RF 전력: RF 에너지 수집 작동 방식

Why not set up a little antenna to capture some of that Radio Frequency and rectify it? It’ll be easy to get a microwatt or so, and use it to slowly charge a battery or supercapacitor. That will be just enough to power an IoT device that only needs to turn on once in a while, transmit a reading, and then go back to sleep. Then, after our IoT device turns in again, the RF harvesting resumes, and plenty of stored energy awaits the next awakening.

글쎄요, 적어도 이론적으로는 그렇습니다. 그리고 꽤 괜찮아 보입니다. 결국 텔레비전 방송국은 막대한 양의 RF를 방출합니다. 그 중 아주 작은 부분만이 텔레비전 수신기들이 맞춰진 상태에서 탐지 단계에서 소모됩니다. 나머지는 외부에 있으며, 수확되기를 기다리고 있습니다.

RF 에너지 수집 기술

RF 전력 수집은 안테나에서 시작됩니다. 특정 안테나는 가까운 주파수 대역에서 방사되는 전력을 효율적으로 수집할 수 있습니다. 시작점으로 좋은 예는 UHF와 VHF TV를 들 수 있습니다. 500 MHz에서도, 디폴 안테나의 길이는 0.3미터에 달할 것입니다. 이는 이미 문제를 제기하는데, 이는 비교적 넓은 공간을 사용하여 매우 적은 양의 전력을 수집하려는 것을 의미하기 때문입니다. 게다가, 안테나는 TV 방송국의 송신 안테나와 특정한 공간적 방향으로 배치되어야 합니다. 이 두 가지 요구 사항은 웨어러블 장치에 비현실적입니다.

수확기의 수신 안테나는 50옴 임피던스를 제공하며, 이는 장치의 나머지 부분의 입력 임피던스와 일치시켜야 합니다. 안테나에서 수확된 전압은 최소 1볼트로 증가시켜야 직류(DC)로 정류될 수 있습니다. 이는 전압을 증가시키는 동시에 전체 RF 파워는 증가시키지 않는 구조인 차지 펌프(charge pump)를 사용하여 수행할 수 있습니다.

RF 에너지 수확 연구

도쿄, 일본의 TV 방송국에서 생성된 RF 전력을 6.5km 떨어진 거리에서 수확하는 데 중점을 둔 흥미로운 일련의 실험이 진행되고 있습니다. 해당 프로젝트의 블록 다이어그램은 다음과 같습니다.

그림 1: RF 에너지 하베스팅 장치의 시스템 수준 설명 표현. (출처: “지상파 TV 방송에서 무선 전력을 장거리로 수집하기 위한 배터리 없는 에너지 하베스팅 장치,” 조지아 공과대학교)

이 프로젝트는 조지아 공과대학교에서 도쿄대학교 연구진과 협력하여 진행되었습니다. 이 구현에서는 앞서 언급한 전하 펌프가 RF-DC 블록 내에 포함되어 있습니다.

프로젝트의 중요한 결과는 다음 다이어그램에 요약되어 있습니다. 녹색 블록은 일본 TV의 UHF 주파수 특성에서 안테나가 관련된 6.5km 거리에서 수집한 전력량—마이크로 와트 단위—을 나타냅니다. 파란색과 빨간색 띠는 블록 다이어그램에서 언급된 슈퍼커패시터를 각각 1.8볼트와 3.0볼트로 충전하는 데 필요한 전력을 나타냅니다.

그림 2: 슈퍼커패시터는 적절한 시간 내에 2.9볼트로 충전되었습니다. (출처: “지상파 TV 방송으로부터 무선 전력을 장거리 수집하기 위한 배터리 없는 에너지 하베스팅 장치,” 조지아 공과대학교)

RF 에너지 수확의 한계

IoT 기기를 위한 원격 RF 하베스팅의 지지자들은 이러한 접근 방식이 도시 지역의 원격 센서를 구동하는 데 유용할 것이라고 주장합니다. 하지만 우리가 본 바와 같이, 비교적 긴 안테나가 필요하며 TV 방송국이나 다른 전력 공급원에 정확히 맞춰져야 합니다. 그리고 전력 공급원이 이동하거나 바뀌는 경우, 해당하는 모든 IoT 기기를 다시 정렬해야 합니다. 이는 IoT를 위한 전력 하베스팅을 배치하는 목적 자체를 무색하게 만드는데, 이는 전력을 공급받는 기기를 물리적으로 접근하는 작업을 피하려는 목적이었습니다. 안테나 요구 사항만으로도 웨어러블 기기를 위한 원격 전력 하베스팅은 현실적으로 부적합합니다.

태양 에너지가 일반적으로 개발된 세계 어디에서나 일반 대중 지역에서 허용되는 RF 양보다 훨씬 더 많은 비율로 발생한다는 점을 고려할 때, 배치를 정당화하기가 어렵습니다. 게다가, 상황이 바뀔 가능성도 적습니다. 왜냐하면 일반 대중에게 개방된 공간에 얼마나 많은 RF 전력이 발생할 수 있는지에 한계가 있기 때문입니다. 오히려 RF 노출이 사람들에게 건강상의 위험을 초래할 가능성에 대한 우려로 인해 제한이 축소될 가능성이 높아 보입니다.

태양 에너지가 일반적으로 개발된 세계의 일반 대중 지역에서 허용되는 RF 양보다 훨씬 더 많다는 사실을 고려할 때, 이를 배치하는 것을 정당화하기가 어렵습니다. 게다가 상황이 변할 가능성도 낮은데, 이는 일반 대중이 접근 가능한 공간에 충돌할 수 있는 RF 전력의 양에 한계가 있기 때문입니다. 오히려 RF 노출이 사람들에게 잠재적인 건강 위험을 초래할 가능성 때문에 우려가 제기됨에 따라, 이러한 한계가 더 축소될 가능성이 높습니다.

IoT 장치를 위한 원격 RF 에너지 수집을 지지하는 사람들은 이 방법이 도시 지역에서 원격 센서를 구동하는 데 유용할 것이라고 주장합니다. 하지만 이미 확인했듯이 상대적으로 긴 안테나가 필요하며, TV 방송국이나 다른 전원 공급원에 정확히 정렬되어야 합니다. 또한 전원 공급원이 이동하거나 변경되면, 관련된 모든 IoT 장치를 다시 정렬해야 합니다. 이는 IoT 장치의 전력 수집을 배치하는 목적, 즉 구동되는 장치에 물리적으로 접근할 필요를 피하는 목적에 반하는 것입니다. 안테나 요구 사항만으로도 웨어러블 장치를 위한 원격 전력 수집은 비현실적입니다.

RF 에너지 하베스팅 솔루션

전력 수확을 위한 지향성 RF

센서가 접근하기 어려운 지역에 배치되거나, 그 지역 자체가 인간에게 위험할 수도 있는 상황이 있습니다. 이러한 경우 센서를 무작위로 전력을 수집하는 방식이 아닌, 센서에 특정적으로 전력을 전달하는 방식으로 구동하는 방법이 개발되었습니다. 까다로운 안테나의 변덕이나 TV 신호의 유무에 의존하는 대신, 기술자는 안전한 거리에서 RF 송신기를 유닛에 조준하여 사용할 수 있습니다.

Powercast Corporation은 조직이 이 기술의 가능성을 탐구할 수 있도록 평가 키트를 제공합니다. 회사의 P2110-EVAL-02 평가 키트는 Arrow Electronics에서 구매할 수 있습니다. 데이터시트에 따르면 평가 키트에는 RF 송신기와 수신기, 안테나, 그리고 전달된 전력을 활용하는 충전 보드가 포함되어 있습니다. 그리고 물론, 또 다른 중요한 탐구 영역은 RFID입니다.

RFID - 원거리 주파수 식별

원격 주파수 식별(RFID)은 라디오파 신호를 사용하여 태그가 부착된 물체를 식별합니다. 태그를 읽는 장치는 RF 신호를 발산하며, 이 신호는 두 가지 목적을 수행합니다. 첫째, 태그—아주 작은 전자 기기—가 들어오는 RF 신호의 에너지를 "수확"하여 자체적으로 전원을 공급합니다. 그런 다음 태그는 저장된 디지털 식별 정보를 포함하고 있으며, 이 데이터를 리더로 다시 전송합니다.

이제 독자는 스캔한 항목의 정체를 알게 되었습니다. 태그는 시각적 바코드 태그에 비해 매우 작을 수 있습니다. 게다가, 인간 직원은 멀리서도 식별 작업을 수행할 수 있으며, 이 방식은 자동화에도 쉽게 적용됩니다.

RF 전력의 실용성

따라서 동일한 건물에 TV 송신기를 두고 운영하는 IoT 또는 웨어러블 장치를 설계하지 않는 한, 증거는 강력히 이는 공상적이고 궁극적으로 실용적이지 않은 노력이라는 결론으로 이끕니다. 반면에 특정 방향으로 전송된 전파를 사용하여 RF 전력을 수집하는 상황에서는 매우 실용적일 수 있습니다.