射頻技術(shù)的應(yīng)用及如何從其中進(jìn)行能量采集

我們都聽到了空氣中有能量的表達(dá)。大多數(shù)人都將其與興奮和熱情聯(lián)系在一起，但實(shí)際上，根據(jù)其定義，空氣中存在能量：來自利用物理或化學(xué)資源提供工作能力的能量。從純物理學(xué)的角度來看，只要某些東西不是絕對(duì)零，它就有能量。從經(jīng)典的牛頓觀點(diǎn)來看，大量的光子，電子，氣體分子和運(yùn)動(dòng)中的粒子都有能量。從愛因斯坦的觀點(diǎn)來看，空氣分子的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為E = MC 2 能量。

更好的是，所有這些自然產(chǎn)生的能源都加入了我們現(xiàn)代化的射頻技術(shù)，將數(shù)百萬瓦特輸送到大氣中。這種RF能量在AM和FM等不同頻段內(nèi)是穩(wěn)定狀態(tài)，甚至在擴(kuò)頻范圍內(nèi)也是如此 - 只要您的調(diào)諧電路可以從與RF傳輸相關(guān)的電磁場中提取可用能量。

本文著眼于從RF信號(hào)中獲取能量，以及如何將其用于為眾多無線和分布式傳感器，無線電和物聯(lián)網(wǎng)連接的監(jiān)控設(shè)備供電。

空間利用

如果您正在開發(fā)用于手持設(shè)備的IC，那么“越小越好”這一概念可能屬實(shí)，但在能量收集方面，小一些并不總是更好RF能量，其中表面積或橫截面積與可收集的能量的量成比例。例如，較大的天線可用于增加拾取信號(hào)強(qiáng)度。在某些情況下，天線陣列可以構(gòu)建在一個(gè)結(jié)構(gòu)中，而不是視覺上的減法。甚至可以將天線陣列編織成壁紙或紡織品。

更重要的是，沒有理由不能使用聚光器，特別是在房間的角落。簡單的反射器可以使有效表面積倍增，從而為實(shí)際拾取點(diǎn)提供更集中的能量?？梢园阉胂蟪梢粋€(gè)低分辨率的有限元拋物面碟。當(dāng)您對(duì)無線能量傳輸源有清晰的視線時(shí)，這種方法會(huì)變得更加吸引人。

這為收集射頻能量以供電子電路和傳感器提供了另一個(gè)考慮因素。如果沒有來自本地源的足夠環(huán)境RF能量，我們可以設(shè)計(jì)激勵(lì)器發(fā)射器，可用于為遠(yuǎn)距離傳感器陣列供電。然后，每個(gè)傳感器可以無線通信。例如，超高電氣隔離的好處可以使這些類型的無線能量采集器直接連接到超高壓電力線。

實(shí)際的捕捉元素可以是天線，天線陣列或感應(yīng)線圈。正確調(diào)諧后，線圈可以非常有效地?zé)o線傳輸能量。值得注意的一點(diǎn)是，當(dāng)沒有射頻源時(shí)，可以無線提取能量。例如，吉他拾音器將從近距離的金屬振動(dòng)中獲取能量。此外，正如許多非雙線圈吉他手所知，它還會(huì)拾取寬帶射頻能量甚至無線電臺(tái)信號(hào)。

在其他情況下，平面平面線圈可以安裝在薄的保護(hù)層后面，不會(huì)削弱射頻能量。通常，直徑越大，波長越長;天線線圈的每個(gè)連續(xù)包裹都與提取的能量相加。

設(shè)計(jì)工程師可以設(shè)計(jì)自己的定制線圈以獲得最佳配合，或使用預(yù)制線圈和線圈組件。一種途徑是使用設(shè)計(jì)用于近距離無線充電的線圈組件。如果耦合到低損耗調(diào)諧電路并且在存在足夠信號(hào)提取時(shí)，這些可以適于從不同頻帶提取RF能量。接收器可以通過使用更多的線圈匝數(shù)和更大的橫截面積來最大化提取的信號(hào)，因此可以在此使用單線圈組件或模塊，如TDK WT-505060-10K2-A11-G和WRM483245-15F5-5V-G （圖1）。這些可以輕松地作為發(fā)射器或接收器安裝到您自己的面板上。

圖1：平面預(yù)制線圈組件可用于創(chuàng)建近距離，電隔離的電力傳輸?shù)綗o線傳感器，如穿墻傳感。

Wurth Electronics 760308104119等多線圈組件可以從對(duì)齊的源中提取更多能量，并可用于為微控制器和模擬信號(hào)級(jí)提供真正隔離和獨(dú)立的能量。注意，任何平面發(fā)射器和接收器的方向應(yīng)垂直于波傳播方向。使用這些線圈的穿墻式隔離無線傳感器可以允許化學(xué)倉庫在其封閉容積內(nèi)使用無活性能源來監(jiān)測爆炸性條件。

收獲時(shí)間

一旦你建立了能量捕獲技術(shù)并且正在捕獲未經(jīng)調(diào)節(jié)的原始電源，德州儀器的專用電源管理IC等部件就可以將這些電源調(diào)節(jié)為可用的形成。一個(gè)很好的例子是TI BQ25570RGRT，它可以提取低至488 nA的電流并使其可用。初始冷啟動(dòng)電壓為330 mV將觸發(fā)此組合升壓/降壓穩(wěn)壓器，效率高達(dá)93％（圖2）。一旦激活，可以從低至100 mV的電壓源提取可用功率，以驅(qū)動(dòng)內(nèi)部電池充電器和電壓監(jiān)控器。該部件還具有過充電保護(hù)和電壓監(jiān)控器。

圖2：結(jié)合升壓轉(zhuǎn)換器和降壓轉(zhuǎn)換器技術(shù)，該能量采集器即使在低電壓下也能提供高轉(zhuǎn)換效率。

TI的BQ25570EVM-206能量收集評(píng)估套件將幫助工程師以低成本快速測試該技術(shù)。其納米功率管理功能還包括可編程的最大功率點(diǎn)跟蹤采樣網(wǎng)絡(luò)。這樣可以優(yōu)化功率傳輸。

也可以使用像Qi這樣的更復(fù)雜的無線充電協(xié)議，但這些協(xié)議應(yīng)限于近距離傳感器，例如穿墻傳感器驅(qū)動(dòng)器。有趣的是，這是一個(gè)高級(jí)協(xié)議，雙向通信回到充電器激勵(lì)器。此外，還有幾種符合國際標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)IC。

例如，考慮專用發(fā)射器芯片，如TI的BQ500210RGZT，或東芝TB6860WBG，EL功率接收器芯片。在每種情況下，它們都可以是低功耗微控制器和傳感器陣列的外圍芯片。雖然這些符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的短距離充電，但更高功率水平，聚焦發(fā)射器和聚光接收器可以讓這種設(shè)置在更長的距離上工作，用于穿墻式攝像機(jī)，通信集線器和無線網(wǎng)橋。

更長距離的鏈接

對(duì)于更長的距離，其他射頻技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)可能更適合。例如，RFID Gen II標(biāo)準(zhǔn)提供幾乎5瓦的發(fā)射功率，可以為電路供電，為電池和超級(jí)電容器充電，并在距離高達(dá)30英尺的地方為通信鏈路供電。

amsSL900A-AQFM傳感器標(biāo)簽使用符合RFID Gen II UHF標(biāo)準(zhǔn)的RFID應(yīng)答器和嵌入式讀寫非易失性存儲(chǔ)器（圖3）。這是遠(yuǎn)程和分布式傳感器以及數(shù)據(jù)記錄器的理想選擇。本地SPIO可以將低功耗微配置，記錄和傳輸數(shù)據(jù)傳回接收器，所有RF和電源管理功能均可通過1.5 V單節(jié)充電電池工作。它還支持讀者領(lǐng)域的能量收集。

ams視頻“利用傳感器解決方案塑造世界”描述了這項(xiàng)技術(shù)，可以在Digi-Key網(wǎng)站上找到。

圖3：RFID Gen II系統(tǒng)一次可提供近5瓦的射頻功率。這允許感官標(biāo)簽從RF場收集足夠的能量并傳回。

為什么不使用Wi-Fi？

Wi-Fi發(fā)射器也能耗盡功率，可用作為傳感器和收發(fā)器供電的能源。與低頻無線充電器和UHF標(biāo)簽不同，Wi-Fi使用2.4和5 GHz頻段并且“突發(fā)”并且有些不一致，因?yàn)樗蕾囉诹髁磕Ｊ揭约霸谠S多時(shí)隙頻率中放置一定量的RF能量酒花。

然而，這里有能源，華盛頓大學(xué)已經(jīng)證明Wi-Fi信號(hào)可以為遠(yuǎn)程傳感器，電池充電器和視頻鏈路提供足夠的能量。 > 1 （圖4）。

圖4：Wi-Fi驅(qū)動(dòng)的傳感器，電池充電器和視頻鏈接現(xiàn)在開始取得進(jìn)展。期待看到更多。

在生活區(qū)和工作場所長期和長期接觸大量射頻能量的安全性和影響方面，還有很多工作要做，也有很多討論。但是使用RF進(jìn)行能量收集的技術(shù)顯然是可行的。由于發(fā)現(xiàn)了巧妙的方法來提取我們周圍的能量，因此對(duì)于許多應(yīng)用而言，使用能量電池和電池的需求最終可能成為過去。

有關(guān)本文中討論的部分的更多信息，請(qǐng)使用提供的鏈接訪問Digi-Key網(wǎng)站上的產(chǎn)品頁面。

參考文獻(xiàn)

Wi-Fi Ambient反向散射通信