RF電力: RFエネルギーハーベスティングの仕組み

小さなアンテナを設置して、その 無線周波数 の一部を捕捉し、修正してみませんか?1マイクロワット程度の電力を得るのは簡単で、それを使って バッテリー または スーパーキャパシタをゆっくり充電できます。これは、ときどき電源を入れて読み取り値を送信し、その後スリープ状態に戻るだけのIoTデバイスに電力を供給するのにちょうど十分な量です。その後、IoTデバイスが再びオンになると、RF収集が再開され、次の起動を待つ十分な蓄積エネルギーが確保されます。

まあ、少なくとも、それが理論です。そして、それはかなり良い音です。結局のところ、テレビ局は膨大な量のRFを放射しているのです。受信しているすべてのテレビ受信機の合計電磁波のうち、検出段階で消散するのはほんのわずかです。残りは外部に存在し、収集されるのを待っています。

RF収集技術

RF電力の収集は、 アンテナから始まります。特定のアンテナは、近接した周波数バンクから放射される電力のみを効率的に収集できます。まず、UHFテレビとVHFテレビの例から始めるのが良いでしょう。500 MHzでも、ダイポールの長さは0.3メートルになります。これはすでに危険信号を示しています。なぜなら、ごくわずかな電力を収穫するために、かなり大きな面積が費やされているからです。さらに、アンテナはテレビ局の送信アンテナに対して特定の空間方向に配置する必要があります。そして、これら2つの要件はウェアラブル デバイスには実用的ではありません。

ハーベスターの受信アンテナは50オームのインピーダンスを示し、 入力インピーダンス デバイスの残りの部分。アンテナで収集された電圧は、DCに整流できるように少なくとも1ボルトまで増加する必要があります。これは、 チャージポンプこれにより電圧は増加しますが、当然ながら総RF電力は増加できません。

RFエネルギー収集研究

興味深い一連の実験は、6.5 km離れた東京のテレビ放送局によって生成されたRF電力を収集することに焦点を当てています。プロジェクトのブロック図は次のとおりです。

図1: RFエネルギー収集デバイスのシステム レベルの記述の表現。(出典:「地上波テレビ放送からのワイヤレス電力を長距離収集するバッテリー不要のエネルギー収集デバイス」、ジョージア工科大学)

このプロジェクトは、東京大学の研究者と共同でジョージア工科大学で実施されました。この実装では、前述のチャージ ポンプはRF-DCブロック内に含まれています。

プロジェクトの重要な結果は次の図にまとめられています。緑色のブロックは、日本のテレビに特徴的なUHF周波数の放射からアンテナによって関連する6.5 kmの距離で捕捉された電力量 (マイクロワット単位) を表しています。青と赤の帯は、ブロック図に記載されているスーパーキャパシタをそれぞれ1.8ボルトと3.0ボルトに充電するために必要な電力を表します。

図2: スーパーキャパシタは妥当な時間内に2.9ボルトまで充電されました。(出典:「地上波テレビ放送からのワイヤレス電力を長距離収集するバッテリー不要のエネルギー収集デバイス」、ジョージア工科大学)

RFエネルギーハーベスティングの限界

IoTデバイス向けのリモートRF収集の支持者は、このアプローチが都市部のリモート センサーに電力を供給するのに役立つと主張しています。しかし、すでに述べたように、比較的長いアンテナが必要であり、テレビ局または他の電源にしっかりと向ける必要があります。また、電源が移行または変更された場合、対応するIoTデバイスをすべて再調整する必要があります。これでは、電力供給されているデバイスに物理的にアクセスする作業を回避するという、IoT向けの電力収集を導入する目的全体が台無しになってしまいます。アンテナ要件のみでは、ウェアラブル デバイスのリモート電力収集は非現実的です。

太陽エネルギーの発生量は、先進国の一般居住地域で許可されているRFの量よりもはるかに大きいことを考慮すると、導入を正当化するのは困難です。さらに、一般の人が利用できる空間では、RF電力が入射できる量に限界があるため、状況が変化する可能性は低いと考えられます。むしろ、RF曝露は人体への健康リスクの可能性を懸念して検討されているため、制限は縮小される可能性が高い。

RFエネルギーハーベスティングソリューション

電力収集のための指向性RF

アクセスが困難なエリアにセンサーが設置されている場合や、そのエリア自体が人間にとって危険な場合もあります。  このような場合、ランダムな電力の収集ではなく、センサーに特化した電力の収集によってセンサーに電力を供給する方法が開発されました。技術者は、扱いにくいアンテナの不規則な動作やテレビ信号の有無に頼るのではなく、安全な距離からユニットにRF送信機を照射することができます。

Powercast Corporation は、組織がこのテクノロジーの可能性を探求できるように評価キットを提供しています。同社のP2110-EVAL-02評価キットは、Arrow Electronicsから入手可能です。データシートによると、RF送信機と受信機、アンテナ、送信電力を活用するための充電ボードが含まれています。そして確かに、探求すべきもう一つの重要な領域はRFIDです。

RFID - リモート周波数識別

リモート 周波数識別、またはRFID は、無線波信号を使用してタグの付いたオブジェクトを識別します。タグを読み取るデバイスは、2つの目的を果たすRF信号をタグに照射します。まず、タグ（小さな電子デバイス）が入射するRF電力を「収集」し、それを使用してタグ自体に電源を入れます。次に、デジタル識別情報が保存されているタグがそのデータをリーダーに送信します。

リーダーはスキャンしたアイテムのIDを知ることができます。タグは、視覚的なバーコード タグと比較すると非常に小さくなります。さらに、人間の店員が遠くから識別を行うことができ、このアプローチは簡単に自動化できます。

RF電力の実用性

したがって、テレビ送信機が設置されている同じ建物内で動作するようにIoTまたはウェアラブル システムを設計しているのでない限り、証拠から判断すると、それは空想的で最終的には非現実的な取り組みになるという結論に強く至ります。一方、特定の方向を向いた電波のRF電力収集が非常に実用的となる状況もあります。

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