大多數人沒有意識到，我們周圍總是有豐富的能量。我們整天都被能量波轟炸着。無線電和電視塔，環繞地球的衛星，甚至手機天線都在不斷地傳輸能量。如果有一種方法我們可以收獲正在傳輸的能量呢？如果有可能收集并儲存這些能量，我們就有可能用它來為其他電路提供動力。對于手機來說，這種能量可以用來給不斷耗盡的電池充電。行動電話和更複雜的裝置，如口袋裡的組織者，個人數字助理(pda)和筆記本電腦的潛力是存在的。
收獲射頻能量
能量收集元件是環境中存在的能量被捕獲并轉化為電能的過程。近年來，它已成為多學科的一個突出研究領域。太陽能、機械能、射頻能、熱能、電磁能、生物化學能、放射性能等多種能源采集方式已經被開發利用。
能量收集元件通常以毫瓦甚至微瓦的功率級運作。幾乎所有的能源收集計劃都需要各個階段的電力調節和中間蓄電池或儲存從環境中收集的能量的電容器。
當我們提到射頻收獲時，我們并沒有提到專門為無線裝置供電而設計的能源。相反，我們談論的是我們可以從公共服務中收集到的能量。在城市和人口密集地區，有大量的射頻源，如廣播電台和電視台、行動電話基站和無線網絡。人們有可能收集它們的部分能量，并将其轉化為有用的能量。
圖1: 電磁波譜與周圍的應用
射頻源
無線電波是電磁波譜的一部分，由磁性元件和電性元件組成。它們通過在一個頻帶内改變波的振幅、頻率和相位的組合來攜帶資訊。當與導體(如天線)接觸時，電磁輻射會在導體表面産生電流，這就是所謂的趨膚效應。
通信裝置利用10千赫至30千赫的不同頻譜，使用天線傳輸和/或接收資料。對于2.4 GHz 和900mhz 頻率，射頻能量收集元件的最大理論功率為7.0 μW 和1.0 μW，自由空間距離為40m。在自由空間以外的環境中，信号的路徑損耗是不同的。表 1 顯示了不同的頻譜及其特殊的應用。
不同的頻段有不同的應用，圖1顯示了我們周圍不同應用的電磁波譜。
射頻能量收集系統的元件
圖3示出了能量收集電路的組成部分。入射射頻電源由多倍壓器轉換成直流電源。比對網絡由電感元件和電容元件組成，確定了從天線到多倍壓器的最大功率傳輸。能量儲存確定了電力平穩地輸送到負載和作為儲備時間，當外部能源是不可用的。這樣的設計需要精心制作; 增加倍增器級數可以在負載處提供更高的電壓，并減少通過最終負載支路的電流。這可能會導緻不可接受的充電延遲儲能電容器。
相反，較少的階段的倍增器確定快速充電的電容，但電壓産生的電容可能不足以驅動傳感器塵埃(至少1.8 v，成為 + Vcc 的 mica2傳感器)。
圖2: 射頻采集系統的框圖
圖3: 射頻采集的部件
圖4: 天線的等效電路
類似的，比對電路參數的細微變化會顯著改變能量轉換效率最大的頻率範圍，通常是幾兆赫茲。是以，射頻收獲電路涉及一個複雜的互相作用的設計選擇，必須考慮在一起。這個問題是通過考慮一個多階段設計的多倍壓器，其操作點是由解決一個優化架構決定的。
天線
天線是一種用于輻射或接收無線電波的金屬裝置(如杆或線)。它是發射和接收無線電波的一種手段。換句話說，天線是自由空間和制導裝置之間的過渡結構。制導裝置或傳輸線可以采用同軸線或空心管(波導管)的形式，用于将電磁能從發射源傳輸到天線或從天線傳輸到接收器。
通信裝置一般都有向多個方向傳播射頻能量的全向天線。這使移動應用程式的連接配接最大化。從無線源傳輸的能量要高得多，10ghz 頻率可達30w，但在實際環境中隻能獲得很少的能量。其餘部分則以熱量的形式消散或被其他物質吸收。
收集射頻能量需要一個天線。在射頻能量收集系統中，天線(作為接收器)攔截經過的電磁波，并将其轉換成電信号。典型的天線可以模拟為交流電壓源串聯阻抗，如圖4所示。
PRF 是天線接收的功率; RS 是輻射電阻，代表接收電磁波的功率; Rloss 是損耗電阻，代表包括天線材料和媒體損耗在内的實際電阻; Xant 可以是電感的，也可以是電容的，這取決于特定的天線。
天線設計者必須注意許多參數。功率增益是一個天線在任意距離從一個特定角度輻射出的最大功率密度與同一距離的一個假設的各向同性天線的功率密度之比。它可以被認為是實際的最大功率密度超過理想(損失較少)的平均功率密度。有效天線口徑與天線的可用功率密切相關。其他一些關鍵參數包括路徑損耗、極化、效率、方向性等。
圖5: 電荷泵整流器
矽整流二極管天線
用來收集射頻能量的裝置稱為直入式收集器。它指的是整流天線。射頻能量轉換成直流能量。一個典型的直肌有一個天線，比對電路和一個整流器。
矽整流二極管天線是放置在天線饋電點的天線和肖特基二極管的混合物。它直接将射頻信号轉換為直流信号。可以使用不同的拓撲作為直肌的組成部分。針對 RF-DC 整流器的設計開發了不同的拓撲結構，如電荷泵整流器、差動驅動橋整流器和門交叉連接配接差動驅動橋整流器。
電荷泵整流器
圖4所示的電荷泵整流器，也稱為多倍壓器電路，已廣泛應用于微型電源收集電路。正常電荷泵整流器的基本結構是在1976年提出的，最初用作 DC-DC 上變換器。
在射頻-直流整流器應用中，采用射頻輸入作為互補時鐘信号之一，接地另一條時鐘線和直流輸入線。為了了解整流器的工作原理，首先考慮乘法器的前兩個階段，也通常被稱為倍壓器。
操作可以分為兩個周期: 負半周期(輸入射頻信号為負值)和正半周期(輸入射頻信号為正值)。
假設，二極管的門檻值電壓為 VT，輸入 RF 信号的振幅為 VRF。在第一個負半周期中，引入 d1并将電荷轉移到 c1的右端闆上。在第一個負半周期結束時，c1充電到 VRF-vt。
當正半周期開始時，d1是反偏的，c1的右端闆被推到2 * (VRF-VT)。D2開啟，電荷轉移到 C2。在正半周期結束時，c2被充電到2 * (VRF-VT) ，用于更多階段倍頻整流器。
差動驅動橋式整流器
全波橋式整流器，如圖4所示，已經常用于交直流電壓轉換。整流器具有差分輸入射頻信号。
在正半周期的射頻信号，二極管 d2和 d3導電，而 d1和 d4是反偏的。
在負半周期的射頻信号，二極管 d1和 d4導電，而 d2和 d3是反偏的。
在整個循環中，負載電容器 c1是單向充電的。當考慮反向洩漏電流和其他阻性負載時，c1上的直流電壓可以達到 VRF-(2 * Vth) ，其中 Vth 是二極管的門檻值電壓。
電路開始整流一次，輸入交流信号的幅度變大，大于二極管門檻值電壓的兩倍，進而降低了整流器的電壓靈敏度。為了提高電壓靈敏度，可以用栅漏連接配接的 n 型金屬氧化物半導體場效應半導體(MOSFET)或栅源連接配接的低門檻值 p 型 MOSFET 代替二極管，如圖6(b)所示。為了提高直流電壓水準，采用耦合電容器阻斷直流，分階段級聯單元橋式整流器的疊加結構。
栅交聯差動驅動橋式整流器
雖然采用二極管連接配接的低門檻值 MOSFET，可以有效地提高橋式整流器的電壓靈敏度，但 MOSFET 引起的反向漏電功耗不容忽視。
正常橋式整流器的一種适應結構是用差分輸入射頻信号偏置門極。通過偏置栅極，降低了 MOSFET 的導通電壓，有效地提高了電壓靈敏度。
以圖7(a)中的結構為例。在正半周期的 RF 信号中，如同在正常的橋式整流器中，m2和 m3導電，而 m1和 m4則是反向偏置的。這種變化發生在 m1和 m3栅極端的偏置電壓上。
在正半周期中，m3像傳統的橋式整流器一樣，帶有大于零的偏置信号(接地電位) ，這減少了 m3的門檻值電壓，是以提高了電壓靈敏度。
圖6: 全波橋式整流器
圖7: 差動驅動橋
在正半周期中，m1的漏極和源極進行了交換。M1在帶負 RF 信号的栅極端反向偏置，該負 RF 信号低于源極端的接地電位。有了這種偏置，m1引起的洩漏電流就大大減小了。
對負半周期也可以進行同樣的分析。在 NMOS 栅交叉連接配接橋式整流器中，隻有兩個 mosfet 存在差分偏置。
為了進一步提高整流器的性能，改為使用兩個 PMOS 器件，如圖7(b)所示。在正半周期中，pm2和 nm3呈正相關，nm1和 pm4呈反相關。Pm2栅極端的偏置信号為負值，導緻比二極管連接配接模式的導通電壓更小。Pm4交換機的源極和漏極。Pm4的栅極端子偏置于正射頻信号中，正射頻信号大于源極端子的電位，進而減小了反向漏電流。對負半周期也可以進行同樣的分析。
常用的整流器件有 MOS 半導體 和肖特基二極管。實體結構的差異導緻了在應用 RF-DC 整流器設計的缺點和優點。表二總結了這兩種裝置的優點和缺點。
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