Сбор электрической энергии может происходить от разных источников. Наиболее часто используются: солнечная энергия, кинетическая, тепловая и электромагнитная энергия. Последний из этих типов во многом уникален. Сигнал RF (РЧ, радиочастотный) преодолевает многие ограничения, имеет большой радиус действия, доступен как в помещении, так и на улице, независимо от времени суток. Электромагнитные волны могут излучаться маршрутизаторами Wi-Fi, радио- и телевизионными передатчиками, базовыми станциями мобильной телефонии или различные устройства Bluetooth. Получение энергии из электромагнитных волн — одна из основных технологий, формирующих развитие Интернета вещей — IoT.
Мечта Николы Теслы о беспроводной передаче энергии на большие расстояния начала понемногу сбываться. Радиочастотные электромагнитные волны становятся альтернативным источником энергии, заменяющим батареи во многих устройствах. Генерация такой энергии уже используется в различных устройствах, связанных с медициной и здравоохранением, которые имеют низкое энергопотребление, что обеспечивает мобильность использования.
Утилизация использованных аккумуляторов тоже является серьезной проблемой. Многие АКБ попадают на свалку, что приводит к загрязнению почвы и воды. А наиболее эффективное решение, чтобы остановить это — ограничить использование батареек. Здесь именно достижения в области интеграции схем сбора РЧ-энергии с технологией CMOS позволяют создавать полностью автономные устройства. Использование технологии RFH снизит зависимость от батарей, что в конечном итоге окажет положительное воздействие на окружающую среду. Более того, процесс использования электромагнитной энергии не приводит к образованию отходов, так как это чистый источник электричества.
Продукты со встроенной беспроводной технологией питания могут быть защищены от условий окружающей среды, таких как влажность или доступ пользователя. Кроме того, разъемы и провода батареек могут быть исключены. В результате можно значительно повысить надежность и продлить жизненный цикл продукта. В радиусе действия подходящего РЧ-источника зарядка происходит автоматически и незаметно для пользователя, что также обеспечивает большее удобство.
Распространение электромагнитных волн
Поведение электромагнитных волн в значительной степени зависит от расстояния до передающей антенны, поэтому важно разделить его на две области: ближнее и дальнее поле. В то время как картина электромагнитной волны в дальнем поле относительно однородна, в ближнем поле электрические и магнитные элементы очень сильны и независимы, так что один элемент может доминировать над другим. Областью ближнего поля считается пространство, которое лежит в пределах расстояния Фраунгофера, а областью дальнего поля — вне этого расстояния. Распределение областей ближнего и дальнего поля показано на рисунке, где D — максимальный размер излучателя (или диаметр антенны), а лямбда — длина электромагнитной волны.
На небольшом расстоянии от антенны имеется неизлучающая/реактивная область ближнего поля, где поля Е и Н не совпадают по фазе и искажают результирующее значение энергии. Затем сталкиваемся с излучающим ближним полем (область Френеля), где реактивное поведение электромагнитных волн не является доминирующим, но фазы поля E и H все еще меняются с расстоянием. Отношения между электрическими и магнитными волнами в ближнем поле непредсказуемо меняются во времени и пространстве и слишком сложны для предсказания. Граница между областями Френеля и Фраунгофера в 4 раза больше расстояния Рэлея (вторая формула на рисунке).
Используя уравнение потерь на дистанции, можно указать мощность сигнала в дальней зоне. Но необходимо также учитывать влияние дополнительных факторов влияющих на процесс распространения, таких как отражение, дифракция, поглощение и другие. Кроме того, необходимо учитывать погодные факторы, такие как облачность, ветер, туман, снег и дождь.
Если погода туманная, дождливая или воздух влажный, ослабление ЭМ до 40 раз больше, чем в солнечный день.
Беспроводная передача энергии
Существует 2 основные формы беспроводной передачи энергии (WPT). Первый заключается в том, чтобы плотно соединить передатчик и приемник, создав между ними электрическое или магнитное поле, а затем используя его для передачи энергии. В некоторых схемах передачи энергии для соединения двух электродов используется электрическое поле. Многие другие, такие как индукционные плиты, электрические зубные щетки и зарядные устройства для беспроводных телефонов, генерируют электромагнитное поле в передатчике, индуцирующем электрический ток в ближайшем приемнике и позволяет ему заряжать аккумулятор.
Используется несколько технологий зарядки, таких как Qi (Wireless Power Consortium), каждая из которых имеет разные методы зарядки и максимальные расстояния.
Вторым важным подходом является радиационная связь, которая направляет пучок энергии, часто в форме высокочастотных радиоволн, на приемник, который хорошо настроен для захвата как можно большего количества этой энергии.
Системы ближнего поля передают энергию с помощью индукторов (рис. а), тогда как в системах дальнего поля для передачи и приема энергии используются всенаправленные антенны (рис. b) или антенные решетки с формированием луча (рис. с).
Вот блок-схема пути получения энергии из электромагнитных волн, дополненная перечнем проблем, возникающих на каждом этапе. Цепи антенны и выпрямителя являются ключевыми компонентами системы сбора радиочастотной энергии. Эти блоки отвечают за преобразование энергии электромагнитных волн в постоянный ток. В остальном одинаково для всех решений по сбору энергии, не только от ЭМ волн.
Что такое ректенна
Особым типом приемной антенны, которая также используется для преобразования электромагнитной энергии в постоянный ток, является прямоугольная – выпрямляющая антенна. Они используются в беспроводных системах передачи энергии с использованием радиоволн. Схема состоит из дипольной антенны с подключенным ВЧ-диодом. Диод выпрямляет переменный ток наведенный в антенне, для получения постоянного тока, питающего нагрузку подключенную к диоду. Большие цепи состоят из массива таких дипольных элементов.
Ещё в 1964 году продемонстрировали модель вертолета, работающего на микроволнах 2,45 ГГц. У него был пропеллер соединенный с прямоугольной антенной, которая напрямую преобразовывала принимаемые микроволны в постоянный ток.
Управление энергией
Вторым по важности элементом схемы выработки энергии является PMIC (интегральная схема управления питанием). Многие компании производят свои собственные PMIC для сбора радиочастотной энергии.
Чип AEM30330 от E-peas
Название компании является аббревиатурой Electronic Portable Energy Autonomous Systems. Компания E-peas разработала семейство микросхем под названием AEM (Ambient Energy Managers), что управляют собранной энергией, доставляемой к элементу хранения и, в конечном счете, к маломощному устройству. Чипы AEM характеризуются низкими потерями и позволяют получать энергию из различных источников, в основном для устройств IoT.
Для получения энергии от ВЧ-источников компания разработала пару полупроводниковых устройств AEM30940 и AEM40940. Для AEM30940 требуется внешний выпрямитель для преобразования входного переменного тока. Это позволяет получать энергию от таких источников, как пьезогенератор (вибрация), микротурбина и ВЧ. AEM40940 предназначена для извлечения энергии только из радиоволн и имеет внутренний выпрямитель очень малой мощности.
Предложенный в середине 2021 года новый чип E-peas, относящийся к третьему поколению — AEM30330, характеризуется значительными достижениями по сравнению с предыдущими поколениями. Он предназначен для извлечения энергии из электромагнитного (РЧ) сигнала и колебательной энергии (пьезо). Входной сигнал постоянного тока подключается к выводу SRC. Для радиочастотного сигнала требуется согласование внешней антенны и выпрямитель. Поддержка ввода обеспечивается модулем отслеживания точки максимальной мощности (MPPT) и модулем управления холодным запуском.
Когда входное напряжение превышает 275 мВ и мощность 3 мкВт (холодный старт), схема переходит в состояние WAKE-UP. Теперь она работает в очень большом диапазоне входных напряжений – от 100 мВ до 4,5 В. Схема может быть сконфигурирована с различными напряжениями элемента накопления энергии (от 1, от 50 В до 4,3 В), для работы с одним или двумя суперконденсаторами, батареями, например, Li-Ion, LiFePO4, Ni-MH, NGK Ni-Cd, Tadiran TLI1020A и HLC1020. В схему включен балансир, обеспечивающий выравнивание напряжения на двух последовательно включенных суперконденсаторах. Настройка выхода позволяет установить выходное напряжение в одно из значений: 1,2; 1,6; 1,8; 2,5; 3,3 В.
Чип объединяет все активные элементы, необходимые для питания типичного сенсорного модуля IoT. Достаточно присоединить 3 конденсатора и дроссель. К выводу STO необходимо подключить аккумулятор или конденсатор емкостью не менее 100 мкФ. В противном случае микросхема может быть повреждена. Конденсатор на выходе снижает уровень пульсаций и улучшает работу с импульсными нагрузками.
AEM30330 поставляется в корпусе QFN40. Версия с маркировкой AEM30300 представляет собой упрощенное решение (в корпусе QFN28) с очень похожими функциональными возможностями и рабочими параметрами.
Чип совместим с AEM10330 для получения энергии от фотоэлектрических источников. По сути, единственное отличие касается параметров работы автоматики MPPT – изменение временных параметров.
Системы получения энергии из радиоволн
Чтобы получить электричество из воздуха – Real Wireless Power, нужна схема со следующими характеристиками:
Эффективность – мощность должна быть сконцентрирована, она должна только или большая часть поступать непосредственно на выбранные устройства для обеспечения требуемой производительности;
- Таргетинг – питание должно подаваться только на выбранное, а не на все близлежащие устройства;
- Мобильность – должна обеспечивать мобильность при подаче питания. Не должно быть отключения от источника питания;
- Любое место – не должно требовать размещения приемника в пределах прямой видимости передатчика. Питание должно быть получено аналогично использованию Wi-Fi, вне зависимости где находится концентратор Wi-Fi;
- Безопасность – мощность беспроводной сети должна быть на том же уровне безопасности, что и Wi-Fi и Bluetooth.
Технология Smart RF Lensing от GuRu Wireless
Большинство доступных продуктов для беспроводной зарядки основаны на открытом стандарте Qi, разработанном WPC (Wireless Power Consortium). В этом стандарте силовые катушки, встроенные в беспроводное зарядное устройство, должны быть согласованы с устройством, чтобы оно могло заряжаться.
Инновационный подход GuRu Wireless использует так называемые высокочастотные лучи радиоволн — ту же полосу частот, что и 5G, для беспроводной зарядки. Платформа интеллектуально направляет радиосигналы на устройства с небольшой печатной платой, называемой блоком восстановления, который информирует генератор о своем присутствии и отправляет информацию о том, где находится устройство и сколько энергии ему нужно. Основное различие между технологией Smart RF Lensing и стандартной технологией беспроводной зарядки заключается в том, что GuRu избирательно посылает энергию в очень маленькое место, иногда даже располагая энергию в пределах пары сантиметров вокруг устройства. GuRu управляет технологией миллиметровых волн используя ряд алгоритмов для индивидуального управления большим набором волновых передатчиков. Благодаря технологии Smart Lensing можно направить энергию именно туда где она нужна.
А недавно Motorola объявила об инициативе оснастить некоторые смартфоны следующего поколения беспроводной зарядкой. Motorola будет использовать запатентованную технологию GuRu для создания смартфонов первого поколения, способных получать беспроводное питание в пределах метра от беспроводного передатчика – направленным радиолучом.
Powercast-решения
Powercast является пионером и лидером в технологии беспроводной зарядки на большие расстояния, которая использует радиочастотную энергию преобразованную в постоянное напряжение. С 2003 года компания предлагает решения, объединяющие микросхемы передатчиков и приемников, обеспечивающие автоматическую беспроводную зарядку нескольких устройств без ковриков для зарядки или прямой видимости. Эта технология удаленной зарядки ведет себя как сеть Wi-Fi, где включенные устройства автоматически заряжаются когда находятся в пределах досягаемости передатчика мощности. Интеллектуальный, настраиваемый и управляемый чип, он может автоматически активироваться, когда устройства необходимо зарядить, и выключаться, когда они закончат свою работу, или может непрерывно подавать питание. Компания предлагает широкий набор комплектующих и чипов:
Интегральные схемы:
- микросхема PCC110 (корпус SC-70) в сочетании с настроечными элементами и антенной позволяет получать энергию радиочастотных волн с частотами от 10 МГц до 6 ГГц и мощностью в диапазоне от -18 дБм до +2 дБм с эффективностью до 75%;
- микросхема PCC114 имеет те же параметры, но меньший корпус 1 х 0,6 х 0,3 мм и является версией для встраиваемых устройств, таких как смарт-карты или слуховые аппараты;
- В состав PCC210 (корпус SOT23-6) входит повышающий DC/DC преобразователь – работает от напряжения 0,4 В на входе, с КПД до 95% и обеспечивает напряжение до 5,5 В и ток до 50 мА.
Приемные модули – легко интегрируются и рекомендуются для небольших производственных проектов, требующих простой реализации. Модули содержат все согласующие компоненты для приема радиочастотной мощности в диапазоне 850…950 МГц, с оптимизацией также для 915 МГц.
Модуль P211B включает в себя преобразователь RF/DC (энергия хранится в конденсаторе) и дополнительный повышающий преобразователь DC/DC, обеспечивающий регулируемое напряжение от 2 до 5,5 В (номинал 3,3 В) и ток до 275 мА (0 дБм) с КПД 85%. Схема работает при мощности радиосигнала от -12 до +10 дБм. Общий КПД RF-DC может достигать 55%. Однако этот модуль работает только тогда, когда входная мощность RF превышает -11 дБм, что является довольно высоким уровнем по сравнению с минимальной чувствительностью WLAN (в диапазоне от -88 дБм до -65 дБм). Следовательно, устройство сбора РЧ-энергии должно быть размещено близко к источнику РЧ-энергии, что значительно ограничивает применение такого сбора энергии.
Возьмем, к примеру, передатчик, у которого мощность излучаемого сигнала составляет 60 Вт (48 дБм), тогда на расстоянии 100 м падающая мощность составляет всего 4,2 мкВт (-23 дБм). Но, при размещении Powercast P2110-EVB вблизи мобильного телефона, являющегося источником питания мощностью 250 мВт, то на расстоянии 15 см мощность падающего радиочастотного сигнала может достигать 8 мВт (9 дБм). Максимальная мощность, которую мобильные телефоны могут передавать в полосе частот 900 МГц, составляет 2 Вт, но средняя мощность передаваемая телефоном обычно составляет менее одной восьмой от этого максимального значения – 0,25 Вт.
Источником питания для приемников может быть одобренный FCC 2010 передатчик Powercaster мощностью 3 Вт, работающий на расстоянии до 20 метров. Передатчик использует модуляцию DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) мощности и амплитудную манипуляцию (ASK) для передачи данных и включает в себя встроенную направленную антенну с 70-градусной диаграммой направленности. Передатчик PowerSpot меньшего размера для бытовой электроники может быть автономным зарядным устройством или может быть встроен в потребительские товары.
Технология Cota Ossia
Новый подход к беспроводному электроснабжению был разработан Ossia. Их технология — Cota Real Wireless Power, предоставляющая энергию беспроводным способом (Over the Air — OTA) с использованием радиочастотных лучей 2,4 или 5,8 ГГц. Система способна передавать значительное количество энергии устройствам, находящимся на расстоянии многих метров, не подвергая находящихся рядом пользователей воздействию опасного уровня энергии электромагнитных волн. Большинство сторонних систем передают энергию с разной степенью эффективности, но нет гарантии, что механизмы безопасности избегают воздействия на пользователя. Технология Cota обладает уникальной способностью передавать энергию, избегая людей и животных. Это первый в своем роде продукт, отвечающий стандартам безопасности FCC в динамичной среде.
Система Cota — первая сертифицированная система (в США, ЕС и Великобритании), не требующая датчика движения или зоны отчуждения. Это означает, что это единственная беспроводная система питания, сертифицированная как безопасная для использования, когда в зоне зарядки присутствуют живые организмы. Она имеет самый высокий уровень радиочастотной мощности – устройства будут получать значительное количество энергии, но приемлемое для сертифицированной системы. Это очень важно, потому что другие беспроводные системы питания «дальнего действия», включая GuRu и Powercast, передают мощность при передаче в пределах прямой видимости (беспрепятственно), причём значения мощности достаточно велики, чтобы вызвать беспокойство пользователя.
Технология Cota использует некоторые свойства эффекта ближнего поля для увеличения расстояния, на которое она может передавать достаточную мощность. В ближнем поле поведение сигнала можно смоделировать с использованием бесконечного ряда, компоненты которого заставляют значение напряженности поля уменьшаться с расстоянием медленнее, чем можно было бы предсказать в более простой модели дальнего поля. Область ближнего поля передатчика можно увеличить, используя массив большего размера или более высокую частоту. Ближнее поле действующего демонстрационного блока системы Cota 2,4 ГГц, имеющего антенную решетку 60 х 60 см, простирается до 5 м. Ближнее поле системы 5,8 ГГц (при тех же габаритах) простирается дальше почти в 2,5 раза. Система Cota 5,8 ГГц может передавать от 2 до 3 Вт на приемник в пределах одного метра от передатчика,
Подход Ossia к беспроводному питанию можно определить как «РЧ-голографию». Cota — единственная технология которая может использовать пути отражения, позволяя доставлять энергию вне поля зрения. Он может подавать питание без необходимости прямой видимости между передатчиком и приемником. Когда линия прямой видимости затруднена, система будет использовать другие пути отражения, которые будут длиннее линии прямой видимости. Cota использует все доступные пути (прямой и отраженный) для подачи максимальной мощности на приемник.
Технология Cota работает следующим образом:
- приемник (Rx) имеет по крайней мере одну антенну, адаптированную к частоте питания, а передатчик (Tx) имеет сотни антенн как с горизонтальной, так и с вертикальной поляризацией (обычно 250+). Все антенны в системе являются одновременно передающими и приемными устройствами;
- приемное устройство отправляет маяк – короткий (десятки микросекунд) маломощный сигнал (около 5 мВт), содержащий идентификатор устройства;
- сигнал маяка рассеивается по окрестностям, отражаясь и преломляясь, и часть сигнала достигает сотен передающих антенн, когда все антенны находятся в режиме фазового детектирования;
- в режиме передачи энергии каждая антенна излучает комплексный сигнал обнаруженной фазы – отрицательную часть обнаруженной фазы. Это создаст сигнал который будет возвращаться к приемнику Rx, используя все возможные доступные пути и точно такие же пути, которые проследил маяк. Этот шаг практически не требует вычислений, то есть его можно выполнить с помощью вашей собственной локальной антенной решетки менее чем за 1 мкс, что снижает сложность системы, обеспечивая при этом надежность. Различные пути, по которым проходят сигналы обратной мощности, суммируются (они приходят в фазе с приемным устройством), так что передается максимально возможная мощность;
- маяк повторяется через соответствующие интервалы (каждые 100 мс), чтобы гарантировать, что устройство постоянно обновляет фазы в матрице Tx, чтобы мощность всегда концентрировалась на принимающем устройстве.
Было математически доказано что метод обратного направления обеспечивает максимально возможную связь между любыми двумя наборами антенн (максимальная передача мощности). Ни один другой метод, такой как формирование луча, генетический алгоритм или искусственный интеллект, не может достичь большего.
Система Ossia Cota состоит из базовой станции (передатчика энергии) и одного или нескольких удаленных приемников энергии. Базовая станция включает в себя большое количество приемопередающих элементов, которые обычно отключены и передают только в ответ на запрос в виде маякового сигнала генерируемого приемником энергии, встроенным в клиентское устройство. Передатчик мощности Cota использует чистую несущую (непрерывную волну или CW) для беспроводной передачи. Маяк приемника включает в себя идентификационный номер устройства и другую информацию о пользователе, такую как требования к питанию и уровень заряда. В приемнике используются высокоэффективные выпрямительные диоды для преобразования радиочастотного сигнала в постоянный. После преобразования понижающие/повышающие стабилизаторы используются для обеспечения стабильного питания постоянного тока с низким уровнем шума для батареи или устройства.
Технология Cota безопасна и эффективна в эксплуатации, принимая во внимание окружение и расположение принимающих устройств на которые подается питание. Благодаря возможности удаленного питания устройства по технологии Cota не требуется ни сканирование, ни триангуляция. Компоненты Cota могут беспрепятственно питать мобильные устройства в различных условиях. Встроенная интеллектуальная технология Cota гарантирует что питание не будет передаваться до тех пор, пока устройства не окажутся в пределах досягаемости. Когда принимающее устройство полностью заряжено или просто не заряжается, передатчик мощности находится либо в состоянии сна, либо питает десятки других небольших беспроводных устройств, которые могут нуждаться в подзарядке, таких как пульты дистанционного управления, часы, клавиатуры, детекторы дыма и так далее.
К примеру Ossia разрабатывает смарт-ценник, который позволяет ритейлеру обновлять информацию о цене и продукте, используя тот же беспроводной канал, который обеспечивает зарядку аккумуляторов. Каждый передатчик может работать с 1000 или более таких маломощных устройств.
Технология Energous WattUp
Корпорация Energous является лидером следующего поколения беспроводного питания и беспроводной зарядки 2.0. А WattUp представляет собой масштабируемую технологию на основе радиочастот, которая обеспечивает как беспроводную контактную зарядку, так и беспроводную зарядку для небольших электронных устройств. WattUp передает мощность в диапазонах, отличных от Wi-Fi или Bluetooth, не вызывая помех.
Микросхемы по технологии WattUp производятся в рамках стратегического партнерства компанией Dialog Semiconductor (ныне филиал Renesas) по лицензии Energous. Ключевые компоненты:
- Чипы DA2210 и DA2223 – оснащены четырьмя приемными трактами RF-DC, что позволяет подключать от 1 до 4 антенн в зависимости от требуемой мощности и имеющейся антенны. Антенны могут быть достаточно маленькими чтобы поместиться внутри ваших слуховых аппаратов. Как DA2210, так и DA2223 имеют внешнее согласование ВЧ входов для большей гибкости и эффективности преобразования ВЧ в постоянный ток. Выходы постоянного тока чипа имеют ограничители выходного напряжения. Микросхема DA2223 имеет два соединенных вместе вывода постоянного тока и меньший корпус 1,7 х 1,4 х 0,5 мм;
- Чип DA4100 – высокоинтегрированный радиочастотный передатчик, предназначенный для обеспечения оптимальной зарядки. Он поставляется с решением для управления энергопотреблением. Чип включает в себя процессор ARM Cortex, ОЗУ, ПЗУ, кварцевый генератор, таймер, ВЧ-преобразователь и усилитель с регулируемым коэффициентом усиления;
- Микросхема DA3210 – высокопроизводительный, мощный ВЧ усилитель мощности (1 Вт), который был разработан для обеспечения оптимальной зарядки приемных устройств WattUp совместно с беспроводным передатчиком DA4100. Включает детекторы входной и выходной мощности для регулирования мощности с обратной связью и встроенный датчик температуры;
- Компания Energous также разработала модуль EN7410M, который сочетает в себе передатчик Dialog DA4100 и ВЧ-усилитель мощности DA3210. Цепи соединены последовательно с фильтром гармоник для предотвращения нежелательных искажений.
Схема WattUp ближнего поля Dialog Semiconductor состоит из беспроводного передатчика мощности WattUp (DA4100), беспроводного усилителя мощности WattUp (DA3210), беспроводного приемника мощности WattUp (DA2210 или DA2223), регулятора постоянного тока, литий-полимерной батареи и зарядное устройство.
Опционально он включает канал связи BLE (DA14680, DA14681 или DA14585), который отслеживает состояние батареи между приемником WattUp и передатчиком. Это же можно использовать для предоставления пользователю полных возможностей управления питанием с помощью приложения WattUp, работающего на смартфоне или планшете. Антенны изготавливаются из дешевого материала печатных плат, гибких плат или металла.
Платформа «Sensing as a Service» от Williot
С момента своего основания в 2017 году стартап Wiliot разрабатывал системы Bluetooth, которые были бы достаточно маленькими, чтобы их можно было прикрепить к чему угодно, и достаточно дешевыми, чтобы их можно было рассматривать как одноразовый продукт. Wiliot IoT Pixels — это беспроводной микроконтроллер Bluetooth с низким энергопотреблением (MCU) с автономным питанием, который предлагает возможность обнаружения, расчета и связи. Он включает в себя блок управления питанием, несколько сенсорных интерфейсов, предохранительный механизм и энергонезависимую память для программирования и настройки. Использует дешевые и быстрые производственные процессы, что снижает затраты. Чип изготавливается с использованием тех же инструментов и процессов, что и высокочастотные (HF) и сверхвысокочастотные (UHF) метки.
В сочетании с облачной платформой он может обеспечивать базовые функции датчиков в реальном времени, такие как измерение температуры и влажности, манипулирование и обнаружение движения, мониторинг скорости заполнения и многое другое. Чипы отправляют зашифрованные и аутентифицированные пакеты по беспроводной сети, а облако обеспечивает расшифровку, аутентификацию, контроль доступа и интеллектуальную обработку датчиков.
С другой стороны, алгоритм машинного обучения основанный на облаке Wiliot, переводит необработанную сенсорную информацию в соответствующие физические области, такие как изменение температуры или движение.
В настоящее время Wiliot лицензирует свою технологию IoT Pixel другим компаниям, в том числе крупным поставщикам RFID-меток, таким как Avery Dennison. Эти компании могут производить IoT Pixel на тех же машинах, которые они используют для производства RFID-меток. В октябре 2021 года Wiliot заключила партнерское соглашение с Energous и интегрировала технологию активного сбора энергии Energous WattUp мощностью 1 Вт в качестве нового варианта питания меток Wiliot IoT Pixel.
Инновации в передаче энергии
Инновации будут играть ведущую роль в стимулировании развития. Интересно, что большинство компаний в сфере производства энергии начинали как исследовательские стартапы. Последние интересные достижения в этой области являются плодом работы научно-исследовательских учреждений.
Графеновый выпрямитель
Слой атомов углерода толщиной в один атом, расположенных в двумерной гексагональной сетке, представляет собой графен. Таким образом, это самый тонкий из известных материалов и в то же время чрезвычайно прочный (примерно в 200 раз прочнее стали). Он является отличным проводником тепла и электричества и обладает интересными светопоглощающими свойствами. Команда из Лаборатории исследования материалов придумала способ сбора радиочастотной энергии в диапазоне от микроволн до терагерцового диапазона. Они обнаружили что при объединении графена с другим материалом — в данном случае с нитридом бора — электроны в графене должны закручивать свое движение в общем направлении, вызывая тем самым протекание тока. Это обеспечивает альтернативный подход к выпрямлению напряжения, который использует внутренние электронные свойства квантовых кристаллов без использования полупроводниковых переходов.
Исследовательская группа предложила терагерцовый выпрямитель, состоящий из небольшого квадрата графена, помещенного поверх слоя нитрида бора. Его можно поместить в антенну, которая собирает и концентрирует окружающее терагерцовое излучение, усиливая сигнал настолько, чтобы преобразовать его в постоянный ток.
Антенная система с линзой Ротмана
В начале 2021 года ученые из лаборатории Технологического института ATHENA продемонстрировали инновационный способ использования чрезмерной пропускной способности сетей 5G, превратив их в беспроводную сеть питания для устройств Интернета вещей. Причина, по которой 5G могут обеспечивать такую мощность, заключается в обеспечении более высокого уровня мощности 5G по сравнению с предыдущими поколениями беспроводных сетей.
Для приема радиочастотной энергии использовалась антенная матрица, состоящая из восьми подрешеток, каждый из пяти антенных элементов, соединенных последовательно, обеспечивающих работу на частоте 28 ГГц. В этой конфигурации было выбрано 6 лучей, в результате чего угол охвата составил 120°. Затем линза Ротмана используется в качестве промежуточного элемента между приемными антеннами и выпрямителями для сбора энергии 5G.
Этот новый подход позволяет найти компромисс между угловым охватом и чувствительностью. Благодаря этому решению вся электромагнитная энергия, собранная антенными решетками с одного направления, объединяется и передается на один выпрямитель, что максимально увеличивает его эффективность. В качестве выпрямителя использовались диоды Шоттки (MA4E2038). Модуль был напечатан на гибкой жидкокристаллической полимерной подложке (каптон толщиной 125 мкм), размером 5 х 8 см, покрытой медью в технике маскирования с помощью струйной печати с последующим травлением.
Тесты на освещенность с падающим излучением около 54 дБм показали способность обеспечивать выходное напряжение на уровне около 10 мВ с расстояния 3 м (7 мкВт/см2), теоретический максимальный диапазон сбора может быть до 200 м.
Обратный диод на нанопроволоках
Японское агентство по науке и технологиям (JST), Fujitsu Limited и Tokyo Metropolitan University разработали высокочувствительный выпрямитель с обратным диодом из нанопроводов (nanowire), который может преобразовывать маломощные микроволны в электричество. В отличие от обычных диодов Шоттки, обратные диоды имеют крутонаклонную выпрямительную характеристику с нулевой полярностью. На полупроводниковой подложке были сформированы чрезвычайно тонкие нанопроволоки шириной примерно в одну тысячную волоса.
Удалось вырастить нанокристаллы диаметром 150 нм. Диоды работали при напряжении входного сигнала от 0,1 до 10 мкВ на частоте 2,4 ГГц. Для согласованного сопротивления чувствительность диода по напряжению составила 700 кВ/Вт. В диапазоне микроволновых частот 2,4 ГГц, который в настоящее время используется в 4G LTE и Wi-Fi, достигнут уровень чувствительности в 10 раз выше чем у обычного диода Шоттки.
Новая технология может позволить преобразовывать микроволны, излучаемые в окружающую среду базовыми станциями мобильной телефонии, на территории более чем в 10 раз большей, чем это было возможно ранее (что покрывает 10% площади, на которой возможна связь через мобильный телефон).
Стандартизация систем
AirFuel Alliance — это глобальная коалиция компаний, стремящихся создать мир, в котором можно полагаться на электроэнергию без подключения к электрическим источникам. К работам привлечены ведущие компании, такие как Energous, Ossia, Powercast. Организация разрабатывает стандарты для передовых технологий беспроводного питания и ускоряет их внедрение.
AirFuel Resonant — это двухмерная поверхностная зарядка, которая представляет собой прямое обновление индукционных технологий первого поколения и обеспечивает несовпадающую зарядку мобильных телефонов, ноутбуков, гаджетов и многого другого. Стандарт AirFuel Resonant использует магнитно-резонансную технологию для одновременного питания нескольких устройств со скоростью, эквивалентной проводной зарядке, без необходимости точного размещения на зарядной поверхности.
AirFuel RF излучает радиочастотные волны для беспроводной передачи энергии на расстояния от нескольких сантиметров до метров, обеспечивая настоящую пространственную свободу. РЧ-волны облегчают трехмерную или объемную зарядку, также известную как несвязанная. Радиочастотные технологии могут быть интегрированы в самые маленькие электронные устройства, такие как носимые устройства, слуховые аппараты и датчики IoT.
