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同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量采集+傳感器數(shù)據(jù)傳遞的特殊方法

發(fā)布時(shí)間:2018-05-29 來源:Bill Schweber 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】能量采集(energy harvesting)是一個(gè)很重要的議題,因?yàn)樵摷夹g(shù)能催生一系列數(shù)據(jù)擷取與監(jiān)測(cè)的新選項(xiàng);我們現(xiàn)在有換能器(transducer)可以擷取并轉(zhuǎn)換振動(dòng)、溫度、沖擊以及RF等環(huán)境能量,將之轉(zhuǎn)換為電能,也有IC能有效率地采集并管理這類能量,還有以超低功耗運(yùn)作的處理器與無線連結(jié)。
 
大多數(shù)那些應(yīng)用也需要一顆微小的電池來儲(chǔ)存采集到的電能,并釋出儲(chǔ)存的能量做為電子組件的運(yùn)作電源;依據(jù)設(shè)計(jì)以及使用情境,這類能量采集設(shè)備的尺寸可能會(huì)相當(dāng)小──約只有幾公分大,或者更大一點(diǎn)。
 
筆者看過不少能量采集設(shè)備的設(shè)計(jì),很多都十分創(chuàng)新也很有趣;其中有一個(gè)我認(rèn)為特別與眾不同的,是荷蘭恩荷芬理工大學(xué)(University of Eindhoven;通常簡(jiǎn)稱為TU/e)所開發(fā),利用無線電波供電、號(hào)稱“世界最小”的溫度傳感器。這是無一款無線溫度傳感器,完全藉由來自與其關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)無線電波供電。
 
這種自供電IC尺寸只有2×2 mm、重量不到2毫克(milligram);如下圖所示。其RF有效距離為2.5公分,研究人員預(yù)計(jì)一年之內(nèi)能將之?dāng)U展到1公尺,最終則希望達(dá)到約5公尺──這是一個(gè)遠(yuǎn)大目標(biāo),因?yàn)檫@能讓RF除了扮演電源角色,也是數(shù)據(jù)傳輸接口。
 
同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量采集+傳感器數(shù)據(jù)傳遞的特殊方法
自供電的THz頻段溫度傳感器不需要電池或超級(jí)電容,能傳輸幾公分之內(nèi)的溫度讀數(shù) (來源:University of Eindhoven, the Netherlands)
 
雖然這并不是全新概念,但有兩個(gè)有趣的部份;首先在Terahertz (THz)頻段運(yùn)作,而且能透過變化載波頻率來傳遞溫度感測(cè)數(shù)值;該技術(shù)論文的作者有一份詳細(xì)的簡(jiǎn)報(bào),題為“利用毫米波傳輸數(shù)據(jù)與電力的小型溫度傳感器”(Small Temperature Sensor Using mm-wave data and power transfer),內(nèi)容相當(dāng)豐富,有電路圖、照片以及性能圖表。
 
新聞稿指出,該傳感器有一種專門打造的路由器,配備天線以傳送無線電波為傳感器供電;這種傳感器內(nèi)含天線,能從路由器擷取能量。傳感器會(huì)儲(chǔ)存能量,當(dāng)能量足夠時(shí)傳感器就會(huì)開啟,量測(cè)溫度并傳送一個(gè)信號(hào)至路由器;該信號(hào)擁有稍微特別的頻率,取決于所量測(cè)到的溫度。路由器則能由該特別的頻率推斷出溫度,如下圖所示。
 
同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量采集+傳感器數(shù)據(jù)傳遞的特殊方法
傳感器內(nèi)的THz頻率輸出變化與溫度的對(duì)比,利用載波位移與溫度的對(duì)比;這是大多數(shù)工程師會(huì)嘗試避免的參數(shù)變化 (來源:University of Eindhoven, the Netherlands)
 
利用這種溫度對(duì)頻率模式本身并非新概念,因?yàn)閂/F (voltage-to-frequenc) A/D轉(zhuǎn)換器已經(jīng)存在一段時(shí)間,甚至有專門設(shè)計(jì)以表現(xiàn)這種特定A/D轉(zhuǎn)換的IC。不過通常這種V/F轉(zhuǎn)換是在基頻或是非常低的頻率,能利用簡(jiǎn)單的定時(shí)器(timer)而非THz載波調(diào)變,大幅簡(jiǎn)化頻率量測(cè)。
 
這么做似乎有點(diǎn)大膽,因?yàn)橐繙y(cè)甚至是基本參數(shù)都會(huì)是個(gè)挑戰(zhàn);因?yàn)椴僮鼽c(diǎn)(在這個(gè)案例中是載波頻率)的溫度偏移,這種方法也會(huì)與低溫度系數(shù)(temperature coefficient,tempo)的一般需求不符,通常會(huì)被認(rèn)為是一種必須修剪、校正或是在某種程度上被補(bǔ)償?shù)膯栴}。而在這里卻被用來做為傳遞信息的一種方式。
 
這種方法會(huì)被廣泛接受嗎?我真的不知道,但我確實(shí)覺得這很聰明、值得玩味,也顯示這應(yīng)該是個(gè)熟悉利用THz頻段的好點(diǎn)子,因?yàn)樗旧硗瑫r(shí)提供了全新的解決方案途徑,也帶來嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。
 
THz頻段有時(shí)被稱為次毫米波,介于微波以及紅外線輻射之間,跨越0.3~3THz (0.3THz的較低頻段邊緣也被稱為300GHz,利用更為大眾熟悉的名詞);該頻段在感測(cè)情境方面具備龐大潛力,但在實(shí)際進(jìn)展上仍有一些困難(參考IEEE期刊的一篇文章,解釋了這個(gè)頻段的一些基礎(chǔ)物理特性、創(chuàng)新潛力,以及在實(shí)際應(yīng)用上的困難)。
 
你認(rèn)為像這種THz頻段溫度傳感器的自供電感測(cè)組件是可行方案嗎?THz頻段是否為下一個(gè)準(zhǔn)備好成為RF探勘與開采的重要領(lǐng)域?歡迎討論!
 
本文轉(zhuǎn)載自電子工程專輯。
 
 
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