3.5应用研究
国外一些高校和企业已经对电磁能量收集进行了较为广泛和深入的研究,虽然目前尚未有商业化的应用,但已有不少研究工作将注意力放在了实际应用上。
电磁能量收集的主要应用是向无线传感器节点供电。大多数传感器节点在睡眠模式消耗几十微瓦,在工作模式消耗几百微瓦。功率等级基本符合电磁能量收集的收集水平,特别是传感器节点本身允许间歇性工作,非常适合使用能量收集。
目前已有许多文献概述了这方面的研究工作。文献[16]提出了图13所示的系统框图,并对各部分的效率进行了分析。进一步分析了系统的三种运行模式:启动模式、睡眠模式和工作模式间的相互关系和切换策略,并对实际系统进行了实验验证。
如何在低输入功率的条件下提高传感器工作的占空比是传感器应用的一个关键问题,考虑了电容的漏电流效应,提出一种自适应的占空比控制方法,提高了系统的效率。
其他针对电磁能量收集的应用研究还有无线通信以及向一些小功率电子设备供电,如温湿度测量仪等。
图13电磁能量收集供电的传感器系统框图
四、待研究问题与发展趋势
尽管近10年来,国际上对电磁能量收集技术持续开展了相关的研究工作,但与其他能量收集方式相比(如机械振动、温差、应力等),目前的研究还不够充分,尚没有成熟的应用,仍有不少问题有待解决,主要体现在以下几个方面。
1)宽频化是电磁能量收集系统的主要发展方向,但目前在宽带匹配网络以及宽带整流电路的设计方面,尚存在较大的难度,缺乏统一有效的设计方法和完整的理论分析,从而影响了整个系统的宽频响应。
2)天线的尺寸是制约应用的关键因素,但天线的小型化往往会带来增益和带宽的下降,从而使可收集的电磁功率下降。尽管超材料的应用可以有效减小收集系统的体积,但仍需克服窄带宽的缺点。
3)由于入射的电磁波随时间和环境的波动性强,且负载条件往往也会发生改变,要提高应用的可靠性研究,就必须引入功率管理电路。但在周围射频功率密度较低时,功率管理电路会由于功率不足而失效,不具有可行性。