- 无源射频接收器和射频能量采集技术

图1：图中曲线显示了P2110 Powerharvester模块在三种ISM频段工作时射频输入功率与转换效率的关系。
存储利用能量采集技术捕获到的能量有几种方式，包括传统的可再充电电池、新兴的薄膜电池和电容。在过去20年中，锂(锂离子)电池、镍氢电池(NiMH)和薄膜电池都有了长足的发展。随着能量密度的提高和封装尺寸的缩小，这些产品已被成功地用于长时间地维持微功率传感器设备运转。这些产品的缺点是，就像一次性电池那样，可再充电电池也有有限的寿命和充电次数，最终必须要更换。这正是许多行业需要考虑和研究能量采集与替代性能量存储方案(如超级电容)的原因。

传统的超级电容或众所周知的电化学双层电容器(EDLC)在2.5V或5V时具有数百欧姆的ESR值，这种电容在能量储备应用中已经有30多年的使用历史了，包括用作各种消费设备(如录像机、收音机和其它电子系统)时钟的后备能量。这些时钟在低电压下工作时消耗电流不到10μA，在许多电路的实时时钟(RTC)应用中也有使用。这些低功耗应用发现，EDLC器件是必须被频繁更换的电池与在实用封装(如钮扣电池)下无法提供足够电荷存储的静电/电解电容之间的极好折衷产品。

针对客户的要求，在过去10年中业界开发出了低ESR的EDLC电容。这种电容能够在高脉冲功率应用中的接近5V电压条件下提供数安的电流。这种EDLC电容体积小，ESR值低(2OmΩ至50mΩ)，容量大(6.8mF至1F)，额定工作电压范围是2.5V至20V。这些电容可以提供许多应用要求的数安培的高电流脉冲，比如无线条码扫描机、智能抄表系统以及许多类型的GSM/GPRS蜂窝应用。这些低ESR元件现在还设计用于微功率能量采集系统等新兴应用，因为它们具有两种独特性能：低漏电流和低ESR。现在这些电容已经代替其它电容或其它小型电池成为这类应用的首选。例如AVX公司的BestCap元件就具有低ESR、低漏电流和高电流脉冲特性，非常适合环境能量采集使用。它们不仅具有很小的ESR值，而且具有不到几个微安的低漏电流。

图2是EDLC电容的横截面图。从图中可以看到两个由电解液包围着的纳米颗粒活性碳层，电解液中间则有一个“隔离”层。这两个碳层与集电极相接触，并由集电极将电流输送到外部。这两个碳层由两个串联电容组成，因此命名为双层电容或DLC。由于电容内的电荷载体实际上处于离子态，因此使用了术语电化学DLC(或EDLC)。这张图也显示了简单的原理，其中电荷主要集中在集电极-碳接口。电容(C)直接正比于有效面积(A)，并反比于这些电荷(或C a A/d)之间的隔离距离(d)。双层电容的正负电荷之间的间距在纳米范围，这正是EDLC电容容量如此大的原因(因为这个间距要比静电电容的电荷间距小好几个数量级)。

图2：电化学双层电容(EDLC)的横截面图

基于含水电解液的BestCap器件使用质子(一种最小的离子)作为电荷载体。与使用较大离子的其它超级电容技术相比，这种电容设计方法可实现每单位有效面积更低的ESR。由于其自身设计实现了更小的漏电流，BestCap架构也具有更高的可靠性。这种技术还可以在相同封装内构建不同的电容，最终能够在同一封装尺寸下灵活地实现不同的额定电压。这种封装内部不需要外部平衡。

环境中的无线电波数量非常庞大，特别是在人口稠密的城市内，而且频率范围越来越大，功率水平越来越高。如果这种自由流动的射频能量能够被有效和高效地采集，那么这些无线电波就能够成为一种独特且广泛可用的微能源。数量不断增加的无线发射器将导致射频功率密度和可用性日渐提高。专用功率发射器将进一步使可实现、可预测的无线电源解决方案成为可能。随着电子元件功耗的持续降低、无源射频接收器灵敏度的提高以及低ESR双层超级电容性能的改进，通过射频能量采集方式实现无绳充电的实用性应用将不断推陈出新。