第二种结构如图1c所示,由接收天线、阻抗匹配单元、RF/DC整流器和负载组成。由于采用了阻抗匹配,这类结构允许相对独立的天线和整流器设计。RF/DC整流器除了实现整流之外,往往也要提高输出电压,因而多采用电压倍增电路。
图1电磁能量收集基本结构
结构1整流电路的二极管一般只有一个,可以提高整流效率,但后级的DC/DC变换器需要采用主动开关元件,增加控制复杂度,也会伴随控制损耗和开关损耗。提出,当输入功率小于100μW时,控制电路的损耗将占主导。因而此结构适用于高输入功率,要求高可靠性的场合。
结构2由于要实现倍增效果,采用多个二极管,导致整流效率下降,但无需主动开关,系统简单,成本低。此类结构可以提高功率灵敏度,适用于低输入功率和简单的演示系统。另外文献采用了两者的混合结构,如图2所示。
图2电磁能量收集混合结构
三、研究现状与热点问题
3.1收集水平
近十年来,国际上相继开展了大量关于电磁能量收集的研究工作。总体收集水平体现在以下方面。
在发射源选择方面,有两种做法。一是选择周围环境中的射频发射源,可以在实际射频环境下进行测试。常用的射频发射源有RFID阅读器、无线电广播发射台、手机信号塔、电视基站、无线路由器等。
另一种是选择特定的发射源,一般采用射频信号发生器,作为试验仪器,可以对采集系统进行定量的分析研究。发射源的频率一般设置在工业科学医疗(IndustrialScientificMedical,ISM)频段。
在可收集功率方面,一般电磁能量收集的功率水平在微瓦量级,而能处理的入射功率的灵敏度,在低输入功率场合下一般可达到-20dBm,而有文献设计的倍压整流电路最低可处理-32dBm的射频功率。
由前文可知,电磁能量收集的效率受多方面因素的共同影响,特别是入射功率。文献在入射功率达到10dBm时,可以实现78%的转换效率。而当入射功率较低,接近周围环境分布水平时,效率会明显下降。文献在-20dBm的输入功率下的效率仅为18%。当发射源输出功率一定时,效率与发射源与接收天线的距离有关,文献在距离无线路由器距离为40cm时,效率达到了33.7%,而当距离增加到2.4m时,效率下跌至9.76%。