RFエネルギーハーベスティング

世界中で多くのワイヤレスデバイスが機能しており、さまざまな方法で人々の生活を簡単で快適にしていますが、これらのワイヤレスデバイスを使用するには、何度も充電する必要があります。しかし、データを転送するのと同じ無線周波数を使用してデバイスを充電できるとしたらどうでしょうか。この技術は、デバイス内の回路に電力を供給するためのバッテリーの使用を削減または省略します。アイデアは、運動や太陽エネルギーからエネルギーを生成する代わりに、アンテナを使用して無線周波数からエネルギーを収集することです。この記事では、RFエネルギーハーベスティングについて詳しく説明します。

RFエネルギーハーベスティングはどのように機能しますか？

利用可能なRFのソースはたくさんありますが、最初に理解しておくべき重要なことは、RFをエネルギーまたは電気に変換する方法です。プロセスは非常に単純で、信号を受信するアンテナの通常のプロセスとまったく同じです。それでは、簡単な図を使用して変換のプロセスを理解しましょう。

ソース（任意のデバイスまたは電子回路）がRF信号を送信し、エネルギー変換用の回路が組み込まれているアプリケーション回路がRFを受信します。これにより、アンテナの長さ全体に電位差が生じ、アンテナを介してキャリアを充電します。電荷キャリアはRFからDCへの変換回路に移動します。つまり、電荷はコンデンサに一時的に保存されている回路を使用してDC電流に変換されます。次に、パワーコンディショナー回路を使用して、エネルギーが増幅されるか、負荷の必要に応じて電位値に変換されます。

衛星局、ラジオ局、無線インターネットのようなRF信号を送信する多くのソースがあります。 RFエネルギーハーベスティング回路が接続されているアプリケーションは、信号を受信して​​電気に変換します。

変換のプロセスは、受信アンテナが信号を受信し、アンテナの長さ全体に電位差を生じさせ、アンテナの電荷キャリアをさらに移動させるときに始まります。アンテナからのこれらの電荷キャリアは、ワイヤを介して接続されたインピーダンス整合回路に移動します。インピーダンスマッチングネットワーク（IMN）は、アンテナ（RF電源）からの電力移送ことを確認する整流器/電圧乗算器（負荷）が最大です。 RF回路のインピーダンスは、ソースと負荷の間の最適な電力伝達のためにDC回路の抵抗と同じくらい重要です。

アンテナで受信されたRF信号は正弦波形、つまりAC信号であり、DC信号に変換する必要があります。IMNを通過した後、整流器または電圧逓倍回路は、アプリケーションのニーズに応じて信号を整流および増幅します。整流回路は、半波、全波、またはブリッジ整流器ではなく、アプリケーションの要件に基づいて信号を整流し、整流された信号をブーストする電圧逓倍器（特殊な整流器）回路です。

電圧逓倍器を使用してACからDCに変換された電気は、コンデンサまたはバッテリーを使用して電気を蓄積し、必要に応じて負荷（アプリケーション）に供給する電力管理回路に移動します。

は何ですか

前述のように、RF信号を使用するデバイスは多数あります。つまり、エネルギーを収集するためにRF信号を受信するためのソースが多数あるということです。

エネルギー源として使用できるRF源は次のとおりです。

• ラジオ局：古くて価値のあるラジオ局は、エネルギー源として使用できるRF信号を定期的に発信しています。
• テレビ局：これも古いが価値のある情報源であり、24時間年中無休で信号を送信し、優れたエネルギー源と見なされています。
• 携帯電話と基地局：何十億もの携帯電話とその基地局がRF信号を発信し、その結果、優れたエネルギー源になります。
• ワイヤレスネットワーク：あらゆる場所に多数のWi-Fiルーターとワイヤレスデバイスが存在し、RFからエネルギーを収集するための優れたソースとしても検討する必要があります。

これらは世界中に存在する主要なデバイスであり、エネルギーを収集する、つまり電気エネルギーを生成するために使用できるRFの主要なソースです。

無線エネルギーハーベスティングの実用化

RFシステムを使用したエナジーハーベスターのアプリケーションの一部を以下に示します。

• RFIDカード： RFID（Radio Frequency Identification）テクノロジーは、RFIDリーダー自体からRF信号を受信することによって「タグ」を充電するエネルギーハーベスティングの概念を使用しています。このアプリケーションは、モール、メトロ、駅、産業、大学、および他の多くの場所で見ることができます。
• 調査または評価： Powercast社は評価ボード「P2110評価ボード」を発売しました。これは、調査目的、または必要な受電電力と評価後に行われる変更を考慮したいくつかの新しいアプリケーションの評価に使用できます。

これらの実用的なアプリケーションとは別に、産業モニタリング、農業などでエネルギーハーベスティング技術を使用できる多くの分野があります。

RFエネルギーハーベスティングの制限

優れたアプリケーションと多くの利点があるため、いくつかの欠点もあります。これらの欠点は、既存の制限が原因で発生します。

したがって、RFエネルギーハーベスティングシステムの制限は次のとおりです。

• 依存関係： RFエネルギーハーベスティングシステムの唯一の依存関係は、受信したRF信号の品質です。RF値は、大気の変化や物理的な障害物によって減少する可能性があり、RF信号の送信に抵抗する可能性があるため、出力としての電力が低くなります。
• 効率性： 回路は電子部品で構成されているため、時間の経過とともに機能が失われ、それに応じて変更しないと結果が悪くなります。その結果、これはシステム全体の効率に影響を与え、見返りに不適切な出力を提供します。
• 複雑さ：システムの受信機は、そのアプリケーションと電力貯蔵回路に基づいて設計する必要があるため、構築がより複雑になります。
• 周波数： RF信号を受信して​​エネルギーを収集するように設計された回路またはデバイスは、複数ではなく1つの周波数帯域のみを動作するように設計できます。したがって、それはその帯域スペクトルにのみ制限されます。
• 充電時間：変換からの最大出力はミリワットまたはマイクロワットです。そのため、アプリケーションに必要な電力を生成するには長い時間がかかります。

これらの制限とは別に、無線周波数（RF）を使用した環境発電には多くの利点があり、その結果、オートメーション業界、農業、IOT、ヘルスケア業界などに適用されます。

市場で入手可能なRFエネルギーハーベスティングハードウェア

無線周波数エネルギーハーベスティングをサポートする市場で入手可能なハードウェアは次のとおりです。

• Powercast P2110B：Powercast社は、評価およびアプリケーションベースの使用に使用できるP2110Bを発売しました。

• アプリケーション：
  • バッテリー不要のワイヤレスセンサー
    • 産業モニタリング
    • スマートグリッド
    • 防衛
    • ビルディングオートメーション
    • 石油ガス
  • バッテリーの充電
    • コイン電池
    • 薄膜セル
  • 低電力エレクトロニクス

• 特徴：
  • 高い変換効率
  • 低レベルのRF信号を変換して、長距離アプリケーションを可能にします
  • 最大5の安定化電圧出力。
  • 最大50mAの出力電流
  • 受信信号強度インジケーター
  • 広いRF動作範囲
  • -12dBm入力までの動作
  • マイクロプロセッサ制御用に外部からリセット可能
  • 工業用温度範囲
  • RoHS対応

• Powercast P1110B：P2110Bと同様に、PowercastP1110Bには次の機能とアプリケーションがあります。

• 特徴：
  • 高い変換効率、> 70％
  • 低消費電力
  • リチウムイオンおよびアルカリ電池の再充電をサポートするための構成可能な電圧出力
  • コンデンサ充電をサポートするための0Vからの動作
  • 受信信号強度インジケーター
  • 広い動作範囲
  • -5dBmの入力電力までの動作
  • 工業用温度範囲
  • RoHS対応

• アプリケーション：
  • ワイヤレスセンサー
    • 産業モニタリング
    • スマートグリッド
    • 構造ヘルスモニタリング
    • 防衛
    • ビルディングオートメーション
    • 農業
    • 石油ガス
    • ロケーション認識サービス
  • ワイヤレストリガー
  • 低電力エレクトロニクス。

これらは、市場で入手可能な2つのRFベースの環境発電デバイスであり、Powercast社によって開発されています。

IOTアプリケーションでのRFエネルギーハーベスティングの使用

電子機器の自動化におけるモノのインターネット（IoT）の人気の高まりに伴い、IoTアプリケーションは家庭や産業向けに開発されており、トリガーを待つ間、電力が供給され続ける可能性があります。環境発電機能を備えたこのようなデバイスは、文字通り空気からエネルギーを引き出して自身のバッテリーを再充電したり、環境から十分なエネルギーを収集したりできるため、バッテリーの充電に外部電源さえ必要ありません。このようなセルフパワーセンサーは現在、通常「ゼロパワー」と呼ばれています明らかなエネルギー源のないワイヤレスゲートウェイを使用して、IoTクラウド上でセンサーデータを直接提供する機能を備えたワイヤレスセンサー。利用可能なRFエネルギー源から電力を収集することにより、IoTセンサーなどの新世代の超低電力（ULP）ワイヤレスデバイスを、リモート監視などのメンテナンスの少ないアプリケーション向けに開発できます。

環境発電は、モバイルデバイスのバッテリ寿命を延ばし、一部の電子デバイスのバッテリ不要の動作を可能にするため、ワイヤレス通信の「コンパニオン」テクノロジとよく似ています。