射频能量采集能否实现使用无线电源？

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手机和电脑等无线设备已经成为我们日常生活中不可或缺的存在，展示了无线应用的重要性。然而，这些设备通常需要持续供电或具备超长电池寿命才能正常使用。射频(RF)能量采集系统的出现，为解决这一问题提供了新的方案。它不仅可以减少对电池的依赖，改善安全条件，还可以为整个应用市场带来优势。其中，人工智能的发展是推动这种增长的主要驱动力。尽管人工智能算法已经非常强大，但它们需要更多的数据才能发挥最大的作用，这就是无线供电技术的价值所在。无线供电已被证明是可靠和高效的，它可以驱动人工智能的发展，帮助其做出更好的决策。

Powercast公司的CEO Charlie Goetz在接受笔者采访时指出，物联网、ADAS和智慧城市等领域与人工智能息息相关，它们可以从无线供电的实现和采用中获得最大的受益。射频能量可以在任何时间、任何地点轻松获取，而且不受时间、地理限制或天气条件的影响。射频的频率范围通常为3kHz至300GHz。我们可以采集这些射频能量并将其存储起来，供特定应用使用。 RF能量采集为众多应用提供了显著的优势，但需要特别注意关键元件，包括接收器天线和电源调节电路等。

无线供电

任何需要传感信息以进行预防性维护和关键停机的工业环境，都可以从无线供电中受益。例如，制造工厂可能有某些区域难以进入或进入有危险。因此，某些传感器(它们的电池)无法更换。在这种情况下，采用无线充电的传感器可以让我们实现“设置即不管”(这意味着我们不需要更换电池)。这反过来让我们可以将不间断的信息输入到人工智能。自动驾驶汽车也可以极大地受益于无线供电。就像今天一样，自动驾驶汽车正在将声纳、雷达和形状识别融入到自己的环境。为了让这个区域变得更安全、更可靠，它需要感知环境并通过环境中的传感器与周围的道路通信：灯柱、黄色标线等。更重要的是，借助无线供电的传感器，汽车可以在不撞到连接线的情况下通过环境进行通信，从而实现更安全可靠的方式。再往前走，智慧城市的实现将不再是采用电池和电线，而是人工智能和无线供电。为了让智慧城市与其环境进行通信，需要实施无线供电和充电。

能量采集

射频是能量采集的丰富来源，但要使它靠近发射天线。从RF中采集能量的概念并不新鲜，而且过程相对简单。无线电波撞击到天线，就会产生电位差，这就会使电荷载流子沿天线长度移动而试图均衡电场。采集电路基本上会捕捉到这个动作，将能量暂时存储在电容器中，然后用于在负载上产生所需的电位差。RF充电技术采用了多种技术(Qi、PMA/AirFuelAlliance、WPC等)，每种技术都具有多种充电方式和最大充电距离。我们的路由器和移动电话创造了空间区域，其势能随时间和/或距离而变化。只要存在电位差，总有办法获得电力。用于通信的RF发射器，通常受限于它们可以辐射的功率量。此外，正如Friis传输方程所预测的那样，对于给定的无线电源，接收天线的功率会随着距离的增加而下降：

其中：PT=发射功率；PR=接收功率；GT=发射器天线增益；GR=接收器天线增益；λ=波长；d=发射器和接收器之间的距离。接收天线的设计在最大限度地提高能量采集效率方面起着至关重要的作用。可以将接收天线蚀刻在PCB上，也可以采用专门为该任务所设计的接收线圈元件来获得它。

图1：P2110评估套件中包含Powercast的贴片天线(900MHz)。

Powercast技术

2021年初，Powercast宣布凭借其新型无线供电RFID温度扫描系统荣获了商业智能集团(BIG)所颁发的2021年BIG创新奖，该系统使公司能够轻松安全地监控员工体温，从而支持COVID-19监测协议。该温度扫描系统由温度传感器、RFID阅读器和电视监视器所组成。通过使用无线技术，当将设备靠近公司入口处的RFID阅读器时，该设备即可使用获得专利的Powercast能量采集技术快速充电。员工可使用探测棒扫描额头读取体温，然后根据自动显示在监视器上的读数获准进入或拒绝进入。“天线的设计非常重要，它负责调谐到给定的频率，在我们的例子中是915MHz。当我们处理RF时，即使是在相对较近的范围内，最终处理的也是非常小的功率。我们现在处理的是10mW或者可能小几百毫瓦。因此，采集和转换背后的能量管理必然极其重要。天线和能量管理必须和谐地协同工作，从而获得好的用户体验并提供实际的的解决方案。”Goetz表示。

图2：P2110-EVAL-02评估套件。

接收天线的阻抗为50Ω，必须与设备其余部分的输入阻抗相匹配。然后必须将在天线附近采集的电压带到某个位置，而使其能够转换为直流电压。这可以使用电荷泵来完成，电荷泵能增加电压但显然不能增加总功率。Powercast公司提供了一个评估工具包来帮助探索这项技术的可能性。P2110-EVAL-02包括射频接收器和发射器、天线以及用于采集发射功率的充电板。随着环境中的射频能量不断增加，射频能量采集不仅有利于布线要求，而且还提供了一个不受环境条件和有害物质影响的系统。对于网状网络，工程师可以将RF能量采集与复杂的设备到设备通信结合起来而用于各种应用。

总之，无线供电技术为无线应用的持续能量需求提供了可行的解决方案。它能够改善设备的使用体验，提高安全性，并为人工智能等领域的进一步发展提供支持。随着技术的不断进步和创新，我们可以期待无线供电技术在各个应用领域的广泛应用和不断完善。

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