Table of Contents

Неиспользованный потенциал волн окружающего радио

Каждый день воздух вокруг нас заполнен постоянным потоком радиочастотных (РЧ) сигналов. Радио- и телевизионные вещательные башни, сотовые базовые станции, маршрутизаторы Wi-Fi, спутниковая связь и даже мириады устройств IoT наводняют нашу среду электромагнитной энергией. В течение десятилетий эта энергия считалась в лучшем случае проблемой помех, а в худшем — невидимыми отходами. Однако тихая революция в технологии сбора энергии превращает эти окружающие радиоволны в жизнеспособный источник питания для следующего поколения устройств умного дома. Поскольку количество подключенных датчиков и контроллеров в современном доме поднимается от десятков до сотен, потребность в устойчивой, не требующей обслуживания энергии более насущна, чем когда-либо. Сбор энергии окружающей радиочастотной энергии предлагает путь к действительно свободным от батарей экосистемам IoT — сокращение электронных отходов, снижение затрат на установку и включение датчиков в местах, где замена батарей непрактична или невозможна.

Наука, стоящая за энергией окружающей радиоволны

Радиоволны окружающей среды представляют собой подмножество электромагнитного спектра, обычно варьирующееся от нескольких килогерц до гигагерц, используемых 4G, 5G и Wi-Fi. Эти волны генерируются всякий раз, когда переменный ток течет через антенну, и они распространяются через пространство со скоростью света. Плотность энергии этих сигналов резко варьируется в зависимости от близости к передатчикам, полосе частот и времени суток. В типичной городской или пригородной среде плотность мощности окружающей среды на обычных частотах (FM-радио, ТВ, сотовая связь, Wi-Fi) колеблется от нескольких нановатт на квадратный сантиметр до, возможно, нескольких микроватт на квадратный сантиметр в плотных областях вблизи сотовых вышек.

Преобразование этой низкоуровневой энергии радиочастотного излучения в полезное электричество постоянного тока (DC) является центральной задачей. Процесс начинается с антенны, которая захватывает колеблющееся электромагнитное поле и производит напряжение переменного тока (AC) на своих терминалах. Поскольку входящий сигнал представляет собой радиоволну, напряжение чередуется на частоте первоначальной передачи - сотни мегагерц или гигагерц. Выпрямитель, обычно диод Шоттки или специально разработанная интегральная схема, преобразует этот сигнал переменного тока в пульсирующее напряжение постоянного тока. Выпрямленный выход затем сглаживается и хранится, часто в конденсаторе или перезаряжаемой батарее, прежде чем доставляться на нагрузку.

Фундаментальный принцип коренится в физике электромагнитной индукции и выпрямления. В классических терминах компонент электрического поля радиоволны оказывает силу на свободные электроны в проводнике антенны, вызывая напряжение. Ключом к эффективности является соответствие импедансу: антенна должна быть спроектирована для резонирования на частоте самого сильного окружающего сигнала, а выпрямитель должен быть сопоставлен с импедансом антенны, чтобы минимизировать потери отражения. Современные схемы сбора энергии часто используют многоступенчатые множители напряжения (такие как зарядные насосы Диксона) для повышения выпрямленного напряжения достаточно высоко, чтобы питать микроконтроллер или датчик. Например, типичный сигнал Wi-Fi в доме может обеспечить только несколько сотен микроватт в лучшем случае - едва достаточно, чтобы управлять датчиком температуры низкой мощности или маяком IoT.

Как работает сбор энергии в окружающей среде RF

Основные компоненты RF Energy Harvester

  • Антенна: Передний компонент, преобразующий электромагнитные волны в электрические сигналы. Для сбора окружающей среды, широкая полоса пропускания и умеренный прирост часто имеют приоритет над узкополосными конструкциями. Патч-антенны, печатные дипольные антенны и даже фрактальные структуры являются общими. Хорошо спроектированная антенна может захватывать энергию из нескольких частотных диапазонов одновременно, таких как сотовая полоса 800-900 МГц и полоса ISM 2,4 ГГц, используемая Wi-Fi.
  • Сеть сопоставления по напряжению: Пассивная сеть (часто LC-схема или заглушка), обеспечивающая максимальную передачу мощности от антенны к выпрямителю. На частотах радиочастот несоответствующие импедансы могут вызывать значительное отражение сигнала, теряя собранную мощность.Адаптивные схемы согласования, которые настраиваются на основе входящей частоты, являются активной областью исследования.
  • Ректор: Сердце комбайна. Диоды Шоттки являются классическим выбором из-за их низкого перепада напряжения (обычно 0,15–0,4 В) и быстрой скорости переключения. Для приложений с ультранизким энергопотреблением пользовательские выпрямители CMOS с использованием транзисторов с нулевым порогом могут дополнительно уменьшать потери. Ректоры могут быть сконфигурированы как полуволновые, полноволновые или удвоители напряжения / триплеры, в зависимости от требуемого выходного напряжения.
  • Элемент хранения энергии: Поскольку мощность окружающей среды радиочастотного излучения является прерывистой и низкой, собранная энергия должна накапливаться с течением времени. Суперконденсаторы (электрические двухслойные конденсаторы) идеально подходят для многих применений, поскольку они переносят миллионы циклов заряда-разряда без деградации. Крошечные перезаряжаемые батареи (например, литиевая тонкопленочная) используются, когда стабильное напряжение необходимо для устойчивой работы.
  • Схема управления питанием: Преобразователь постоянного тока или регулятор заправки обеспечивает подачу накопленной энергии при полезном напряжении (обычно 1,8 В, 3,3 В или 5 В). Эта схема также контролирует уровень энергии и может приводить в действие нагрузку только при накоплении достаточного заряда, что позволяет работать в рабочем цикле для датчиков, которые просыпаются каждые несколько минут.

Типичные энергетические бюджеты

Уровни мощности, доступные от окружающих радиоволн, чрезвычайно низки по сравнению с солнечной или тепловой уборкой. В типичной домашней среде, далекой от любого сильного передатчика, доступная мощность может быть в диапазоне 1-10 мкВт. Датчик, который потребляет 100 мкВт в то время как активен, но спит в течение 99% времени, может работать от комбайна, который захватывает в среднем 1 мкВт, при условии адекватного хранения энергии. Этот подход с рабочим циклом является ключом к практическому использованию окружающей радиочастотной уборки. Например, датчик температуры и влажности в умном доме, который пробует один раз каждые 5 минут, может накапливать достаточно заряда от окружающих Wi-Fi и сотовых сигналов для питания чтения и короткой беспроводной передачи (например, с использованием Bluetooth Low Energy или ] Zigbee .

Применение в технологии умного дома

Обещания устройств умного дома с питанием от окружающей среды уже переходят от лабораторных прототипов к ранним коммерческим продуктам. Наиболее убедительными приложениями являются те, которые требуют только случайной связи и могут выдерживать кратковременную задержку - именно профиль многих датчиков домашней автоматизации.

Самоуправляемые экологические датчики

Термостаты, мониторы влажности, датчики качества воздуха и датчики света могут быть размещены в любом месте без изменений проводки или батареи. Например, датчик контакта с окном на основе окружающей среды собирает энергию из сигналов 900 МГц, излучаемых соседним сотовым макроэлементом или из собственного маршрутизатора Wi-Fi дома. Когда окно открывается, датчик передает сигнал в концентратор домашней автоматизации. Поскольку датчик отправляет данные только при изменении состояния, средняя потребность в мощности падает до низкого диапазона микроватт.

Занятость и обнаружение движения

Пассивные инфракрасные (PIR) датчики являются основным элементом интеллектуального освещения и безопасности, но они требуют источника питания. RF-сборный PIR-датчик может быть установлен в потолочном углу, питаясь от агрегированной окружающей энергии от близлежащих электронных устройств. Достижения в сверхнизкоэнергетических PIR-контроллерах, таких как те, что от Texas Instruments , позволяют работать до нескольких микроватт при сохранении чувствительности.

Кнопки и коммутаторы Smart Home

Беспроводные выключатели без батареи являются одним из самых ранних коммерческих приложений. Вместо использования пьезоэлектрической энергии от пресса (как стандарт EnOcean), более новые конструкции собирают окружающую радиочастотную энергию из домашней среды для питания небольшого передатчика. Пользователь, нажимающий механический переключатель, запускает сохраненный выброс энергии, который отправляет пакет 2,4 ГГц в концентратор. Сам переключатель никогда не нуждается в батарее, потому что он просачивается от окружающих беспроводных сигналов комнаты.

Отслеживание активов и мониторинг состояния

Помимо удобства потребителей, сбор энергии в окружающей среде может питать метки для отслеживания ценных предметов внутри дома, таких как ключи, кошельки или пульты дистанционного управления. Эти метки передают периодический маяк или реагируют на считыватель, и они собирают достаточно энергии из собственного сигнала считывателя (обратная связь) или из фонового радиочастотного сигнала, чтобы оставаться в рабочем состоянии на неопределенный срок.

Преимущества сбора энергии окружающей радиоволны

  • Устранение аккумуляторов:] Единственная наиболее эффективная выгода. Батареи содержат токсичные материалы, со временем разрушаются и требуют утилизации. Удаление их из миллионов небольших устройств умного дома резко снижает затраты на электронные отходы и техническое обслуживание.
  • Устройства без проводов: Устройства, работающие на окружающей среде, не нуждаются в жесткой проводке и периодических заменах батарей. Это позволяет модернизировать датчики в исторических зданиях, бетонных стенах или недоступных потолочных полости.
  • Истинная автономность: После установки устройство с питанием от окружающей среды может работать в течение десятилетий, если среда радиочастотной связи остается стабильной. Эта надежность идеально подходит для дымовых сигнализаций, детекторов угарного газа и других устройств безопасности, которые должны работать без вмешательства человека.
  • Экологическая устойчивость: Сбор энергии, которая в противном случае была бы потрачена впустую, соответствует принципам круговой экономики. Это уменьшает углеродный след, связанный с производством аккумуляторов и заменой логистики.
  • Сокращение затрат с течением времени:] Хотя первоначальная стоимость ИС и антенны для сборки радиочастотного комбайна немного выше, чем простое подключение к батарее, общая стоимость владения резко падает, потому что нет повторяющихся расходов на батарею или рабочей силы для изменений.

Проблемы и технические трудности

Несмотря на свои обещания, сбор энергии из окружающей среды не является серебряной пулей. Технология сталкивается с несколькими фундаментальными препятствиями, которые в настоящее время ограничивают ее широкое распространение.

Низкая плотность энергии

Доступная плотность мощности от источников окружающей среды чрезвычайно низка. В типичном пригородном доме, вдали от любой широковещательной башни, общая мощность радиочастотного сигнала может быть менее 1 мкВт. Это на порядки ниже того, что необходимо для питания непрерывного потокового устройства или двигателя. Даже при дежурном цикле многие приложения требуют тщательной оптимизации как комбайна, так и нагрузки. Исследователи изучают антенны на основе метаматериала, которые могут концентрировать поступающую энергию радиочастотного излучения, выталкивая собранную мощность в диапазон 10-100 мкВт в умеренных сигнальных областях.

Частотно-специфический сбор урожая

Большинство радиочастотных комбайнов рассчитаны на определенные полосы частот, где сила сигнала самая высокая. Однако доминирующие частоты варьируются в зависимости от местоположения и даже времени суток. В центре города сотовая полоса (700-900 МГц) может быть самой сильной; в сельском доме может доминировать FM-радио (88-108 МГц) или телевизор (470-700 МГц). Широкополосные антенны и многополосные выпрямители добавляют сложность и стоимость, и они часто имеют более низкую эффективность, чем узкополосные конструкции.

Вмешательство и переменность сигнала

Окружающая среда РЧ не является статической. Люди движутся, устройства включаются и выключаются, а изменения нагрузки сети могут вызвать резкое падение доступной мощности. Уборщик, который хорошо работает в полдень, может выйти из строя в полночь, когда меньше устройств активны. Хранение энергии может сгладить краткосрочные колебания, но длительные периоды низкой энергии (например, во время отключения сети) могут истощить хранилище и вызвать отказ устройства.

Нормативные ограничения

Большинство стран ограничивают мощность, которую беспроводные устройства могут преднамеренно излучать, и окружающие сигналы регулируются аналогичным образом. Хотя сборка пассивна и обычно не регулируется, антенны и схемы не должны вызывать помехи. Кроме того, некоторые полосы частот (например, лицензированная сотовая связь) не предназначены для публичного повторного использования, хотя сбор, как правило, разрешен, пока устройство не передает. Правовая ясность важна для развертывания продукта.

Будущие перспективы и инновации

Область сбора энергии в окружающей среде быстро развивается, что обусловлено взрывным ростом IoT и устройств умного дома. Несколько новых тенденций указывают на будущее, где многие датчики действительно работают на себя.

5G и сбор миллиметровых волн

Сети 5G используют более высокие частоты (24 ГГц и выше) и формирующие луч для доставки интенсивных, направленных сигналов. В то время как потеря пути распространения выше, плотность мощности в основной доле луча может составлять десятки или даже сотни микроватт на квадратный сантиметр. Малые ректенны, предназначенные для этих частот mmWave, могут собирать больше энергии, чем текущие УВЧ-уборочные комбайны. Исследовательские прототипы уже продемонстрировали 10-20 мкВт на расстоянии 10 метров от базовой станции 5G.

Двухрежимные устройства

Многие продукты для умного дома теперь сочетают сбор окружающей радиочастотной энергии с вторичным энергосберегающим устройством, таким как небольшой солнечный элемент или термоэлектрический генератор, для обеспечения надежной мощности в различных условиях. Например, беспроводной датчик температуры может полагаться в первую очередь на сбор радиочастотной энергии в течение дня (когда использование Wi-Fi высокое) и переключаться на солнечную энергию в течение ночи, если радиочастотная среда ослабевает. Этот многоисточниковый подход значительно повышает надежность.

Интеграция с умными домами

Будущие центры умного дома (например, Amazon Echo следующего поколения или Google Nest Hub) могут быть разработаны для трансляции специального радиочастотного маяка малой мощности специально для питания близлежащих датчиков. Этот «выделенный окружающий» сигнал будет управляться и прогнозироваться, обеспечивая постоянный источник энергии для всех совместимых устройств в пределах нескольких метров. Такой подход уже используется некоторыми беспроводными зарядными системами, работающими в диапазоне ISM с частотой менее 1 ГГц.

Достижения в области электроники с ультранизким энергопотреблением

Микроконтроллеры, датчики и радиоприемники продолжают потреблять меньше энергии. Современные 5 SoC Bluetooth могут работать со средним током в несколько микроампер при рабочем цикле. Это снижение нагрузки непосредственно снижает порог для уборочной мощности радиочастотной энергии, что делает сбор окружающей среды возможным для более широкого спектра применений.

Заключение

Использование радиоволн окружающей среды для питания устройств умного дома представляет собой элегантное решение одной из самых постоянных проблем IoT: необходимость в устойчивой, не требующей обслуживания мощности. В то время как технология в настоящее время лучше всего работает для датчиков с низким энергопотреблением, работающих на рабочем цикле в богатых сигналами средах, постоянные улучшения в конструкции антенн, эффективности выпрямителя, хранении энергии и электронике сверхнизкой мощности неуклонно расширяют свой практический охват. По мере того, как умные дома становятся плотнее с подключенными устройствами, окружающая энергия радиочастот, которая пронизывает наши жилые помещения, все чаще становится ресурсом, а не неприятностью. Путь к по-настоящему свободным от батарей домам не только научно правдоподобен, но и коммерчески неизбежен. Разработчики, менеджеры зданий и домовладельцы должны начать оценивать сбор энергии радиочастот как жизнеспособный вариант для их следующего поколения беспроводных устройств.