58、高效能量收集的 VLSI 设计挑战

高效能量收集的 VLSI 设计挑战

1. 基于射频的环境能源

能量可以从丰富的各种能源中收集，如热能、太阳能、风能、电磁能和振动能。由于电磁能因其众多应用而始终存在于我们周围，我们可以充分利用它进行能量收集。借助天线和整流器，交流电可以很容易地转换为直流电。然而，天线尺寸、射频功率随距离的损耗（自由空间功率损耗）、射频源与接收天线之间的距离、频率、天线增益以及整流器的功耗是主要挑战。

射频波的功率密度主要随距离变化，因此大致分为远场和近场范围。在远场中，功率密度较弱且均匀，这个距离被称为夫琅禾费距离，其定义为：
[d_f = \frac{2D^2}{\lambda}]
其中，(d_f) 是夫琅禾费距离，(D) 是天线直径，(\lambda) 是波长。

从辐射源到距离为 (\sqrt[3]{\frac{D}{2\lambda}}) 的区域是电抗区，因此电场和磁场矢量不同相，这是能量失真的一个重要原因。在远处区域，即远场区域，电场和磁场矢量仍然会变化，但这个区域是辐射区，称为菲涅尔区。该区域的功率公式为：
[P_R = \frac{P_TG_TG_R\lambda^2}{(4\pi R^2)}]
接收天线增益可以计算为：
[P_R = \frac{P_TG_TG_R}{(4\pi d / \lambda)^2}]
其中，(P_R) 是接收天线处的功率，(G_R) 是相对于各向同性源的接收天线增益（dBi），(\lambda = \frac{C}{f})，(k = \frac{2\pi}{\lambda}) 是波数。

从上述公式可以推断出远场的自由空间路径损耗（FSPL）(P_L) 为：
[P_L