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本文主要关注电磁能量收集(Electromagnetic Energy Harvesting),也称射频能量收集(RF Energy Harvesting)。电磁能量收集系统可直接作为无电池系统的电源,也可作为辅助电源为电池充电,或者作为偏远地区电池的备用电源。
表1显示可收集的电磁功率密度相对较低,使得目前电磁能量收集的应用较少。但是周围环境中电视、无线电广播、手机通信、无线局域网等射频信号分布广泛,且功率密度随着无线通信和广播设施的增加还会继续提高。
这一趋势使得电磁能量收集在无线传感网络、射频识别标签和其他一些植入式电子设备中具有广阔的应用前景,成为近几年来国际上的研究热点。
电磁能量传输的概念最早可追溯于19世纪80年代Heinrich Hertz验证电磁波存在的实验。此后Nicola Tesla于1899年首次尝试以无线方式传输功率。现代的射频功率传输则起源于20世纪50年代开始的一系列研究工作,一些标志性的工作有William Brown于1969年将射频功率传输应用于直升机供电以及空间太阳能电站概念的提出等。
发展到今天,无线功率传输(Wireless Power Transmission, WPT )可主要分为两类,即近场传输和远场传输。其中近场传输是基于电磁感应或磁谐振原理实现功率的无线传输,一般通过线圈实现。而远场传输,即微波功率传输(Microwave Power Transmission, MPT)则是通过天线实现电磁波的发射和接收。
电磁能量收集由MPT发展而来。两者虽然同样基于微波传输的原理,但MPT需要设计微波发射源,且传输功率大,频率单一,效率高;电磁能量收集则一般不需要特定的发射源,针对的是空间中广泛分布的电磁波,其特点为多频率,多极化,功率密度低,能量量级小。
目前,国内外已有文献对电磁能量收集在无线传感器应用、生物医学电子方面的应用研究工作进行了相关介绍。国际上诸多高校和企业针对电磁能量收集进行了相关的研究工作,取得了有意义的研究成果。
本文在已有研究工作和相关综述的基础上,从电磁能量收集的基本结构出发,介绍各部分的工作原理;对目前的研究现状和热点问题进行重点概述;并在此基础上,讨论电磁能量收集有待研究的问题及发展趋势。
二、 基本结构和工作原理
电磁能量收集的基本结构有两种。第一种结构如图1b所示,由整流天线、DC/DC变换器、储能元件、负载及功率管理单元组成。其中整流天线如图1a所示,由接收天线与二极管整流器组成,收集入射的电磁波,并转换为直流。整流器两侧的高频滤波器和直流滤波器是为了利用宽频谐波,提高功率转换效率。
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