综述：基于射频的无线充电技术在柔性、可穿戴和植入式电子设备中的应用：基础、挑战与新兴应用

本综述系统探讨了射频（RF）无线充电技术在柔性电子领域的创新应用与前沿进展。文章深入解析了非辐射（如电感耦合、磁共振耦合）与辐射（如微波RF、光波充电）能量传输机制，重点介绍了RF技术在可穿戴设备、生物医学系统（如植入式传感器、智能绷带）、集成柔性可拉伸电子（如微超级电容器集成系统）及体表无线数据传输（如反向散射通信）中的突破性应用。同时，文章还探讨了天线设计、整流器优化、混合能源方案及生物相容性等关键挑战，为未来自供电电子医疗与物联网设备的发展提供了重要理论支撑与技术路线。

　　

无线充电技术概述

无线充电技术（WCT）通过空气间隙无线传输能量，为电子设备供电，无需物理连接。该技术分为非辐射性能量传输（如电感耦合、电容耦合和磁共振耦合）和辐射性能量传输（如射频（RF）和微波充电）。非辐射方法基于磁场相互作用，适用于短距离高效传输，但需要精确对齐；辐射方法利用电磁波（如RF或微波）实现远距离能量传输，尤其适用于分布式设备供电。

射频充电基本原理

RF充电系统通过天线捕获环境中的RF能量，经整流器转换为直流电（DC）为设备供电。整流天线（rectenna）系统包括天线、整流器、阻抗匹配网络和RF滤波器。天线设计分为单频、宽带和双/多频类型，优化参数包括圆极化、谐波抑制、天线增益和全向特性。整流器设计涵盖半波整流器（HWR）和全波整流器（FWR），其中FWR通过处理整个AC波形提供更高效的DC输出。

生理信号监测应用

RF充电技术在生理信号监测中广泛应用。例如，无线无电池正畸力传感系统利用LC无线被动平板电容压力传感器，实现口腔内非接触监测，测量距离达220毫米。柔性自供电RF健康监测设备可采集环境RF能量，为集成传感器和蓝牙供电，实时监测人体运动和呼吸。植入式软机器人结合电子皮肤和人工肌肉，通过RF无线能量传输实现膀胱容量实时监测和电刺激治疗。可拉伸RFID传感器无需电池，可连续分析脉搏、呼吸和身体运动，并通过RFID将数据无线传输至移动应用程序。应变不变可拉伸RF电子设备基于介电弹性体材料，可在弹性应变下保持原始RF特性，实现无线医疗监测。

生化信号监测应用

在生化信号监测方面，基于RFID的可穿戴汗液传感器可监测钠离子和pH值。无芯片无电池葡萄糖传感器通过集成生物阳极和近场通信天线，实现葡萄糖的生物电催化氧化和无线检测。智能绷带系统通过RF能量采集为伤口提供电刺激治疗，并持续监测伤口电阻和温度。活性生物集成活电子（ABLE）平台利用活水凝胶界面调节皮肤免疫，通过RF技术实现无线能量采集和数据传输，促进免疫相关疾病治疗。

集成柔性与可拉伸电子

RF充电技术与柔性电子结合，克服传统电池的刚性和体积限制。微超级电容器（MSC）作为能量存储单元，与RF系统集成实现无线充电。例如，基于MXene的集成系统结合无线充电线圈、MSC和光电探测器，实现自供电操作。激光划线石墨烯系统集成近场通信天线、MSC和湿度传感器，适用于可穿戴和物联网电子。全合一MSC皮肤设备通过液体前体蒸发方法制备，实现与弯曲皮肤表面的紧密层压。超可拉伸集成微系统结合无线接收线圈、MSC和应变传感器，实现无线充电和实时应变传感。

体表无线数据传输

RF充电技术支持超低功耗、无电池通信，用于实时监测和控制。反向散射通信（BackCom）通过反射环境RF信号传输数据，无需主动生成信号，适用于RFID标签和被动物联网传感器。混合RF-太阳能采集系统结合RF和太阳能，为可穿戴电子设备供电。频率偏移反向散射利用Wi-Fi和蓝牙无线电，实现超低功耗体表传感器通信。可拉伸3D微带天线通过优化设计，提高无线传输距离和充电速率，实现自供电RF系统用于健康监测和物联网应用。

挑战与未来机遇

RF充电技术在柔性电子系统中面临多个挑战。柔性天线和基板材料的制备需解决RF损耗和热稳定性问题。机械变形可能导致天线阻抗失配，降低性能。功率传输效率在远场或非视距场景中需进一步优化，包括自适应阻抗匹配、能量波束成形和整流器电路优化。混合能源解决方案结合RF与其他能量采集方法（如太阳能、热发电机或压电元件），确保稳定供电。安全性和生物相容性需关注长期RF暴露的风险，通过生物相容屏蔽材料和局部功率聚焦设计降低潜在影响。

结论

RF无线充电技术为柔性、可穿戴和植入式电子设备提供了创新的供电解决方案。通过优化天线设计、整流器效率和系统集成，RF技术在医疗监测、环境感知和物联网应用中展现出巨大潜力。未来研究应聚焦于材料开发、能量管理模块设计和生物安全性验证，以推动自供电电子系统的进一步发展。