空氣充電環保系統的研究

彭勇鋼

（太原航空儀表有限公司，山西 太原 030000）

1 項目背景

近年來，智能家居、樓宇自動化、大數據采集及無線傳感器網絡實現了蓬勃發展。目前，外接電源線供電、電池供電仍是各種電器產品的主要電源，但隨著電器產品應用環境的變化，依靠有線供電已經不能滿足人們的日常需求。傳統電池能量密度低、體積大、使用壽命有限，且對環境有嚴重污染等缺點，限制了部分電器產品的適用范圍。

空氣充電主要應用電磁能量收集，也稱為射頻能量收集。射頻能量收集系統可直接作為無電池系統的電源，亦可作為電池的輔助電源為其充電。

2 基本結構和工作原理

2.1 基本結構

目前，空間電磁能量收集有兩種基本結構。第一種結構如圖1所示，由能量收集天線、DC/DC變換器、存儲單元及負載組成[2]。

圖1 電磁能收集結構1

第二種結構如圖2所示，由能量收集天線、阻抗匹配單元、RF/DC整流器及負載組成。

圖2 電磁能收集結構2

2.2 工作原理

電磁波傳播滿足Friis傳播公式：

其中，Gt、Gr分別為發射天線和接收天線的增益；Pt、Pr分別為傳輸和接收的射頻功率；λ為波長；R為兩者間的距離；接收到的功率與距離的平方成反比。

電磁能量收集系統的效率為：

其中，Prf為入射功率；Pdc為輸出功率；RL為負載電阻；Vo為輸出電壓；ηdct反映了直流功率從非線性器件到直流負載的效率。

3 電磁能收集技術

3.1 接收天線結構分析

為了提高接收空間電磁能量收集的效率，目前許多接收天線形式的研究主要集中在寬頻帶、多極化以及陣列化等方面[1]。

3.1.1 寬頻化

圖3為寬頻能量收集系統的兩種結構方式。在電磁能量收集系統中使用的寬頻化天線有分頻段的雙頻天線、多頻天線。

3.1.2 多極化

寬頻化結構2（見圖3（b））體積小，功率密度大，但是天線和電源設計較為困難，現有技術條件較難實現。因此本次設計選擇寬頻化結構1（見圖3（a）），其中天線和電源設計相對簡單，天線選用AM/FM頻段和微波頻段兩種全相天線（多極化），以實現從頻率535 kHz～3.6 GHz的寬頻吸收。

圖3 寬頻電磁能量收集系統

3.2 接收天線類型分析

3.2.1 AM/FM頻段天線

AM頻段為535～1 700 kHz，是調幅廣播頻段；FM頻段為76～108 MHz，是調頻廣播頻段。廣播信號的來源比較多，并且覆蓋面積較大。大部分城市均有FM電臺，偏遠山區也能收到AM廣播。以太原地區為例，用普通AM收音機可收到3～5個AM廣播臺，用一般智能手機可接收到15個左右的FM廣播電臺。

AM天線使得產品的抗跌落能力大為提升；體積小，更好的適應產品小型化的要求；可做成插件元件，更方便安裝固定；性噪比高。FM天線使用磁性電介質材料，大幅縮短了天線長度，實現天線內置化，在有限外形基礎上獲得最大的天線增益和頻率帶寬，相比其他工藝天線帶寬寬、性價比高。

3.2.2 微波頻段天線

微波頻段為300M Hz～300 GHz。應用比較廣泛，包括手機移動通信、定位導航及WiFi信號等均在微波頻段內。移動通信GSM頻譜是890～955 MHz，3G頻段是1 920～2 180 MHz，而4G頻段為450～470 MHz、698～806 MHz、2.3～2.4 GHz及3.4～3.6 GHz；定位導航系統中GPS頻段為1 575.42 MHz和1 227.6 MHz兩種頻率，北斗系統頻段為2 491.75 MHz頻率；WiFi信號頻段是2 400～2 483.5 MHz。

主流微波接收天線分為兩類——皮法天線和單極天線，兩種主流天線性能對比如表1所示。

表1 皮法天線和單極天線性能對比

分析可知，皮法天線體積大、電性能好，而單極天線體積小、電性能次之，因此可根據電磁能收集元件體積和功率要求選用皮法天線或單極天線。皮法或單級天線均可復刻在PCB上，也可選用彈片天線與三維塑料相結合的產品來實現天線布置。

4 應用研究

圖4為電磁能供電無線傳感器三維概念圖。經過分析可知，隨著電磁能量收集技術的發展，將會出現無線、無源、無電池、無需維護的消費電子產品和傳感器等。

5 結 論

本文綜述了空氣充電環保系統的商業價值和應用領域，分析了此種能量收集技術實現的無線、無源、無電池、無需維護的環保系統實例，并介紹了電磁能收集系統的基本結構和各部份的工作原理。以太原地區為例，計算單位體積內實際可吸收功率，從器件、拓撲、同步整流技術、微電子技術以及寬頻化設計等方面對電源變換器進行了概述，介紹了空氣充電環保系統的基本組成，在分析空氣充電器的工作原理的基礎上給出了其設想三維效果圖。

圖4 電磁能供電無線傳感器三維概念圖