首页»技术与应用»利用能量收集来保持可穿戴设备的运行

利用能量收集来保持可穿戴设备的运行

文章作者:Steve Taranovich

一种可能的设计方案是使用喷墨打印的毫米波整流天线，这是一种整流天线，将电磁能量转换为直流电源。

另一种保持可穿戴性的途径充电和运行可能是射频能量收集。在该领域进行了研究，并且可能的设计解决方案的一个很好的例子是毫米波喷墨能量收集方法，可在可穿戴设计中以柔性电子器件使用。万博投注网址

该设计使用喷墨打印毫米波整流天线，这是一种整流天线，将电磁能量转换为直流电源。

该设计包括通过天线捕获24GHz信号，并将其发送到具有在其前面的输入匹配网络的整流器，以最大功率传输到谐波终端网络（HTN）。谐波终端网络（HTN）提供二极管看到的开路阻抗，奇数谐波和偶数谐波处的短路阻抗作为示例。HTN还将RF分量与DC分量隔离。vAI的直流返回路径消除了在MM波频率下产生高寄生问题的信号到接地通孔。见图6。

图6:RERGENNA开发思想的框图（由参考文献3提供的图像

通过使用柔性液晶聚合物（LCP）衬底以及通过使用DiMax Fujifilm DMP-2831打印机的银纳米粒子油墨的喷墨印刷制成的微带痕迹来进行整个系统。

天线是一个平面2×2贴片阵列设计与四个贴片连接通过一个公司馈电网络与三个t结，所有在同一层作为50欧姆输入馈电线。请参见图7。

图7:天线布局。天线尺寸见文献3(来源:文献3)

在使用这种设计的实验中，LED通过空气成功开启了24GHz信号。

一些有趣的组件解决方案和技术

Powercast PowerHarvester ICs
我最近谈到了Charles Greene博士，Cogrcast的Charles Greene博士就他的公司推动了可穿戴物的解决方案。Powercast的解决方案兴致了我。见图8。

图8:Powercast无线充电解决方案(来源:Powercast)

PowerCast的PowerHarvester ICS使可穿戴设备设计师能够在可穿戴设备中嵌入它们，以提供无线电距离到一个或多个设备的距离。通过在ISM频段中收获射频（RF）能量，IC可使可穿戴设备的电池充电。该方法使得能够可清洗的气密密封装置。

解决方案的形状很小;Powerharvester芯片提供频繁和透明的充电，允许使用更小的电池，使更小，更薄的设备。

类似于手机的低功率射频发射机，可以安装在壁橱或梳妆台抽屉下面。这个发射器为可穿戴的衣服创建一个充电区域。只要可穿戴设备在壁橱或抽屉里，设备的电池就会自动进行滴流充电。这种方法与接收器在其频率范围内需要依赖随机射频信号的区域无关。RF功率类别见图9。

图9:在2017传感器博览会和会议上，Charles Greene博士最近的演讲中提到了射频功率类别(来源:传感器的无线电源、能源收获和电源管理解决方案以及物联网演示，由Charles Greene博士，2017传感器博览会和会议)

这个创新解决方案成功的关键是非常高效的RF-to-DC转换器设计，所以让我们看看这家公司是如何管理他们的系统的。

系统设计

我真的很喜欢Powercast的方法，因为只依赖于RF能量的环境来源可能是如此不可预测的。通过提供自己的RF功率来源，系统可以计算恒定的功率流。授予环境电力源可能是电力不可用的偏远地区的更好的解决方案，但我相信该市场的主要部分可以使用专用，可靠的无线发射器，特别是可穿戴设备。

图10显示了从英寸到超过100英尺的距离上的射频功率的典型有意广播。发射功率可以从微瓦到毫瓦。

图10:PowerCast系统将提供具有可通过特定设计需求控制的参数的启用设备的自动充电。这些参数是功率电平，频率，发送/接收天线增益和发射器的数量，距离，设备占空比和系统成本。（资料来源：Charles Greene，Ph.D.，Sensors Expo＆Conference的无线电力，能源收集和电源管理解决方案以及Charles Greene，Ph.D.，2017）

频率的重要性

FRIIS传输方程用于计算从一个天线接收的电力，G1的增益，当从另一天线发送时，通过增益G2，在距离R和工作频率f或波长λ分离时。格林博士的设计从Friis万博投注网址方程开始。

笔记：以下等式采用远场操作（作为“R”转到零，接收到无限远的电源，因此对这些方程有限制）

这一事实是，W / M2中的功率密度与频率无关：

在哪里
Pt是发射功率
R是天线的范围或距离
ΓT为发射机反射系数
GT(θT，ΦT)是与角度相关的发射机增益

天线类型的有效面积(Ae)随着频率的平方而减小:

在哪里

因此，如果特定的设备允许，增加天线的尺寸，就会在更高的频率下，用更大的天线产生更定向的信号。雷达方程:

在哪里
PR是收到的数据电量
GR是最大接收器增益

相反，频率越低，信号就越全向，一般也允许更多的吞吐量。天线的大小自然是由接收设备的大小决定的(例如915MHz的偶极子用于游戏控制器，2.4GHz或5.8GHz的偶极子用于助听器)

发射机

Powercaster TX 91501发射机使用未经许可的ISM波段上的915MHz中心频率与功率直接序列扩频(DSSS)调制，这是一种扩频技术，原始数据信号与伪随机噪声扩频码相乘。扩频码具有较高的芯片率(码的比特率)，能够产生宽带时间连续的置乱信号。军方使用这种技术来显著提高对干扰/干扰信号的保护，特别是窄带信号，使信号不那么容易被可能的黑客察觉。

对于所述数据，采用幅值移位键控(ASK)数字调制方案，该方案给出一个正弦信号两个或多个与所述数字消息所采用的电平数相关的离散振幅电平。调制的波形通常看起来像一个正弦信号的突发。

的接收器

在接收端也有PCC110 RF到DC转换器IC和PCC210 Boost转换器IC，用于大容量OEM设计和参考设计。万博投注网址参见图11。

图11:PowerHarvester IC用于接收侧电源（来源：传感器的无线电力，能源收集和电源管理解决方案以及Charles Greene，Ph.D.，Sensors Expo＆Conference，2017）

P1110和P2110模块也基于PCC110和PCC210 ic。参见图12所示。

图12：Powercast模块是RF-in - DC-out器件，具有较高的RF-to-DC转换效率，这是一个关键参数。它们专为50Ω天线设计，支持840-960MHz范围内的多个频段。（资料来源：Charles Greene，Ph.D.，Sensors Expo＆Conference的无线电力，能源收集和电源管理解决方案以及Charles Greene，Ph.D.，2017）