The Untapped Potansiyel of Ambient Radio Waves

Her gün, çevremizdeki hava sürekli bir radyo frekansı (RF) sinyalleri ile doludur. Radyo ve televizyon yayın kuleleri, hücresel temel istasyonlar, Wi-Fi yönlendiricileri, uydu iletişimleri ve hatta benim akıllı IoT cihazlarımız, çevremizi elektromanyetik enerji ile ısıtın. On yıllardır, bu enerji en iyi bir müdahale probleminde ve en kötü görünmez bir atıkların değiştirilmesinde kabul edilir.

The Science Behind Ambient Radio Wave Energy

Orta radyo dalgaları elektromanyetik spektrumun alt kümesidir, genellikle birkaç kilohertz'dan yukarı 4G, 5G ve Wi-Fi tarafından kullanılan gigahertz frekanslarına kadar uzanır. Bu dalgalar, sıradan bir kentsel veya banliyö ortamında, çevrede RF güç yoğunluğu, ortak frekanslarda (FM radyo, televizyon, cep telefonu, Wi-Fi) birkaç metre kareye yakın bir şekilde değişir.

Bu düşük seviyeli RF enerjisini, doğrudan mevcut (DC) elektrik merkezi meydan okumadır. Süreç, oscillating elektromanyetik alanı yakalayan ve terminallerinde özel olarak tasarlanmış bir gerilim yaratır. Çünkü gelen sinyal radyo dalgası, orijinal iletim frekansında alternatif gerilimler - megahertz veya gigahertz'ın keskinleştirici bir şekilde şarj edilmesi veya özel olarak tasarlanmış bir Schottky diyot veya özel olarak tasarlanmış bir bütünleme devresi haline gelir.

Temel ilke elektromanyetik indüksiyon ve yenidenlaştırmanın fizikte temel ilkedir. Klasik anlamda, radyo dalgasının elektrik alanı bileşeni, anten iletkeninde ücretsiz elektronlara karşı bir kuvvete sahiptir, bir gerilimin azaltılmasında anahtarını azaltır: Multi- aşamalı gerilim çok şarj edicileri kullanmak (örneğin Dickson pompaları) mikro bir kontrol veya görüntüleyiciyi artırmak için yeterince yüksek bir sensör sağlamak için yeterlidir.

Nasıl Ambient RF Enerji Hasat İşleri

RF Enerji Silerinin Temelleri

  • [FONT:0]Antenna:[Dönder:[Dönder:[Dönder:0)[[Dönderlik, geniş bant ve orta kazançlar genellikle Wi-Fi tarafından kullanılan yüksek çözünürlükte, basılı dipolyumlar ve hatta fraktal antenler yaygındır.
  • [FONT=0] Eşleştirme Ağı:[Dönetici:[Dönetici: 0) Bir x devre veya bir ub) antenden gelen maksimum güç transferini geri yüklemeye olanak sağlayan bir akıştır. RF frekanslarında, yanlış uyumlu dürtüler önemli sinyal yansımasına neden olabilir, gelen frekansına dayanan bir uyumsuz eşleştirme devreleri kendilerini bir araştırma alanıdır.
  • [FONT=0)Rectifier:[Dönetici:[Dönetici: 0 ) Kombine transistör kullanan özel CMOS retifiers, düşük ileri gerilim damlaları nedeniyle klasik seçimdir (tipik olarak 0.15-0.4 V) ve hızlı geçiş hızları için.
  • [FONT=0)Energy Storage Element:[Dönetici:[Dönetici:0)[değiştir | kaynağı değiştir] çünkü RF gücü geçici şarj edici bataryalar (örneğin, sabit bir gerilimin sürekli operasyon için gerekli olduğu zamanlar kullanılır.
  • [FONT=0)Power Management Circuit:[Dönetici: [Dönetici: 0,3 V veya 5 V) Bu devre aynı zamanda sadece yeterli şarj bir şekilde biriktirildiğinde yükyü de takip eder - her birkaç dakika uyanan sensörler için görev döngüsü sağlar.

Tipik Güç Bütçeleri

Ortam radyo dalgalarından elde edilen güç seviyeleri güneş veya termal hasat ile karşılaştırıldığında son derece düşük. Ortalama olarak 1 μW'yi yakalayan bir hasat ortamında, yeterli enerji depolama alanı sağlayabilir.Bu görev döngüsünde RF μW. Örneğin, her 5 dakika boyunca aktif olan bir sensör, akıllı bir ev sıcaklığı ve nem sensörü, bir kez Wi-Fi'yi yakalamak için yeterli miktarda şarj edilebilir.

Akıllı Ev Teknolojisi Uygulamaları

Ortam destekli akıllı ev cihazlarının vaadi zaten laboratuvar prototiplerinden erken ticari ürünlere hareket ediyor. En zorlayıcı uygulamalar sadece fırsata ihtiyaç duyan ve kısa geçliğe tahammül edebilecekler - birçok ev otomasyon sensörlerinin profiline uygun olarak.

Kendi kendini Güçlendirilmiş Çevre Sensörleri

Termostatlar, nem monitörleri, hava kalitesi sensörleri ve ışık sensörleri, kablo veya batarya değişiklikleri olmadan herhangi bir yere yerleştirilebilir. Örneğin, bir ortam destekli pencere iletişim sensörü, yakındaki bir hücresel makrocell veya ev içi kendi Wi-Fi yönlendiricisi tarafından yayılan 900 MHz sinyallerinden enerji alır.

Occupancy and Motion Detection

Pasif kızılötesi (PIR) sensörleri, yakın elektronik cihazlardan gelen arsalı ortam enerjileri tarafından oluşturulan bir yüzeyde, arsadaki yüksek çözünürlükte, örneğin, 0:0)Texas Instruments)

Smart Home Düğmeler ve Anahtarlar

Battery-free kablosuz ışık anahtarları, küçük bir dönüştürücüye sahip olan bir kullanıcıdan biri.Bir makineli geçişe baskı yapmak yerine, bir kanaldan diğerine geçiş yapan bir bataryaya asla ihtiyaç duymazlar çünkü odanın çevre kablosuz sinyallerinden scavenge ortam RF enerjisine ihtiyaç duymazlar.

Varlık İzleme ve Durum İzleme

Tüketici rahatlığının ötesinde, çevre RF enerji hasat, evin içinde değerli eşyaları takip etmek için güç etiketleri olabilir - anahtarlar, cüzdanlar veya uzaktan kontroller gibi. Bu etiketler bir periyodik bir kapa veya okuyucuya cevap verir ve okuyucunun kendi sinyalinden (geriye) yeterli enerji harcarlar veya son zamanlarda operasyonel olarak kalmak için RF.

Ambient Radio Wave Energy Harvesting Avantajları

  • [[Düzg:0) Pillerin Elminasyonu:[Dönetici:[Dönetici:0) Piller, en etkili faydayı içerir. Bataryalar, zaman içinde toksik malzemeler içerir ve tasarruf gerektirir.Onlara milyonlarca küçük akıllı ev cihazı dramatik bir şekilde e-zarar ve bakım maliyetlerini azaltır.
  • [FONT:0]Wire-Free Installation:[Dönetici RF tarafından desteklenen cihazlar sert kablolara ve periyodik batarya takaslara ihtiyaç duymazlar. Bu, tarihi binalarda, beton duvarlarda veya ulaşılamaz tavan boşluklarında retrofitting sensörleri sağlar.
  • [FONT:0) Gerçek Autonomy:[Dönetici:[Dönetici: 0,4, 1 ) Bir kez kurulduktan sonra, RF ortamı stabil kalırsa on yıllardır çalışılabilir. Bu güvenilirlik, sigara alarmları, karbon monoksitleri ve insan müdahalesi olmadan çalışma gereken diğer güvenlik cihazları için idealdir.
  • [FONT:0)Environmental Sürdürülebilirlik: [Dönetici: Aksi takdirde, dairesel ekonomi ilkeleri ile boşanmış enerjiler, batarya üretimi ve değiştirme lojistik ile ilişkili karbon ayak izi azaltır.
  • [FONT:0]Zamanın Yeniden İncelenmesi: [Döntilmiş Bir RF hasat IC ve antenin ilk maliyeti basit bir batarya bağlantısından biraz daha yüksek olsa da, toplam mülk tesisatlarının maliyeti, çünkü değişiklikler için tekrarlanan batarya harcamaları veya iş yoktur.

Meydanlar ve Teknik Hurdles

Sözcülüğe rağmen, çevre RF enerji hasatı bir gümüş mermi değildir. Teknoloji şu anda yaygın olarak kabulünü sınırlayan birkaç temel engelle karşı karşıyadır.

Düşük Enerji Yoğunluğu

Ortam kaynaklarından mevcut güç yoğunluğu son derece düşük. Tipik bir banliyö evinde, herhangi bir yayın kulesinden uzak, toplam hasat edilebilir RF gücü 1 μW'den daha az olabilir. Bu, gelen RF enerjiye konsantre olan büyüklüğün altında, sürekli bir akış cihazı veya bir motora sahip olmak için gereken büyüklük siparişi alır.

Frekans-Specific

Çoğu ortam RF hasatçıları, sinyal gücünün en yüksek olduğu belirli frekans grupları için tasarlanmıştır. Ancak, baskın frekanslar yer tarafından değişebilir ve hatta gün geçtikçe daha karmaşık hale gelir.Bir şehir merkezinde, hücresel grup (700-900 MHz) daha güçlü olabilir; kırsal bir evde FM radyo (88-108 MHz) veya TV (470-700 MHz) veya TV (470-700 MHz)

Interference ve Signal Variability

Ortam RF ortamı statik değildir. İnsanlar hareket eder, cihazlar yukarı ve kapalı döner ve ağ yük değişiklikleri mevcut güçte keskin düşüşlere neden olabilir. Noon'da iyi çalışan bir hasat, daha az cihaz aktif olduğunda başarısız olabilir. Enerji depolama kısa vadeli dalgalanmalar, ancak uzun süre boyunca (örneğin, bir ağ kesintisi) depolama ve cihaz başarısızlığına neden olabilir.

Düzenlemeler

Çoğu ülke, kablosuz cihazların kasıtlı olarak yayabileceği gücü kısıtlar ve çevre sinyalleri benzer şekilde düzenlenir. hasat pasiftir ve genellikle düzenlenmez, antenler ve devreler müdahaleye neden olmamalıdır. Ayrıca, bazı frekans grupları (örneğin, lisanslı cep telefonu) kamu yararı için amaçlanmamıştır, ancak hasat genellikle cihaz iletilmemektedir.

Future Outlook ve Innovations

Ortam RF enerji hasat alanı, IoT ve akıllı ev cihazlarının patlayıcı büyümesi tarafından hızla ilerliyor. Birçok sensör gerçekten kendini güçlü olduğu bir geleceğe yönelik birçok trend noktası.

5G ve Millimeter-Wave Harvesting

5G ağları, yoğun, yönlendirilen sinyalleri sunmak için daha yüksek frekanslar (24 GHz ve üstü) kullanıyor ve kirişler, yönlendirilen sinyallerin yüksek olduğu gibi, bir kirişin ana lobunda 10 metre mesafedeki güç yoğunluğu, 5G üssü istasyondan bile yüzlerce mikrowatt olabilir. Küçük retennaslar mevcut olanUV hasat frekansları için tasarlanmıştı.

Dual-Mode Cihazları

Birçok akıllı ev ürünleri şimdi Orta Enerji scavenger ile birlikte yer alan RF hasatını birleştirir - küçük bir güneş hücresi veya termoelektrik jeneratörü gibi - farklı koşullarda güvenilir bir güç sağlamak. Örneğin, kablosuz sıcaklık sensörü, özellikle gün boyunca RF hasatına güvenebilir ( Wi-Fi kullanımı yüksek olduğunda) ve gece boyunca RF ortamı zayıflatırsa güneşe geçiş yapar.

Smart Home Hubs ile entegrasyon

Geleceğin akıllı ev merkezi (bir sonraki nesil Amazon Echo veya Google Nest Hub gibi) birkaç metre içinde özel olarak düşük güç RF arıtımı için özel olarak tasarlanmış bir RF beacon yayınlayabilir. Bu “zenginleştirilmiş ortam” sinyali kontrol edilir ve öngörülebilir olacaktır, birkaç metre içinde tüm uyumlu cihazlar için tutarlı bir enerji kaynağı sağlar.

Ultra-Low-Power Electronics'de ilerlemeler

Mikrokontrolörler, sensörler ve radyo transceivers daha az güç kullanmaya devam ediyor. ModernurFLT:0)Mavitooth 5 SoCs), görev döngüsünde birkaç mikroamp ile çalışabilir.Bu azalma doğrudan elde edilebilir RF gücü için eşiği tüketebilir, daha geniş bir uygulama yelpazesi için kullanılabilir hale getirebilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Akıllı ev cihazlarının gücü için hava dalgaları, IoT'nin en kalıcı problemlerinden birine zarif bir çözüm sunuyor: sürdürülebilir, bakımsız güç için ihtiyaç.Şu anda düşük güç için en iyi çalışırken, görev döngüsündeki sensörlerimiz anten tasarımında devam eden bir kaynak haline gelir, retifier, enerji depolama ve ultra-low-power elektronikleri pratik kapsamını sürekli olarak genişletir. Akıllı evler bağlantılı cihazlarla yoğun olarak optimize ederken, düşük güçle çalışırken, oturma alan RF enerjilerimiz giderek daha fazla enerjimizi değiştirir.