用于射频能量采集的宽带缝隙天线

来自空气的能量

我们的住宅、办公室和城市街道充斥着来自手机、Wi‑Fi 路由器和广播塔的无形无线电波。本文探讨了一种利用这一无处不在的信号海洋并将其中一小部分转化为可用电能的方法。通过在电路板上精心改造一小块金属图案，作者们设计出一种天线，能够同时吸收许多日常无线频段的能量并将其输送给低功耗设备，如物联网（IoT）传感器——这有可能减少对一次性电池的依赖。

同时捕获多路信号

工作的出发点是一个简单的想法：既然无线电波无处不在，为什么不把它们回收为涓涓细流般的电力？挑战在于，这些电波来自许多不同的业务——蜂窝网络、电视广播和无线数据链路——分布在一段较宽的频谱上。传统天线通常调谐到较窄的频带，因此会错过大量可用能量。因此，研究人员着手设计一种紧凑的“宽带”天线，能够响应这段频谱的大部分，尤其是大约 0.8 到 1.9 吉赫之间的拥挤区域，该区覆盖了室内外常用的多种通信业务。

小空间内的巧妙图形

设计的核心是在常见的玻璃纤维电路板上蚀刻的扁平铜形状。与简单的条形或补丁不同，团队开出一个大的矩形开口，并在其中填入精心排列的图案：中央一个倒置的 T，左右两侧各有一对镜像的 E 形。新增的这些臂和分支相当于 incoming 波产生的电流的额外通路。通过调整它们的长度和位置，作者促使若干自然谐振相互重叠，使结构在较宽的频率范围内表现强劲，同时仍能塞入比其使用的最低频率波长更小的占用面积内。

调谐与测试设计

为了理解图案中每一部分的作用，研究人员对一系列中间设计进行仿真，从简单的 T 形馈电开始，逐步加入侧面的 E 形和中央的倒置 T。他们随后在计算模型中改变关键尺寸，以观察工作范围如何移动。逐步调谐表明：加长主缝可以降低最低可用频率，而调整倒置 T 的垂直干和 E 形的分支则有助于将高频谐振合并为平滑连续的频带。确定最佳尺寸后，他们制作了原型并在用于模拟自由空间的消声室中测量其性能。实测结果与仿真吻合良好：天线在约 0.84 到 1.89 吉赫范围内维持良好工作，增益和辐射效率均有令人满意的表现，效率超过 80%。

从无线电波到可用电能

单独的天线只能收集能量；它必须与将振荡的射频信号转换为稳定直流的电路配合使用。团队将其宽带天线连接到由快速二极管和匹配元件构成的专用整流器，形成工程上所称的“整流天线”（rectenna）。在真实的室外测试中，他们将该装置对准附近基站等日常信号源，测量无线电频谱及其产生的电压。即使在普通的环境条件下，组合系统也能在无外加偏置的情况下产生约 0.44 伏的电压；受控实验室测量表明，对于接近远端发射器提供的那类适度输入功率，整流器能将捕获的射频功率近四分之三到四分之五（接近 80%）转换为直流。天线在其带宽内还保持了干净的极化和一致的辐射模式，这有助于它从不同方向可靠地收集能量。

走向少电池的传感网络

总之，论文展示了在标准电路板上通过精心雕琢的金属图案可以在多种互相制衡的需求之间取得平衡：尺寸小、覆盖广、并在与匹配整流器配合时高效地将分散的无线电波转化为电能。尽管收集到的功率不大，但非常适合那些定期唤醒以发送数据的超低功耗物联网传感节点。通过减少电池使用或让部分设备完全无电池运行，这类宽带能量采集天线有望使未来的传感网络更可持续，并更便于在难以到达的地点部署。

引用: Yau, U., Tiang, J.J., Muhammad, S. et al. A wideband slot antenna for RF energy harvesting. Sci Rep 16, 10448 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41191-1

关键词: 射频能量采集, 宽带天线, 缝隙天线, 物联网传感器, 整流天线