CC BY
53
УДК 621.396.6
ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВА СБОРА РАДИОЧАСТОТНОЙ ЭНЕРГИИ
Е.В.Кузьмин, С.В.Платонов*, А.О.Никитин, М.А.Хаванова, Р.В.Петров THE STUDY OF THE RADIOFREQUENCY ENERGY HARVESTING DEVICE
E.V.Kuz'min, S.V.Platonov*, A.O.Nikitin, M.A.Khavanova, R.V.Petrov
Институт электронных и информационных систем НовГУ, Roman.Petrov@novsu.ru *ОАО «ОКБ-Планета», Великий Новгород
Энергособирающие устройства представляют значительный интерес для питания беспроводных систем и компонентов, т.к. допускают длительную и безотказную работу без вмешательства человека, обеспечивают значительные преимущества в отношении характеристик, надёжности и цены. В настоящее время они успешно применяются в беспроводных системах, дополняя или даже замещая батарейные устройства для питания датчиков, исполнительных механизмов, трансиверов, регистраторов и т.д. Автономное питание на всех уровнях системной интеграции — перспективное направление в эволюции беспроводных систем. В статье рассмотрено устройство передачи и сбора радиоэнергии на частоте 2,44 ГГц. Достигнутое значение потенциала на приемном устройстве составило 22 млВ на расстоянии 15 см.
Ключевые слова: устройство сбора энергии, RF to DC, энергохарвестер, радиохарвестинг, Wi-Fi устройства, СВЧ-устройства
Energy collecting devices (Energy Harvesters) are of great interest for powering wireless systems and components because allow long and reliable exploitation without human interaction, which offers significant advantages in respect of parameters, reliability, and price. Currently, they are successfully used in wireless systems complementing or even replacing the battery devices to power the sensors, actuators, transceivers, recorders, etc. Self-contained power supply at all levels of system integration is a promising direction in the evolution of wireless systems. This paper is devoted to the research of the radiofrequency energy harvesting device operating at the frequency of 2.44 GHz. Achieved value of the potential on the receiver is equal to 22 mV at the distance of 15 cm. Keywords: energy harvesting device, RF to DC, energy harvester, radio harvesting, Wi-Fi devices, microwave devices
Вступление
Беспроводное зарядное устройство — это то, что годами ждали пользователи мобильных устройств. Разрядившаяся батарея, неправильная или забытая зарядка, оборванные провода — все это регулярно создает проблемы пользователям мобильных устройств. Увеличение срока жизни батареи и возможность беспроводной ее подзарядки — это определённо шаг в будущее, однако превращение данной идеи в реальность заняло долгие годы [1].
Мобильным устройствам требуется огромное количество энергии для того, чтобы посылать сигналы на вышки сотовой связи, однако лишь очень незначительная часть этой энергии достигает необходимых целей, а примерно 90% ее рассеивается в окружающем пространстве. В этой статье предлагается разработать технологию сбора радиоэнергии и использовать, в том числе, и для подзарядки аккумуляторов и батарей мобильных телефонов.
Современное состояние технологии извлечения энергии радиоволн
Системы сбора энергии радиоволн пока остаются в основном предметом лабораторных исследований, а в качестве самостоятельного решения еще не получили широкого распространения. Системы извлечения радиочастотной энергии существенно отличаются от всех остальных. Функционально они делятся на две части:
— приемник, имеющий настраиваемую антенну, выпрямитель, накопительный элемент (конденсатор), DC/DC преобразователь;
— передатчик, направляющий энергию радиоволн, например, по технологии компании PowerCast, или же внешний источник электромагнитного излучения (WiFi, сотовая связь или радио).
Типичная система сбора электромагнитной энергии состоит из четырех компонентов: настраиваемой антенны, элемента, накапливающего входную энергию, схемы управления питанием и выходного аккумулятора.
Подобно другим системам аналогичного назначения, устройства сбора энергии радиоволн нуждаются в улучшении множества характеристик. Из списка требующих первоочередного решения задач (многие из которых уже воплощаются) можно выделить:
— вопросы использования источников направленных радиоволн вместо энергии окружающего электромагнитного «фона»;
— совершенствование DC/DC преобразователей в части повышения их эффективности и снижения тока покоя;
— разработку более малопотребляющих микроконтроллеров и радиочастотных приемопередатчиков [2].
Существенно улучшить такие системы может индустрия производства ВЧ и СВЧ продукции, выводя на рынок новые экономичные приемопередатчики.
Но даже соответствующие перечисленным требованиям системы с направленной передачей ВЧ энергии остаются узкоспециализированными. Те же из них, что используют «фоновые» радиоволны, проигрывают фотогальваническим или тепловым системам сбора энергии по показателям отбираемой мощности. Технологии сбора энергии радиоволн должны побороть еще один недостаток, типичный для радиосистем — ограничение радиуса действия, обусловленное влиянием зданий, взаимным расположением и другими причинами.
Возможность извлечения энергии из разнообразных источников позволит улучшить медицинское обслуживание в районах с плохо развитой инфраструктурой, например, в сельской местности. Глобальное развитие данного направления электроники поддерживается все большим числом технических средств — от специализированных интегральных микросхем до активных и пассивных дискретных компонентов.
Примеры можно найти среди компонентов готовых отладочных модулей «Energy Harvesting Solution ToGo» компаний Energy Micro, Linear Technology и Würth Elektronik. Два базовых компонента этих комплектов — плата сбора энергии и стартовый набор Giant Gecko. Оба элемента содержат пассивные компоненты от Würth Elektronik. Например, трансформаторы WE-EHPI, специально разработанные для устройств сбора энергии из окружающей среды, отличаются высокой эффективностью благодаря низкому активному сопротивлению обмоток и сердечнику, разработанному специально для жестких условий эксплуатации. Эффективное подавление электромагнитных помех реализуется с помощью SMD ферритовых фильтров у каждого вывода трансформатора.
Рис.1. Многоцелевая плата сбора энергии компании Linear Technology
Многоцелевая плата сбора энергии (рис.1) выпускается с четырьмя преобразователями напряжения от Linear Technology, каждый из которых оптимизирован для различных источников энергии. Например, микросхема LTC3588 предназначена для источников переменного тока с напряжением до 20 В, таких, как пьезоэлектрические и индуктивные электрогенераторы.
В состав стартового набора Giant Geck Starter Kit (рис.2) входит микроконтроллер (МК) EFM32GG990F1024, в активном режиме потребляющий всего 200 мкA/MГц. Ядро ARM Cortex M3 этого МК работает на частоте до 48 МГц. МК имеет 1024 КБ Flash памяти, 128 КБ RAM, интерфейс USB, контроллер ЖКИ, а также сенсорный интерфейс LESENCE.
Рис.2. Стартовый набор EFM32 Giant Gecko Starter Kit
Если посмотреть на различные подходы, реализованные в средствах извлечения энергии, станет понятно, что данный комплект содержит все необходимое для начала полноценной работы. В случае беспроводных приложений малого радиуса действия, например, в узлах датчиков, получающих энергию от внешних источников, используются дешевые микросхемы, выполняющие функции измерения, обработки сигналов, сбора данных и коммуникаций.
Теоретический подход к расчёту устройства сбора радиочастотной энергии
Для начала рассмотрим излучающее устройство, антенна которого имеет коэффициент направленного действия (КНД) KA и излучает сигнал мощностью PC в направлении на объект, удаленный на расстояние D от излучающей антенны устройства (рис.3). Допустим, что сигнал излучается в пространстве без потерь.
А Ао Рс \ / \/Рсо-
f„,w
ГЕНЕРАТОР УСИЛИТЕЛЕ
ДЕТЕКТОР
Рис.3. Структурная схема передатчика и приемника
Расчет характеристик устройства излучения проведем для дальней зоны. Предположим, что излучающая антенна ненаправленная, тогда на сфере радиусом D излучаемая мощность равномерно распределилась по поверхности 4я£)2. Тогда в районе приемной антенны будет создана плотность потока мощности:
П D =-
Pe
4%D¿
(1)
В нашем случае за счет направленности антенны плотность потока мощности у приемной антенны будет в КА раз больше:
КлРс
П =-
4%D¿
(2)
Энергия прямой волны частично поглощается, а частично отражается от объекта. Так как приёмная антенна представляет собой антенну с эффективной
площадью Яе/Ао, то мощность на входе детектора радиосигнала будет равна:
_рсКАЯе//Ао_
PCO — П^е/
4%D¿
(3)
Мощность сигнала на входе детектора Рсо убывает с увеличением расстояния до объекта и достигает минимального порога РСотп при D = Dmax:
Pe
4%DÍ
Так как:
Se/Ao —
4л :
(4)
(5)
где КАо — коэффициент направленного действия приемной антенны, Х2о — длина волны излученного сигнала, то:
Dmax
(6)
lPCKAKAn^o/
/ 4nPCO min
Так же можно рассчитать минимально необходимую для регистрации мощность приемного сигнала. Известно [3], что для детектора, согласованного с антенной, минимальная мощность сигнала на входе равна:
Pco min — трРш, (7)
где mp — коэффициент различимости, mP — EC/N0 равен минимальному превышению энергии единичного входного сигнала EC над спектральной плотностью шума No, при котором на выходе приемника имеется возможность регистрации принятого сигнала; РШ — суммарная мощность шумов приемника и антенна приведенная ко входу приемника. Тогда:
Peomin — ШрЩКшА/е/, (8)
где к = 1,38*10-23 Дж/К — постоянная Больцмана; T0 = 290 К — комнатная температура; КШ — коэффициент шума приемника; А// — эффективная шумовая полоса пропускания приемника.
Мощность сигнала, поступающего на излучающую антенну:
Pc = PmWXK,
-Ampr
: 93,2 mW.
(9)
Мощность на выходе приемного детектора, при условии, что приемник и передатчик находятся на расстоянии 1 м. Сделаем допущения, что потери в среде прохождения электромагнитной волны пренебрежительно малы.
Из выражения (6) найдем мощность на входе приемной антенны:
PCO —
PCKAKA¿H)
4nD
,2
(10)
Тогда мощность сигнала на выходе смесителя будет равна:
р _ РСОКАтр _ РсКАКАо^О _
ои{ _ ^ " 4пБ2М1оХа ~
93,2 • 2,51-2,51-0,1232 4л-12 • 3,25
*5,46 [мВт]. (11)
Моделирование антенны
Исследуемая модель антенны (рис.4) представляла собой простую полосковую антенну с размерами 25,2^18,7 мм. Подложка выполнена на материале ФЛАН-10 (е = 10), размерами 30x39x1 мм. Снизу подложки нанесена металлизация.
При моделировании была получена частотная характеристика коэффициента отражения (рис.5), на которой имеются два резонанса: на частоте / = 2,444 ГГц (Я„ = -27,5154 дБ) и на частоте /2 = 3,658 ГГц (Я„ = -22,247 дБ).
Рис.4. Модель излучающей антенны
Экспериментальные исследования
Для формирования сигнала на входе был использован генератор 2Х95-253С+, при напряжении питания которого в 5 В мощность на выходе составляет 3,71 мВт. Для получения необходимого уровня
o
\ i Curve I rifo — dBCSP.U) etupl : Sweep J^18.8mm" dx-'-1 гаю' dy-'-OVmm'
|
- 10.00
: Ñame X Y
m1 2.444С -27.5154
Ш2 3.65SC -22.2470
«
1 0 1 50 2 0 2 0 3.00 3.50 4.00
Freq [GHi]
Рис.5. Частотная характеристика коэффициента отражения S11
Рис.6. Экспериментальная установка
усиления на передающей антенне необходима более высокая мощность сигнала с генератора, поэтому в схему был включен усилитель мощности ZX60-272ЬМ с коэффициентом усиления 14 dBm. В качестве детектора излучения в схеме был применен смеситель ZX05-43MH+S, вносящий потери преобразования в сигнал на частоте 2410 МГц, равные 5,12 дБ. Для передачи сигнала использовалась антенна с КНД около 4 дБ. Частота генерации была равна 2,44 ГГц.
На рис.6 показан макет для измерения зависимости напряжения приемника от расстояния между антеннами при различных мощностях СВЧ сигнала передатчика. С помощью данного макета были проведены замеры передачи СВЧ энергии на расстоянии х, равном от 1 до 30 см (рис.7).
Рис.7. Зависимость напряжения и от расстояния х в ближней зоне
Эксперимент показывает возможность передачи СВЧ мощности на расстоянии и преобразования СВЧ сигнала в постоянное напряжение, которое в дальнейшем может быть использовано в различных электронных схемах.
Заключение
Пока технологии сбора энергии электромагнитных волн еще только начинают пробивать себе дорогу, системы извлечения энергии из других источников захватывают все новые области использования. Например, солнечные панели с течением времени будут только повышать свою эффективность и использоваться как внутри, так и снаружи помещений, т.е. везде, где есть источник освещения. Устройства сбора тепловой энергии находят применение в системах автоматизации зданий, там, где можно максимизировать разницу температур внутри и снаружи помещений, например на окнах. Тепловые преобразователи используются и как источники питания для различных нательных устройств медицинского назначения.
Обобщая, можно сказать, что системы сбора энергии имеют большое будущее, поскольку все больше и больше продуктов выходит на рынок из научных лабораторий.
Потенциал развития этих решений не имеет и не будет иметь границ до тех пор, пока они способны отвечать нашим возрастающим требованиям эффективности и производительности. С течением времени описанные решения будут все более миниатюризироваться, завоевывая рынок портативных медицинских приложений.
Работа выполнена в рамках базовой части гос. задания №11.7069.2017/БЧ.
1. www.powercastco.com
2. Nancy Friedrich. Системы сбора энергии выходят на широкую дорогу // РадиоЛоцман. 2013. №10. С.19-23.
3. Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. М.: Советское радио, 1975. 331 с.
References
1. Available at: www.powercastco.com
2. Friedrich N. Sistemy sbora energii vykhodiat na shirokuiu dorogu [Energy harvesting is ready for the big time]. Ra-diolotsman, 2013, no. 10, pp. 19-23.
3. Belotserkovskii G.B. Osnovy radiolokatsii i radiolokatsion-nye ustroistva [Basic concepts of radiolocation, and radar systems]. Moscow, "Sovetskoe radio" Publ., 1975. 331 p.
