射频功率：射频能量收集的工作原理

为什么不设置一个小天线来捕捉一些射频信号并进行整流呢？这很容易获取大约一微瓦左右的能量，并将其用于慢慢给电池或超级电容器充电。这将足够为一个只需偶尔开启、传输数据然后再进入休眠状态的物联网设备供电。当我们的物联网设备再次进入休眠后，射频能量的采集将继续进行，为下一次唤醒储备充足的能量。

至少理论上是这样的。这听起来很不错。毕竟，一个电视台会发射出大量的射频信号。而所有调到该频道的电视接收器的检测阶段中，仅有一小部分能量被消耗掉。其余的大部分信号还在外面，等待着被收集。

射频能量采集技术

射频(RF)能量采集的起点是天线。一种特定的天线只能有效地采集来自一组接近频率范围内所辐射的能量。一个好的起点是以超高频(UHF)和甚高频(VHF)电视为例。即使在500 MHz频率下，一个偶极天线的长度也将达到0.3米。这已经是一个明显的警示信号，因为为了采集一小部分能量而需占用相当大的空间。此外，天线必须相对于电视台的发射天线以特定的空间方向来设置。而这两个要求都使其不适合应用于可穿戴设备。

收集器的接收天线呈现50欧姆的阻抗，必须与设备其余部分的输入阻抗匹配。然后，天线收集的电压需要增加到至少一伏，以便可以整流成直流电。这可以通过一种称为电荷泵的配置完成，它可以提高电压，但当然不能增加总射频功率。

射频能量采集研究

一系列有趣的实验围绕着在距离日本东京电视广播站6.5公里处收集其产生的射频电力进行。该项目的框图如下。

图1：RF能量收集设备的系统级描述示意图。（来源：“一种无电池的能量收集设备，用于从地面电视广播中长距离获取无线能量，”佐治亚理工学院）

该项目在佐治亚理工学院与东京大学的研究人员合作开展。在该实现中，上述电荷泵包含在RF-DC模块内。

项目的重要结果总结在下图中。绿色模块表示天线在相关的6.5公里距离处，从日本电视特征的UHF频率发射中捕获的功率——以微瓦为单位。蓝色和红色条带分别表示将框图中提到的超级电容器充电到1.8伏和3.0伏所需的功率。

图 2：超级电容器在合理的时间内充电至 2.9 伏。(来源：“一种无需电池的能量采集装置，用于从地面电视广播中远距离收集无线电能”，乔治亚理工学院)

射频能量采集的局限性

远程射频能量采集用于物联网设备的支持者声称，这种方式可以为城市区域的远程传感器供电。然而，如我们所见，这种方式需要一个相对较长的天线，并且天线必须严格对准电视台或其他能量源。而且，如果能量源发生移动或变化，所有对应的物联网设备都必须重新调整。这完全违背了部署物联网能量采集的初衷，即避免实际接触被供电设备的任务。单是天线的要求就已经让远程能量采集用于可穿戴设备变得不可行。

当考虑到太阳能的辐射强度远远大于在发达国家任何公众区域允许的射频（RF）辐射量时，很难为其部署提供合理的理由。此外，这种情况不太可能发生变化，因为在任何向公众开放的空间中，射频功率的辐射都有一定的限制。如果有变化的话，这些限制可能会被收紧，因为人们对射频暴露可能带来的健康风险越来越关注。

考虑到太阳能辐射的能量远远大于在发达国家任何一般公共区域允许的射频（RF）能量强度，要证明其部署的合理性是很困难的。此外，这种情况不太可能改变，因为在向公众开放的任何空间中，射频功率的强度是有上限限制的。如果有任何变化，这些限制可能会被进一步缩减，因为人们出于对射频可能带来的健康风险的担忧，正更加谨慎地看待射频暴露的问题。

支持针对物联网设备的远程射频能量采集的拥护者声称，这种方法可以在城市区域为远程传感器供能。但正如我们所看到的，这需要一个相对较长的天线，并且必须精确地对准电视台或其他电源。而且，如果电源发生移动或变化，所有对应的物联网设备都需要重新对准。这完全违背了部署物联网能量采集的初衷，目的是避免需要物理访问被供能的设备。仅天线的要求就使得将远程能量采集应用于可穿戴设备变得不切实际。

射频能量收集解决方案

用于能量采集的定向射频

有些情况下，传感器会部署在难以接近的区域，或者该区域本身对人类存在危险。在这些情况下，已经开发出一种方法，不是通过随机的能量收集为传感器供电，而是通过专门针对传感器的能量收集为其供电。技术人员可以在安全距离内，将射频发射器对准传感器，而无需依赖复杂天线的变数或电视信号的有无。

Powercast Corporation 提供了一套评估工具包，帮助各组织探索此技术的可能性。公司的 P2110-EVAL-02 评估工具包可通过 Arrow Electronics 获取。其规格说明书显示，该工具包包括一个射频发射器和接收器、一根天线以及一个用于接收传输功率的充电板。当然，另一个重要的探索领域是 RFID。

RFID - 射频识别

射频识别技术（Remote frequency identification，简称RFID）利用无线电波信号识别带标签的物体。读取标签的设备会向其发送射频信号，这一信号具有两个作用。首先，标签——一种微型电子装置——通过“收集”入射的射频能量为自身供电。随后，包含数字标识信息的标签将这些数据传输回读取设备。

读者现在知道它扫描的物品身份。这些标签与视觉条形码标签相比可以非常小。此外，人类工作人员可以从远距离进行识别，这种方法也很容易实现自动化。

射频功率的实用性

因此，除非您正在设计一个物联网或可穿戴设备的系统，计划在同一栋内有电视发射机的建筑中运行，否则所有证据都强烈表明这将是一项徒劳且最终不切实际的努力。另一方面，在某些情况下，针对性定向的无线电波的射频能量收集可以非常实用。