的是,WPH技术可以利用这种浪费能源对电视质量不会造成任何影响。在这种背景下,Nishimoto et al。188bet登录网址 )研究这种潜在的能源将电池从温度监测网络。因为电视广播的功率密度是相对较弱的,设计了一种阵列天线,收集多频波。相比,天线阵的设计(188bet登录网址 ),天线整流效率获得更高50% 15至800 MHz的频率。据报道,这个设计成功地测量和传输数据每5 s。

在自由流动是不可避免的一些研究实验,刺激信号和响应数据必须被传递和收集无线。在这种情况下,射频WPH是更好的选择相比,电感耦合传输功率无线系统技术。Cobo等人设计了一种植入式微型泵,是由电感耦合线圈。尽管这项工作取得高效电力传输,操作范围仅限于几厘米从源。另一方面,在188bet登录网址 ),射频电磁波被部署到权力optogenetic针头会无线注入老鼠。WPH的设计在这个工作能够检索4.08 mW电力1米的距离从7.9 W源在910 MHz的频率。另一个微波是建立越来越多的老鼠的头上为脑深部刺激(DBS)设备(188bet登录网址 ]。在此系统中,power-harvesting模块检索0.254 mW直流电源的最大操作距离20厘米。通过这种有效功率,DBS设备生成200µA脉冲在130赫兹。上述结果表明,射频WPH技术提供了一个更好的操作范围比传统电感耦合电力传输技术。现在可以收获足够的电力运行设备能耗高米的范围。无创性bio-telemetry系统监测和调查各种健康索引WPH技术是一种很有前途的领域。程等。188bet登录网址 ]介绍了电力收集设计,包括一个环形天线连接到猪眼PCE 31%和输出功率2.10兆瓦。此外,体内实验中,使用WPH技术在快速供应医疗器械植入眼睛了没有记录的副作用(188bet登录网址 ,188bet登录网址 ]。

随着微机电系统(MEMS)技术的发展,无线传感器网络近年来获得了广泛流行。这一领域取得了几个里程碑和仍在进一步发展。网络应用广泛从智能住宅、医疗工业和军事。除了传感可靠性的问题,通信协议和网络服务,能源是一个关键的问题在网络188bet登录网址 ]。传感器节点网络的低功率设备和能源消耗最低化和应用WPH补充能量储存元素两个并发方案最大化网络寿命。最近,我们做了一些研究,发现电力网络优化方法包括射频功率收获(188bet登录网址 - - - - - -188bet登录网址 ]。

在网络部署(能量是最大的挑战188bet登录网址 ]。应用射频能量给电池充电是一种方法,提高了网络的寿命(188bet登录网址 ,188bet登录网址 ]。李等人。188bet登录网址 )的一个例子是一个射频充电器利用WPH技术。系统能够处理的最小输入功率10−dBm (0.1 mW)频率范围从1.96到1.98 GHz收取5 V超级电容器。最大射频直流电源转换效率是81%在6 dBm (3.98 mW)。Gudan et al。188bet登录网址 ]还设计了一个WPH系统充电镍氢电池使用环境的wi - fi或蓝牙信号。与敏感性−20 dBm,这个系统能够充电电池5.8µJ 1 h。

表188bet登录网址 列出了一些低功耗消耗传感器与WPH模块可以集成的应用程序。这些传感器的多数是由有限的电池寿命。一旦WPH技术实现这些应用程序,它可以用于作为一个无线传感器节点。特别是,中给出的工作(188bet登录网址 )利用功率收获为建筑结构监测网络。在这工作,远场射频驱动无线传感器开发新颖的数据传输方法来检测湿度、温度和光线的作用。结果显示的距离1米3 W来源,传感器节点收到3.14 mW电力通过空气,1.53兆瓦的电力通过2英寸的砖,2.88 mW通过木材和0.7 mW 2英寸的钢。这力量是足够的传感器数量(188bet登录网址 - - - - - -188bet登录网址 ]。这个结果表明射频WPH转向轮的适用性。

此外,放置发射器和传感器节点在网络也发挥了关键作用的效率系统[188bet登录网址 - - - - - -188bet登录网址 ]。提高射频传输方向性,邵et al。188bet登录网址 )提出了beam-steered天线阵列直接对能量采集单元的主光束。通过控制输电线路的长度在一个数组,每个天线单元相辐射单位创建的转变主要梁之间的区别。通过这种方式,收获单位仍是美联储与能源甚至是偏差源35°。使用[中的收获单位提出188bet登录网址 )作为一个示范,在1分钟内,这个系统能够收获68.7µJ在0°和13.6µJ 35°2米的距离从beam-steered源天线阵列。

本文总结了近年来功率收获技术的最先进的。这种技术将发挥关键作用,在不久的将来取代电池。一些应用程序的射频功率收获几乎被意识到。基本的射频power-harvesting单元包括三个主要模块:天线,IMN,电压倍增器。系统的总效率是由和谐的所有模块的集成。每个模块的设计和原理进行了讨论。

射频电磁波是无害的,丰富空间,能够穿透软组织。这些属性使得射频电磁波替代能源取代电池在许多应用程序中。特别是功率收获支持低功耗医疗和医疗设备和促进了网络的发展和物联网通过提供流动性。此外,进展将功率采集电路集成到CMOS技术创建一个完全无线SoC。

除了近年来进步成就,仍有各种各样的房间来进一步优化功率等收获技术增加经营范围,减少传输损耗,优化PCE,最小化系统维度的目标功率收集研究。此外,研究专注于恶劣的工作环境等射频WPH注入条件或水下区吸引关注扩展这种技术的功能。好生产和包装过程和具有成本效益的生产是必要的让这个技术成熟。

简而言之,RF WPH技术正逐渐成为现实。虽然这项技术仍然面临着许多问题,克服这些挑战会导致电力行业清洁和可持续能源的新时代。

LGT进行文献检索和写的手稿。惠科电子和WTP审查/编辑了手稿。所有作者阅读和批准最终的手稿。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

资金

这项工作是支持的批准号10060065的工业源技术发展项目MOTIE(贸易、工业和能源),韩国。这项工作被辐射也支持技术研发计划通过韩国国家研究基金会资助的科学,ICT和未来规划(nrf - 2013 m2a2a9043274)。

作者和联系

1. 融合生物医学工程和生物材料研究所、首尔国立科技大学,首尔,韩国

   Le-Giang Tran & Woo-Tae公园

2. 电气与信息工程系,首尔国立大学的科学和技术,韩国,首尔

   Hyouk-Kyu Cha

3. 机械和汽车工程系,首尔国立大学的科学和技术,韩国,首尔

   Woo-Tae公园

相应的作者

对应到Woo-Tae公园。

开放获取本文是分布式根据创作共用署名4.0国际许可证(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/),允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,你提供给适当的信贷原始作者(年代)和来源,提供一个链接到Creative Commons许可,并指出如果变化。

再版和权限