助力新一代智能设备成功突围

作者:Yi Luo,美国匹兹堡Teratonix创始人

为数十亿物联网设备成功突围(IoT)传感器运行提供电源实在是一项艰巨的任务,电网会因此承受压力,还需要巨大的持续维护成本,这对电池循环利用而言简直是一场噩梦。Teratonix借助Ansys HFSS和Ansys Electronics Desktop设计出一款射频(RF)采集器,能够采集周边环境中的RF信号将之转变成电压信号。

在数字化日新月异的今天,传感器就好比是世界的眼睛和耳朵。无线传感器能够通过感知、记录、处理数据,并报告周围正发生的事情,帮助已互联的设备对于从病人护理到流程控制,再到打开门廊灯等所有事务做出明智决策

Save PDF 订阅
out of thin air

没有传感器,IoT将举足不前。相反,根据分析人员预测,到2025年1互联设备将达420亿台,届时传感器市场规模(价值)将超过340亿美元2

然而那样的发展却是有代价的。维持这些设备运行并处理所有数据需要耗费大量能量,还会对环境造成破坏,更不用说可能非常高昂的电力和电池等常规能源的成本了。

industrial IoT sensor node

工业IoT传感器节点原型多个传感器、一个微处理器以及一个无线数据传输/接收器由Teratonix环境RF采集器驱动,由天线、RF至DC转换器集成电路以及DC稳压与存储电路构成

即使运行低功率的传感器也会消耗电网中的能源,并增加二氧化碳排放。电池驱动的设备虽然能避免这些问题,但却会引发其他问题:电池安装成本高、寿命短且很难循环利用,甚至会引发危险情况。一些传感器在采集恶劣或危险环境中的数据时作用最大,因为尝试在这种环境中更换电池,轻则出现问题,重则极度危险。预计最早2035年全球就将有5千亿个传感器运行,每年替换数以十亿计即将失效的电池是一件几乎无法想象的事。所以问题在于:我们要如何才能以较低的成本轻松驱动所有这些传感器,同时还不会引起气候变化?

毕竟无法凭空获取能量。

您觉得可以吗?

Teratonix就能够做到。该公司的专利射频(RF)能量采集器能够采集周围环境中游荡的RF信号并将其转换为电能。Teratonix采集器产生的电力是一种清洁能源,允许为低功耗的长距离和短距离应用部署数十亿个无电池、无需维护的无线IoT传感器。

仿真可能性

RF-DC的转换过程会在天线捕获到周围游荡的无线电波之时开始。这些无线电波在整个天线上(2到10英寸的任何位置)形成了不断改变的电势差,天线的电荷载体试图消除这些势差。该采集器的RF-DC集成整流电路随后能捕捉电荷载体移动产生的能量,进而暂时存储于能够放大DC输出的电容器,并将其与载荷相连。

Teratonix借助Ansys HFSS仿真软件为采集器研发100MHz到6GHz的高增益宽带天线,并利用Ansys Electronics Desktop推动其与阻抗匹配的整流器的研发。Teratonix作为Ansys初创公司计划成员,设计RF采集器时没有“另起炉灶”,再操纸笔的选择。如果无法对类似增益、定向性及电子阻抗的属性进行建模,就没有任何产品可言。

突破性技术

将“免费”的手机、电视、无线电、甚至是蓝牙信号转换成DC不是什么新主意。在行业中,已对此问题探索了多年,但是受到现有二极管技术的实际限制,只能捕获单一频率的RF信号,而且转换效率很低。卡内基梅隆大学科学家研发的高响应度金属—半导体—金属(MSM)二极管改变了这种状况,发挥从完整RF频谱中采集宽带信号的潜力,采集速度最多可达单一频率二极管采集速度的1000倍。这也使得RF采集技术的研发成果触手可及。

Teratonix 能够利用Ansys HFSS对标准碟形天线和对数螺旋天线进行改进,随后确定哪个迭代版本符合预期的宽带性能质量。

然而,该技术的商用取决于创造一种具有高增益的多频带天线,能够同时接收水平与垂直的极化波。Teratonix借助Ansys HFSS的3D电磁设计及仿真功能实现了这一突破性目标。

simulated broadband antenna gain

仿真Ansys HFSS所生成的宽带天线增益

关键配置

Teratonix使用Ansys HFSS,对标准碟形天线及对数螺旋天线进行了改进,随后确定哪个迭代版本的宽带性能质量符合预期。Teratonix工程师能够通过对不同的天线特征进行建模,来对定向性和宽带角敏感度如何影响增益和干扰进行量化。此外,Ansys HFSS中的频域求解器允许工程师解析整个目标频率范围内天线与采集器电路之间可能的耦合情况。求解时间范围从短短的15分钟,(对于简单的设计而言),到两个小时之久(较为复杂的天线)。

Teratonix锐意进取,准备借助Ansys软件来优化信号连接以及信号与电源完整性。

当然,天线只是RF-DC方程的一部分。一旦成功捕获信号,高效整流器必须对其进行有效转换。

为了加速其整流器集成电路(IC)的设计(包含专有的超高速二极管),Teratonix使用了Ansys Electronics Desktop。该平台生成了作为RF频率及输入电源功能的电路性能详细信息,不仅能够测量DC输出,而且还能增强IC功能,将RF信号尽快转化为电能。不仅如此,Ansys Electronics Desktop还帮助工程师评估不同的IC材料、关键维度及配置,用于RF-DC完整转换及低成本的制造。结合使用软件与开源SPICE,实现了电路运行的时域及频域仿真。

Teratonix 能够利用Ansys HFSS对标准碟形天线和对数螺旋天线进行改进,随后确定哪个迭代版本符合预期的宽带性能质量。

sample 3d bow

Ansys Electronic Desktop中的碟形天线增益图范例

如果没有仿真工具的使用,工程师甚至可能无法开始设计RF采集器。利用Ansys软件得到了研发原型所需的准确答案,该原型在2020年1月的消费电子展上首次亮相。

更多势能

IoT市场呈爆发性增长态势,其影响力随处可见,甚至连我们周围的空气中都有。空气中充满了环境RF信号,随着5G和高级Wi-Fi的激增,其空间只会更加拥挤。

捕获这些无所不在、弃之则废的信号将有助于驱动新一代“智能”设备,不仅速度胜过以往任何时候,而且还能降低成本并保护环境。


来源

  1. idc.com/getdoc.jsp?containerId=prUS45213219
  2. mordorintelligence.com/industry-reports/iot-sensor-market

与 ANSYS 取得联系

联系我们
联系我们