RF電力：RFエネルギーハーベスティングの仕組み

ラジオ周波数（RF）の一部を捉えて整流する小さなアンテナを設置してみてはいかがでしょうか？マイクロワット程度の電力を得ることは容易で、それを使ってバッテリーやスーパーキャパシタをゆっくり充電することができます。これにより、たまにだけ起動して読み取りデータを送信した後にスリープ状態に戻るIoTデバイスを動作させるのに十分な電力を供給できます。そして、IoTデバイスが再びスリープに戻った後、RFハーベスティングが再開し、次回の起動時までに十分なエネルギーが蓄積されることになります。

まあ、少なくとも理論上はそうです。そして、それは非常に良い響きです。結局のところ、テレビ局は膨大な量のRFを放射しています。そのごくわずかだけが、同時に視聴している全てのテレビ受信機器の検出ステージで消費されるに過ぎません。他の残りは外にあり、収穫されるのを待っています。

RF収集技術

RFパワーハーベスティングはアンテナから始まります。特定のアンテナは、近接した周波数帯域から放射された電力を効率的に収集することしかできません。良い出発点として、UHFおよびVHFテレビの例を挙げることができます。500 MHzであっても、ダイポールアンテナの長さは0.3メートルになります。これはすでに警鐘を鳴らしています。なぜなら、非常に小さい電力を収集するためにかなりの面積を必要とするからです。さらに、アンテナはテレビ局の送信用アンテナに対して特定の空間的な方向に配置する必要があります。そして、これらの両方の要件がウェアラブルデバイスにとって実用的でない理由となっています。

ハーベスターの受信用アンテナは50オームのインピーダンスを持ち、それをデバイスの他の部分の入力インピーダンスに適合させる必要があります。アンテナで収集された電圧は、その後、DCに整流できるように少なくとも1ボルト以上に増加させる必要があります。これはチャージポンプと呼ばれる構成を使用して行うことができ、電圧を増加させることはできますが、もちろんRFの総電力を増加させることはできません。

RFエネルギー収集の研究

興味深い実験シリーズの一環として、東京、日本のテレビ放送局が発生させるRF電力を6.5 kmの距離で収集する試みが進行中です。このプロジェクトのブロック図は以下の通りです。

このプロジェクトはジョージア工科大学で東京大学の研究者と共同で実施されました。この実装では、前述のチャージポンプが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。緑のブロックは、日本のテレビの特性であるUHF周波数からの放射をアンテナが6.5 kmの該当する距離で捕捉した電力（単位：マイクロワット）を表しています。青と赤の帯は、それぞれブロック図で言及されているスーパーキャパシタを1.8ボルトおよび3.0ボルトに充電するために必要な電力を表しています。

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ハーベスティングの支持者は、このアプローチが都市部のリモートセンサーの電力供給に役立つと主張しています。しかし、これまでに見てきたように、比較的長いアンテナが必要であり、それをテレビ局や他の電源に正確に向けなければなりません。そして、電源が移動または変更された場合、対応するすべてのIoTデバイスを再調整する必要があります。これでは、IoTの電力ハーベスティングを展開する目的である、給電対象デバイスへの物理的なアクセスを回避するという意義が損なわれます。アンテナの要件だけでも、ウェアラブルデバイス向けのリモート電力ハーベスティングの実用性を損なう要因となります。

太陽光エネルギーの発生量が、先進国の一般公共区域で許容されるRFの量を遥かに上回ることを考えると、展開を正当化するのは難しいと言えます。さらに、この状況が変わる可能性は低いです。なぜなら、一般公共区域で許容されるRF電力の量には限界があるためです。むしろ、制限は引き下げられる可能性があり、RFへの曝露は健康への影響が懸念されていることから注視されています。

太陽エネルギーの発生量が、先進国の一般居住地域で許容されるRFの量を大幅に上回っていることを考えると、展開を正当化するのは難しいです。さらに、この状況は変わる可能性が低いと言えます。なぜなら、一般公開されている空間で許されるRFパワーの量には限界があるからです。むしろ、RF暴露が健康リスクへの懸念から注目されているため、規制がさらに厳しくなる可能性が高いと考えられます。

IoTデバイス向け遠隔RFエネルギーハーベスティングの支持者たちは、このアプローチが都市部でのリモートセンサーの電源供給に役立つと主張しています。しかし、これまで見てきたように、比較的長いアンテナが必要であり、それをテレビ局や他の電源に対して厳密に方向付けなければなりません。そして、電源が移動したり変更されたりすると、対応するすべてのIoTデバイスを再調整する必要があります。これは、IoT向けパワーハーベスティングを導入する目的である、供給対象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目的に反してしまいます。アンテナの要件だけでも、ウェアラブルデバイスにとっての遠隔パワーハーベスティングを非実用的なものにしています。

RFエネルギーハーベスティングソリューション

電力収穫のための指向性RF

センサーがアクセスしにくい場所に配置されたり、その場所自体が人間にとって危険な場合があります。このような状況では、ランダムな電力の収集ではなく、センサーに特化して送られた電力を収集することでセンサーを駆動させる方法が開発されました。困難なアンテナやテレビ信号の有無に依存する代わりに、技術者は安全な距離からRF送信機をユニットに向けて照射することができます。

Powercast Corporationは、この技術の可能性を探るための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で入手可能です。データシートによると、評価キットにはRFトランスミッターとレシーバー、アンテナ、送信された電力を活用するための充電ボードが含まれています。そしてもちろん、探る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、無線信号を使用してタグ付けされ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信号をタグに供給します。最初に、タグ（小さな電子デバイス）は入射したRF電力を「収集」し、それを使用して自らを起動します。その後、保存されたデジタル識別情報を含むタグが、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識別情報を現在把握しています。タグは視覚的なバーコードタグと比べて非常に小さい場合があります。さらに、人間の係員が遠くから識別することができ、このアプローチは自動化にも容易に適応します。

RFパワーの実用性

したがって、テレビ送信機を収容する建物内で操作されるIoTまたはウェアラブルの体制を設計している場合を除き、証拠はそれが非現実的で最終的には実用的ではない努力であるという結論に強く導きます。一方で、特に指向された電波のRF電力収穫が非常に実用的である状況も存在します。