能量收集是給通信系統(tǒng)中包括天線在內(nèi)的各種射頻/微波元器件供電的一種有效方法。通過為自主射頻標(biāo)簽(RFID)系統(tǒng)和無線傳感器等類似應(yīng)用收集能量，就能開發(fā)出無需額外電池的自我供電解決方案。為了展示這種可能性，本文設(shè)計(jì)了一種能量收集片狀天線陣列，可以用于從周邊能源捕獲盡可能多的射頻能量。

　　為了盡可能降低成本，天線采用低成本的FR-4印刷電路板(PCB)材料制造。開發(fā)的這種矩形片狀天線陣列工作在2.45GHz的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段，在矩形片狀振子上設(shè)計(jì)了額外的凹槽以提高增益。這個(gè)天線設(shè)計(jì)中還包含了一個(gè)導(dǎo)通發(fā)光二極管(LED)，用于指示捕獲到的電壓值在0.01Vdc至3.94Vdc間的能量。

　　采用“智能”技術(shù)的光線傳感器和其它電子器件已經(jīng)開始影響許多人的生活。這些傳感器可以檢測(cè)室內(nèi)的光線明暗程度，然后在光線降低到設(shè)定亮度時(shí)自動(dòng)開燈。這種智能系統(tǒng)不僅有助于改善人們的生活質(zhì)量，而且有利于節(jié)省能量和成本。這種對(duì)能量的智能使用可以應(yīng)用于沒有電池的遙控器以及采用收集能量工作的移動(dòng)電話充電器。

　　研究人員已經(jīng)開發(fā)出各種方法用于從外界提取環(huán)境能量，并將它轉(zhuǎn)換為電能供低功耗傳感器等應(yīng)用使用。借助自我供電的無線傳感器和自主能量，這種收集到的能量可以催生出許多新的“綠色”電子設(shè)備。環(huán)境中存在的能量可以從各種源進(jìn)行復(fù)用，包括太陽(yáng)能、磁能、振動(dòng)和射頻/微波能。后者在開放空間中可以免費(fèi)獲得，并可以通過合適的接收天線捕獲到并整流成可用的直流電壓。

　　近年來，隨著基于傳感器的無線網(wǎng)絡(luò)和其它應(yīng)用數(shù)量的不斷增加，電池供電的使用得到了非?？焖俚脑鲩L(zhǎng)，但電池只能提供有限的壽命和固定的能源供給率。而諸如片狀天線等能量捕獲天線可以從環(huán)境中捕獲能量，進(jìn)而替代電池。目前市場(chǎng)上有許多不同的片狀天線，包括蛇形線天線(MLA)、線性極化天線和圓形極化天線。本文將討論這些不同的配置，以求找到適合能量收集的最佳天線拓?fù)?，以及能夠?qū)⑸漕l信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電壓以替代電池的電路。

　　為了最大化覆蓋率，大多數(shù)通信系統(tǒng)使用全向輻射圖案的天線。能量收集系統(tǒng)就是要靠捕獲其中一些可用的能量?？捎媚芰康臄?shù)量是很大的，但只能少部分能被收集到，因?yàn)橐恍┠芰客ㄟ^熱的形式散發(fā)了，或被其它材料所吸收。射頻能量收集系統(tǒng)由微波天線、預(yù)整流濾波器、整流電路以及將輸入電磁(EM)波整流成直流電流的直流低通濾波器(LPF)組成。整流電路可以是多種類型中的任意一種——比如全波橋式整流器或采用單個(gè)分流器的全波整流器。

　　為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的電力傳送，在天線和整流器之間使用了低通濾波器(LPF)進(jìn)行阻抗匹配。一旦信號(hào)經(jīng)過整流后，就用直流低通濾波器，通過衰減環(huán)境中存在的射頻信號(hào)中的高頻諧波，來平滑輸出直流電壓和電流。在將能量傳送給整流二極管之前盡量收集最大的功率，然后抑制由二極管產(chǎn)生、并從天線那里輻射出來作為損失功率的諧波。

　　有許多因素影響有效的能量收集，包括天線發(fā)射功率、天線接收功率、轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換電路分析。為了提高轉(zhuǎn)換效率，必須實(shí)現(xiàn)多種天線設(shè)計(jì)，包括天線陣列和圓形極化天線。寬帶天線可以從各種源接收相對(duì)高的射頻功率，而天線陣列可以增加提供給二極管進(jìn)行整流的入射功率。圖1顯示了硅整流二極管天線的框圖。

　　圖1：這張框圖顯示了在ISM頻段使用的硅整流二極管天線。