Обеспечить энергией миллиарды датчиков IoT (Internet of Things, Интернет Вещей) – достаточно сложная задача. Повышенная нагрузка на электросеть, дорогостоящее обслуживание и настоящий кошмар с точки зрения утилизации использованных аккумуляторов. Однако компании Tetratonix удалось решить эту задачу, используя Ansys HFSS и Ansys Electronics Desktop. Компания разработала «сборщик сигналов», который «собирает» радиочастотные сигналы из окружающей среды и преобразовывает их в электричество.
Сегодня датчики – это глаза и уши нашего цифрового мира. Датчики получают, записывают и обрабатывают информацию о том, что происходит вокруг. И используются они повсеместно – от ухода за больными и управления технологическими процессами до включения освещения у вас на крыльце.
Цель проекта
Без датчиков развитие IoT остановилось бы. Аналитики прогнозируют, что к 2025 году в мире будет 42 миллиарда «умных» устройств, а рынок сенсоров будет оцениваться более чем в 34 миллиарда долларов.
Но у всякого развития есть своя цена. Для поддержания работы этого гигантского количества устройств требуется не менее гигантское количество энергии. Производство такого объема энергии может нанести существенный вред окружающей среде, не говоря уже о стоимости этой энергии.
Даже маломощные датчики в таком количестве могут привести к истощению электросети и увеличению выбросов СО2. Использование аккумуляторных батарей позволяет избежать этих проблем, но создает ряд новых: дороговизна, недолговечность батарей и необходимость их утилизации. Некоторые датчики работают в таких условиях, когда заменить батарею становится физически невозможно. К тому же, представьте ситуацию, когда каждый год вам нужно будет заменять 500 миллиардов севших батареек. Звучит не очень оптимистично. Возникает вопрос: как обеспечить все эти миллиарды датчиков энергией без ущерба окружающей среде, да еще и за небольшую стоимость?
Жаль, что нельзя получать электричество прямо из воздуха.
Или можно?
У Teratonix это получилось. Компания запатентовала радиочастотный «сборщик энергии», который собирает РЧ-сигналы из окружающей среды и преобразует их в электричество. Изобретение Teratonix – это экологически чистый источник энергии, который может обеспечить энергией миллиарды датчиков беспроводных датчиков IoT. Это позволит не только избежать использования батарей, но и сократить расходы на обслуживание датчиков.
Возможности моделирования
Преобразование РЧ-сигнала в постоянный ток начинается, когда антенна улавливает этот сигнал. Радиоволны создают переменную разность потенциалов в антенне длиной от 2 до 10 дюймов. Затем выпрямитель постоянного тока улавливает энергию, которая вырабатывается носителями заряда в антенне, после чего энергия накапливается в конденсаторе, усиливающем выходной ток.
Для разработки антенны Teratonix использовали Ansys HFSS. Антенна отличается большим коэффициентом усиления и работает в широком диапазоне частот – от 100 МГц до 6 ГГц. Ansys Electronics Desktop использовался для моделирования согласования выпрямителя с нагрузкой. Как участник Ansys Startup Program, Teratonix решили использовать все преимущества моделирования при разработке своего устройства. Более того, без возможности смоделировать диаграмму направленности и коэффициент усиления, компания не смогла бы выпустить работающий прототип.
Прорывная технология
Идея конвертации «свободных» радиочастотных сигналов в постоянный ток не является чем-то инновационным. Этот способ рассматривался индустрией в течение нескольких лет, однако он был ограничен доступными технологиями. Использовавшиеся ранее диоды могли улавливать только сигналы одной частоты и были очень неэффективны с точки зрения преобразования энергии. Но ситуацию изменила разработка ученых из Университета Карнеги-Меллона. Они разработали высокочувствительный диод металл-полупроводник-металл (MSM), который может улавливать сигналы в широком спектре радиочастот, и делает это гораздо быстрее чем обычные диоды. Это открытие сделало возможным сбор РЧ-сигналов широкого спектра и преобразование их в энергию.
Коммерческий успех нового продукта зависел в первую очередь от разработанной широкополосной антенны – она должна принимать не только горизонтально, но и вертикально поляризованные волны. Достичь успеха Teratonix смогли, используя Ansys HFSS – ведущий инструмент для трехмерного электромагнитного анализа.
Разработка антенны
Teratonix использовала Ansys HFSS для доработки стандартных моделей bow tie и log spiral антенн. После моделирования была выбрана оптимальная конфигурация, которая обеспечивала лучшую производительность в широком диапазоне частот. Моделируя варианты антенн с различными характеристиками, инженеры Teratonix смогли оценить, как направленность и чувствительность антенны влияют на коэффициент усиления и помехи. Решатель HFSS в частотной области дал инженерам понимание, насколько хорошо антенна согласуется с остальной схемой «собирателя сигналов» во всем доступном диапазоне частот. Время решения варьировалось в зависимости от сложности модели: от 15 минут для простых конструкций и до 2 часов для более сложных.
В будущем Teratonix планирует использовать инструменты Ansys для оптимизации целостности сигнала и питания. А их коллеги по цеху, Pivotal Commware проверили на собственных проектах эффективность оптимизации в ПО Ansys.
Конечно, антенны – лишь часть уравнения «из сигнала РЧ в постоянный ток». Другой важной частью этого уравнения является выпрямитель, который преобразовывает сигналы, принимаемые антенной.
Для ускорения разработки интегральной схемы (ИС) выпрямителя с новым сверхскоростным диодом инженеры Teratonix использовали Ansys Electronics Desktop. Инструменты Ansys дали инженерам всю необходимую информацию о производительности системы в зависимости от частоты радиосигнала и входной мощности. Благодаря этим данным инженеры смогли разработать ИС, которая может быстро и эффективно преобразовывать радиочастотные сигналы в электрический ток. Помимо прочего, Ansys Electronics Desktop дал инженерам возможность протестировать различные материалы для производства плат и микросхем чтобы снизить стоимость, не снижая эффективности устройства.
Не прибегнув к моделированию, инженеры Teratonix не смогли бы разработать свой «собиратель РЧ-сигналов». Благодаря программному обеспечению Ansys был разработан и построен рабочий прототип, который был представлен на выставке Consumer Electronics Show в январе 2020 года.
Все больше энергии
По мере того, как рынок умных устройств расширяется, увеличивается и количество информации, которой они обмениваются. Радиочастотные сигналы буквально заполняют свободное пространство вокруг нас, и по мере распространения систем 5G и новых стандартов Wi-Fi сигналов будет становиться все больше и больше.
Эти сигналы могут обеспечить энергией множество умных устройств, одновременно снижая затраты на обслуживание устройств и сохраняя окружающую среду. Благодаря разработке Teratonix это не кажется чем-то невероятным.