射频能量收集

电器工程 射频 直流 能量收集
2022-01-09 02:11:10

为什么不能完全收集到射频辐射中投入的能量?影响这个的主要因素是什么?现在有什么重要的研究可以充分描述这个过程吗?我的结论是:“能量从一种形式转移到另一种形式。”但是在这种情况下,为什么不能大量收集它来为低功率设备供电或将其大量储存在某些电池中以备后用采用?为什么现在它不盈利,为什么今天不像水、风和其他能源那样使用它?

射频能量收集系统示意图

4个回答

考虑将所有电能从功率振荡器转换为电磁无线电传输的天线。假设 1 瓦被馈送到天线,1 瓦是发射的无线电波功率。

这种力量被抛向了大多数方向;就像灯泡在(几乎)所有方向上发射光能一样。灯泡不仅仅是一个类似的例子,它是完全相同的例子——发出的光是电磁波。

现在想象一下,你距离那个灯泡 1 米,有一个 100% 高效的太阳能电池板。然后想象你建造了几个太阳能电池板,它们完全完全地覆盖了灯泡。你把太阳能电池板串联起来,看看你能提取多少电力。好吧,对于这个思想实验,你实际上可以提取 100% 的能量。

然后你站在 10m 外做同样的事情。显然,您需要更多的太阳能电池板,但假设发出的光完全照射到电池板上并且在这些电池板之外没有漏光,您将获得 100% 的电力。

所以它可以做到,但要付出巨大的代价和不便。但铅笔锋利的激光束和 100% 高效的太阳能电池板并没有太大的问题。如果你能充分聚焦光线,你就可以收集所有能量,记住这只是一个思考练习,太阳能电池板和灯/激光远不是 100% 有效的。

回到发射的无线电波,您可以构建一个抛物面天线并以足够高的频率进行传输,以便能够将大部分功率集中到接收天线(另一个天线)上。这是由军方和电信人员在全国范围内完成的,以获取“大部分”私有的视距数据和语音通信,因为除非您近距离接触,否则很难“窃取”正在传输的内容。天线并拾取一个小的能量旁瓣。

对于其余的所有发射器广播,它们通常是偶极子,并在至少一个平面上向各个方向传播它们的能量。这使得音乐电台很容易被拾取,当然,这就是目标。

你能轻松地收获那种能量吗?不太好,因为能量主要飞向太空,“听众”只接收到一小部分。

每个听众的天线实际上是一个网(即它有一个真正的“区域”,尽管它的形状很细长),它捕获从那个发射器发送的功率,它捕获的量通常是毫微微瓦。通常,RF 接收器(可能过于通用)可以在从天线接收到的大约 10 微伏电压下工作,并且在广泛的天线类型样本中平均,该电压将具有大约 50 欧姆的源阻抗。

因此,释放的功率为 5 uV 平方 / 50 = 5 毫微微瓦。

显然,您离发射器越近,可以释放的功率就越大,但是,如果您只对获得可用功率感兴趣,那么请使用电线。

如果您对地球上任何一点可以收集的能量总和进行数学计算,您将找不到很多地方可以收集到超过几毫瓦的能量。

太阳能和射频能量收集基本上都是同一事物的两种形式——电磁波收集。


即使我们站在路由器旁边?我读到有些路由器的功率高达 80mW

路由器通常使用四分之一波长天线,为了收集能量,您也可以使用四分之一波长天线。在您开始对天线造成奇怪的负载效应之前,您可以近距离接触的实际距离约为 lambda(1 个波长)。这是大约 0.1 米的距离,因此,使用转换为 dB 的 Friis 传输方程:-

损耗 (dB) = 32.45 + 20\$log_{10}\$(f) + 20\$log_{10}\$(d)

其中 f 以 MHz 为单位,d 以千米为单位。这个等式告诉您在给定的距离和给定的载波频率下,您可以预期有多少 dB 的功率损耗。

对于 2.45 GHz 和 0.1 米(0.0001 km),损耗为 32.45 + 67.6 - 80 = 20 dB。

但是 tx 和 rx 天线之间有大约 4dB 的增益(因为它们是半定向的),因此损耗只有大约 16dB。

80 mW 输入变为(理论上)12.7 mW 输出。

如果我们将您的问题概括一下,不仅涵盖射频能量收集,还涵盖一般的电磁能量收集,我们一直都在这样做。

巨大的太阳能农场

太阳本质上是一个电磁发射器,其功率输出约为 4 × 10 26瓦。一个非常大的太阳能发电场的(峰值)输出为 6 × 10 8瓦。

从这个角度来看,如果你有 8 公斤黄金,并且你移除了一个原子,这与从太阳接收到的能量大致相同。

那是 287,000 美元的黄金,你可以收获万亿分之一美分的二分之一

如果你把世界上所有的人都拿走,你会收获大约一个指甲修剪的人的价值。

原因当然是因为大部分太阳的能量输出甚至没有击中地球。

射频能量收集的问题与此大致相同。在世界上所有发射器发射的所有射频能量中,只有极小部分会击中您的天线。

相关:我听说带有与电力线平行的长铁丝网的农民可以“窃取”耦合的 50/60 Hz 交流电。不确定这是否属实或有多少电力可用,但我猜是一小部分,但足以让电力公司注意到损失并开始寻找它。在您为您的计划花钱购买所有电线之后,您可能会更好地购买太阳能电池板或风力或水磨机。在这种情况下,没有人会指责你从他们那里偷东西。

也许您可以尝试从下雨等中获取重力能量?

有研究小组这样做:IEEE 论文 还有几个,但我厌倦了谷歌搜索。我记得一篇文章\小组正在捕获无线能量为微控制器供电。TI 的一些 MSP430 可以以非常低的功率 (uAmps) 运行TI MSP430 应用笔记,并使用非常小的太阳能电池或天线来运行。