彭勇钢

（太原航空仪表有限公司，山西 太原 030000）

1 项目背景

近年来，智能家居、楼宇自动化、大数据采集及无线传感器网络实现了蓬勃发展。目前，外接电源线供电、电池供电仍是各种电器产品的主要电源，但随着电器产品应用环境的变化，依靠有线供电已经不能满足人们的日常需求。传统电池能量密度低、体积大、使用寿命有限，且对环境有严重污染等缺点，限制了部分电器产品的适用范围。

空气充电主要应用电磁能量收集，也称为射频能量收集。射频能量收集系统可直接作为无电池系统的电源，亦可作为电池的辅助电源为其充电。

2 基本结构和工作原理

2.1 基本结构

目前，空间电磁能量收集有两种基本结构。第一种结构如图1所示，由能量收集天线、DC/DC变换器、存储单元及负载组成[2]。

图1 电磁能收集结构1

第二种结构如图2所示，由能量收集天线、阻抗匹配单元、RF/DC整流器及负载组成。

图2 电磁能收集结构2

2.2 工作原理

电磁波传播满足Friis传播公式：

其中，Gt、Gr分别为发射天线和接收天线的增益；Pt、Pr分别为传输和接收的射频功率；λ为波长；R为两者间的距离；接收到的功率与距离的平方成反比。

电磁能量收集系统的效率为：

其中，Prf为入射功率；Pdc为输出功率；RL为负载电阻；Vo为输出电压；ηdct反映了直流功率从非线性器件到直流负载的效率。

3 电磁能收集技术

3.1 接收天线结构分析

为了提高接收空间电磁能量收集的效率，目前许多接收天线形式的研究主要集中在宽频带、多极化以及阵列化等方面[1]。

3.1.1 宽频化

图3为宽频能量收集系统的两种结构方式。在电磁能量收集系统中使用的宽频化天线有分频段的双频天线、多频天线。

3.1.2 多极化

宽频化结构2（见图3（b））体积小，功率密度大，但是天线和电源设计较为困难，现有技术条件较难实现。因此本次设计选择宽频化结构1（见图3（a）），其中天线和电源设计相对简单，天线选用AM/FM频段和微波频段两种全相天线（多极化），以实现从频率535 kHz～3.6 GHz的宽频吸收。

图3 宽频电磁能量收集系统

3.2 接收天线类型分析

3.2.1 AM/FM频段天线

AM频段为535～1 700 kHz，是调幅广播频段；FM频段为76～108 MHz，是调频广播频段。广播信号的来源比较多，并且覆盖面积较大。大部分城市均有FM电台，偏远山区也能收到AM广播。以太原地区为例，用普通AM收音机可收到3～5个AM广播台，用一般智能手机可接收到15个左右的FM广播电台。

AM天线使得产品的抗跌落能力大为提升；体积小，更好的适应产品小型化的要求；可做成插件元件，更方便安装固定；性噪比高。FM天线使用磁性电介质材料，大幅缩短了天线长度，实现天线内置化，在有限外形基础上获得最大的天线增益和频率带宽，相比其他工艺天线带宽宽、性价比高。

3.2.2 微波频段天线

微波频段为300M Hz～300 GHz。应用比较广泛，包括手机移动通信、定位导航及WiFi信号等均在微波频段内。移动通信GSM频谱是890～955 MHz，3G频段是1 920～2 180 MHz，而4G频段为450～470 MHz、698～806 MHz、2.3～2.4 GHz及3.4～3.6 GHz；定位导航系统中GPS频段为1 575.42 MHz和1 227.6 MHz两种频率，北斗系统频段为2 491.75 MHz频率；WiFi信号频段是2 400～2 483.5 MHz。

主流微波接收天线分为两类——皮法天线和单极天线，两种主流天线性能对比如表1所示。

表1 皮法天线和单极天线性能对比

分析可知，皮法天线体积大、电性能好，而单极天线体积小、电性能次之，因此可根据电磁能收集元件体积和功率要求选用皮法天线或单极天线。皮法或单级天线均可复刻在PCB上，也可选用弹片天线与三维塑料相结合的产品来实现天线布置。

4 应用研究

图4为电磁能供电无线传感器三维概念图。经过分析可知，随着电磁能量收集技术的发展，将会出现无线、无源、无电池、无需维护的消费电子产品和传感器等。

5 结 论

本文综述了空气充电环保系统的商业价值和应用领域，分析了此种能量收集技术实现的无线、无源、无电池、无需维护的环保系统实例，并介绍了电磁能收集系统的基本结构和各部份的工作原理。以太原地区为例，计算单位体积内实际可吸收功率，从器件、拓扑、同步整流技术、微电子技术以及宽频化设计等方面对电源变换器进行了概述，介绍了空气充电环保系统的基本组成，在分析空气充电器的工作原理的基础上给出了其设想三维效果图。

图4 电磁能供电无线传感器三维概念图