无中生有

作者:美国匹兹堡Teratonix公司创始人罗毅

为数十亿物联网(IoT)传感器提供电力是一项艰巨的任务，可能会给电网带来压力，需要巨额的持续维护成本，并造成电池回收的噩梦。利用Ansys HFSS和Ansys Electronics Desktop, Teratonix设计了一个射频采集器，可以收集周围的射频信号并将其转换为电能。

传感器是我们日益数字化世界的眼睛和耳朵。通过感知、记录和处理数据，并报告我们周围发生的事情，无线传感器帮助连接的设备做出明智的决定，从病人护理到过程控制，再到打开门廊灯。

如果没有传感器，物联网将处于停滞状态。相反，分析师预测到2025年将有420亿台联网设备¹届时传感器市场的估值将超过340亿美元。²

但这种进步是有代价的。保持这些设备运行和处理所有数据需要大量的能源，这可能会对环境造成损害，更不用说电力和电池等传统能源的成本了。

毕竟，你不可能凭空产生能量。

你能吗?

Teratonix。该公司的专利射频(RF)能量采集器收集周围旋转的射频信号并将其转换为电能。Teratonix收割机生产的是一种清洁的电力来源，这将使数十亿个无电池、免维护的无线物联网传感器能够用于低功耗、远程和短程应用。

模拟的可能性

当天线捕捉到我们周围的无线电波时，射频到直流的过程就开始了。这些无线电波在天线的长度上产生一个不断变化的电位差——从2英寸到10英寸不等——天线的电荷载体试图平衡这个电位差。然后，收集器的RF-to-DC集成整流电路捕获电荷载流子运动产生的能量，这些能量反过来被一个放大直流输出并将其连接到负载的电容器暂时储存起来。

Teratonix使用Ansys HFSS仿真软件开发了收割机的高增益100 MHz-6 GHz宽带天线，并使用Ansys Electronics Desktop来方便其阻抗匹配整流器的设计。对于Ansys Startup Program的成员Teratonix来说，设计射频采集器没有“回到绘图板”的选择:如果不能模拟增益、方向性和电阻抗等特性，就不会有产品。

突破性技术

将“免费”的手机、电视、收音机甚至蓝牙信号转换成直流信号的想法并不新鲜。业界多年来一直在考虑这个问题，但由于现有的二极管技术只能捕获单一频率的射频信号，并且转换效率非常低，因此受到了限制。卡内基梅隆大学的科学家们开发的高响应金属-半导体-金属(MSM)二极管改变了这一点，释放了从全RF频谱收集宽带信号的潜力，并且比单频二极管的速度快1000倍。这使得射频采集技术的发展触手可及。

利用Ansys HFSS, Teratonix修改了标准的领结天线和对数螺旋天线，然后确定哪种迭代能够提供所需的宽带性能质量。

然而，商业化依赖于创造一种具有高增益的多波段天线，可以接收水平和垂直极化波。Teratonix通过Ansys HFSS实现了这一突破性目标，该软件提供了3D电磁设计和仿真功能。

关键的配置

展望未来，Teratonix打算使用Ansys软件来优化信号连接以及信号和电源的完整性。

当然，天线只是RF-to-DC等式的一部分。一旦信号被捕获，一个有效的整流器必须有效地转换它们。

为了加速整流器集成电路(IC)的设计(集成了专有的超高速二极管)，Teratonix使用了Ansys Electronics Desktop。该平台提供了有关电路性能的详细信息，作为射频频率和输入功率的函数，提供了直流输出的测量，并增加了对IC尽快将射频信号转换为电能的能力的信心。Ansys Electronics Desktop还帮助工程师评估不同的IC材料、关键尺寸和配置，以实现完整的rf到dc转换和经济实惠的制造。将该软件与开源SPICE相结合，实现了电路运行的时域和频域仿真。

利用Ansys HFSS, Teratonix修改了标准的领结天线和对数螺旋天线，然后确定哪种迭代能够提供所需的宽带性能质量。

更多的势能

随着物联网市场的爆炸式增长，它的影响无处不在——甚至在我们周围的空气中。它充满了周围的射频信号，随着5G和先进的Wi-Fi的激增，这个空间只会变得更加拥挤。

捕捉这些无处不在的、否则会被浪费掉的信号，将有助于为下一代“智能”设备提供动力，而且速度比以往任何时候都要快，同时还能控制成本，保护环境。

来源

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