RF Energy Harvesting findet eine wachsende Rolle in KI-gesteuerten Anwendungen

Die steigende Nachfrage nach drahtlosen Geräten wie Mobiltelefonen und Computern zeigt die Bedeutung drahtloser Anwendungen weltweit. Diese Geräte benötigen jedoch eine kontinuierliche Stromversorgung oder eine lange Batterielebensdauer. Um den Einsatz von Batterien aus Sicherheitsgründen zu begrenzen, kann ein RF-Energy-Harvesting-System zur Bereitstellung von drahtloser Energie dem gesamten Anwendungsmarkt zugute kommen, der zwischen 2020 und 2025 voraussichtlich um 22 % wachsen wird.

Dieses Wachstum lässt sich auf viele Faktoren zurückführen, aber der Haupttreiber ist die künstliche Intelligenz (KI). Obwohl KI-Algorithmen jetzt stark sind, benötigen sie immer mehr Daten, um effektiver zu sein. Und hier kommt die drahtlose Stromversorgung ins Spiel. Die drahtlose Stromversorgung hat sich als zuverlässig und effizient erwiesen und kann dazu beitragen, die KI zu füttern, um bessere Entscheidungen zu treffen. Im Interview mit EE Times Europe , Charlie Goetz, CEO von Powercast, glaubt, dass IoT, ADAS und Smart Cities eine Reihe von KI-bezogenen Bereichen sind, die am meisten von der Implementierung und Einführung der drahtlosen Stromversorgung profitieren könnten.

RF ist verfügbar und kann ganz einfach an jedem Ort und zu jeder Zeit gefunden werden, unabhängig von Zeit, geografischen Grenzen oder Wetterbedingungen. Typischerweise reicht der HF-Bereich von 3 kHz bis 300 GHz. Die Idee besteht darin, diese HF-Energiequellen zu gewinnen und sie für die Verwendung in bestimmten Anwendungen zu speichern. HF-Energy-Harvesting bietet für viele Anwendungen erhebliche Vorteile, erfordert jedoch eine sorgfältige Beachtung der Schlüsselkomponenten, einschließlich der für diesen Ansatz erforderlichen Empfängerantenne und Stromkonditionierungsschaltungen.

Drahtlose Stromversorgung

Jede industrielle Umgebung, die sensorische Informationen für vorbeugende Wartung und kritische Abschaltungen benötigt, kann von drahtloser Stromversorgung profitieren. Beispielsweise gibt es in einer Produktionsstätte bestimmte Bereiche, die schwer oder gefährlich zugänglich sind. Aus diesem Grund können bestimmte Sensoren (deren Batterien) nicht gewechselt werden. Sensoren, die drahtlos aufgeladen werden, ermöglichen eine Set-and-Forget-Mentalität (d. h. Sie müssen die Batterien nicht wechseln), was einen ununterbrochenen Informationsfluss an die KI ermöglicht.

Auch autonome Fahrzeuge können stark von der drahtlosen Stromversorgung profitieren. Heute integrieren sich selbstfahrende Autos mithilfe von Sonar, Radar und Mustererkennung in ihre Umgebung. Um sicherer und zuverlässiger zu werden, müssen Autos ihre Umgebung wahrnehmen und mit der Straße kommunizieren:eine Straßenlaterne, die gelben Linien der Straße usw. über Sensoren. Mit drahtlos betriebenen Sensoren können Autos auch ihren Weg durch die Umgebung kommunizieren, ohne gegen Verbindungskabel zu stoßen, was zu einem sichereren und zuverlässigeren Weg führt.

Später wird die Ermöglichung von Smart Cities nicht mit Batterien und Kabeln erfolgen, sondern mit KI und drahtloser Energie. Damit Smart Cities mit ihrer Umgebung kommunizieren können, müssen kabellose Stromversorgung und Aufladung implementiert werden.

Energiegewinnung

Hochfrequenz ist eine reichliche Quelle für Energy Harvesting, obwohl sie die Nähe einer Sendeantenne erfordert. Das Konzept des Energy Harvesting aus HF ist nicht neu und der Prozess ist relativ einfach. Funkwellen treffen auf eine Antenne und verursachen eine Potentialdifferenz, die Ladungsträger entlang der Antenne bewegt, um das Feld auszugleichen. Der Harvesting-Kreislauf erfasst diese Bewegung im Wesentlichen. Die Energie wird vorübergehend in einem Kondensator gespeichert und dann verwendet, um eine gewünschte Potenzialdifferenz an der Last zu erzeugen.

Die HF-Ladetechnologie verwendet mehrere Technologien (Qi, PMA/AirFuel Alliance, WPC usw.), jede mit unterschiedlichen Lademethoden und maximalen Ladeentfernungen. Sowohl unsere Router als auch Mobiltelefone erzeugen Raumregionen mit potentiellen Energien, die sich über Zeit und/oder Entfernung ändern. Und wo immer ein Potenzialunterschied besteht, gibt es immer eine Möglichkeit, Strom zu gewinnen.

HF-Sender für die Kommunikation sind typischerweise in der Leistung, die sie ausstrahlen können, eingeschränkt. Darüber hinaus fällt für eine gegebene Funkquelle die Leistung an der Empfangsantenne mit der Entfernung ab, wie durch die Friis-Übertragungsgleichung vorhergesagt:

wo

P _T =Sendeleistung
P _R =empfangene Leistung
G _T =Antennengewinn des Senders
G _R =Antennengewinn des Empfängers
λ =Wellenlänge
d =Abstand zwischen Sender und Empfänger

Das Design der Empfangsantenne spielt eine entscheidende Rolle bei der Maximierung der Effizienz des Energy Harvesting. Empfangsantennen können in Leiterplatten geätzt oder als speziell für die Aufgabe ausgelegte Empfangsspulen-Bauteile erhältlich sein (Abbildung 1).

Abbildung 1:Powercast-Patchantenne (900 MHz) im P2110-Evaluierungskit enthalten.

Powercast-Technologie

Anfang 2021 gab Powercast die Ernennung zum Gewinner des BIG Innovation Awards 2021 der Business Intelligence Group für sein neues drahtlos betriebenes RFID-Temperatur-Scansystem bekannt, mit dem Unternehmen die Temperatur der Mitarbeiter einfach und sicher zur Unterstützung von Covid- 19 Überwachungsprotokolle.

Das Temperatur-Scansystem besteht aus einem Temperatursensor, einem RFID-Lesegerät und einem TV-Monitor. Durch die drahtlose Technologie lädt sich das Gerät schnell auf, wenn es in der Nähe eines RFID-Lesegeräts am Eingang des Unternehmens mit der patentierten Powercast Energy Harvesting-Technologie gehalten wird. Mitarbeiter scannen ihre Stirn mit dem Stick, um ihre Temperatur abzulesen, und erhalten entweder Zutritt oder Einlass aufgrund der Messung, die automatisch auf dem Monitor angezeigt wird.

„Das Design der Antenne ist sehr wichtig, es dient dazu, uns auf eine bestimmte Frequenz abzustimmen, die in unserem Fall 915 MHz beträgt. Wenn Sie es mit HF zu tun haben, haben Sie es am Ende mit sehr geringen Energiemengen zu tun, selbst auf relativ kurze Distanz. Sie haben es mit 10 oder vielleicht niedrigen Hunderten von Milliwatt zu tun. Daher muss Ihr Energiemanagement hinter dieser Sammlung und Umwandlung äußerst wichtig sein. Antenne und Energiemanagement müssen harmonisch zusammenarbeiten, um die richtige Benutzererfahrung zu erzielen und tatsächlich echte Lösungen zu liefern“, sagte Goetz.

Abbildung 2:P2110-EVAL-02-Evaluierungskit

Die Empfangsantenne hat eine Impedanz von 50 Ohm, die der Eingangsimpedanz des restlichen Gerätes entsprechen muss. Die in der Nähe der Antenne gesammelte Spannung muss dann auf eine Spannung gebracht werden, die in Gleichstrom umgewandelt werden kann. Dies kann mit einer Ladungspumpe erfolgen, die die Spannung erhöht, aber offensichtlich nicht die Gesamtleistung erhöhen kann. Powercast bietet ein Evaluierungskit, das Unternehmen dabei hilft, die Möglichkeiten dieser Technologie zu erkunden. Das P2110-EVAL-02 umfasst einen HF-Empfänger und -Sender, eine Antenne und eine Ladeplatine zum Sammeln der emittierten Leistung (Abbildung 2).

Zusammen mit der steigenden Verfügbarkeit profitiert RF Power Harvesting nicht nur von den Verkabelungsanforderungen, sondern bietet auch ein System, das vor Umwelteinflüssen und gefährlichen Materialien geschützt ist. Bei Mesh-Netzwerken können Ingenieure HF-Energy Harvesting mit ausgeklügelter Gerät-zu-Gerät-Kommunikation für eine Vielzahl von Anwendungen kombinieren.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am unsere Schwesterseite EE Times Europe.