探秘环境射频能量采集：新型整流器件的特性与应用
探秘环境射频能量采集：新型整流器件的特性与应用
在科技飞速发展的今天，物联网（IoT）传感器如繁星般遍布我们的生活环境，持续监测并以无线方式传输数据。然而，如何为这些传感器提供稳定的电源，成为了亟待解决的问题。环境射频（RF）能量采集技术应运而生，为 IoT 传感器的电源供应带来了新的曙光。本文将深入探讨适用于环境 RF 能量采集的整流器件特性，展现其在物联网时代的巨大潜力。
随着 “万亿传感器宇宙”（TSU）时代的临近，海量的 IoT 传感器将被部署到各个角落，实现对环境的全方位监测。从智能工厂的生产流程监控到智能家居的环境感知，这些传感器无处不在。然而，传统电池供电方式面临诸多挑战，如电池寿命有限、更换成本高昂以及对环境的潜在影响。此时，环境 RF 能量采集作为一种创新的供电方式备受关注。环境中充斥着各种各样的 RF 信号，如广播电视信号、手机射频信号和 WiFi 信号等，它们就像隐藏在空气中的能量宝藏，随时随地可供采集利用，为 IoT 传感器提供持续不断的电源支持。
在众多能量采集源中，RF 能量采集独具魅力。尽管环境中的 RF 能量相对微弱，通常功率低于 -10dBm，但因其广泛存在且可 24 小时获取，吸引了众多研究者投身其中。一般而言，RF 能量采集系统主要由天线、匹配电路和整流器组成。天线负责捕捉周围的 RF 信号，匹配电路确保信号高效传输，而整流器则如同神奇的转换器，将交流 RF 信号转换为可供传感器使用的直流电源。本文聚焦于整流器电路及其所用的器件，重点介绍两种极具潜力的整流器件：超陡晶体管（SSFET）和薄埋氧层硅（SOTB）器件。
超陡晶体管（SSFET）作为一种理想的整流器件，具有独特的结构和优异的特性。它属于 SOI 器件家族，通过连接体电极形成 P+/N/P 双极晶体管结构。当栅极电压达到开启电压时，漏极电流会急剧导通，其斜率高达 33uV/Dec，这使得 SSFET 宛如 RF 能量采集系统中的 “超级开关”，能够高效地将 RF 信号转换为直流电压。为了深入评估 SSFET 的性能，研究人员构建了经验交流器件模型，并在 ADS RF 电路模拟器中进行仿真。结果表明，该模型与实际测量的 SSFET 直流特性高度吻合。在仿真实验中，SSFET 成功地对 10MHz 高频信号进行整流，输出电压始终保持正值。进一步研究其 RF - DC 转换效率与输入功率的关系发现，当输入功率低于 -30dBm 时，效率可超过 80%，远远高于传统器件，展现出在低功率 RF 输入下实现高效能量采集的巨大潜力。
除了 SSFET，薄埋氧层硅（SOTB）器件也是 RF 能量采集的得力助手。SOTB 器件在超薄的 10nm 埋氧层上形成 NMOSFET 和 PMOSFET，通过背面施加体电压，可显著改变阈值电压，使动态阈值 MOS（DTMOS）电路性能大幅提升。研究人员基于 SOTB DTMOS 设计了一种交叉耦合整流器，并将其集成到环境 RF 能量采集系统中。在实际测试中，该系统安装于东京电气通信大学的实验室，通过优化匹配电路和环形天线，使其针对 950MHz 手机 LTE 信号进行采集。尽管输出电压和功率存在一定的不稳定性，但仍成功从环境 RF 信号中获取了最高达 0.9V 的直流电压和 2.2uW 的功率，且至少能稳定提供 500uW 的功率，足以满足基于 SOTB 器件的超低功耗微处理器（MPU）的供电需求，为物联网传感器的电源供应提供了可靠的解决方案。
总结一下，环境 RF 能量采集技术为物联网传感器的能源供应开辟了新的途径。超陡晶体管（SSFET）和薄埋氧层硅（SOTB）器件在整流器电路中展现出独特的优势，它们的优异特性使得在低功率 RF 输入条件下仍能实现高效的能量转换。尽管目前还面临一些挑战，如输出功率的稳定性等，但随着技术的不断进步，这些问题有望逐步得到解决。未来，环境 RF 能量采集技术有望广泛应用于物联网领域，为实现传感器的自供电和可持续运行提供坚实的技术支持，助力构建更加智能、便捷和环保的世界。