凭空而来

作者:Yi Luo, Teratonix创始人，美国匹兹堡

为数十亿个物联网(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，需要巨大的持续维护成本，并造成电池回收的噩梦。Teratonix使用Ansys HFSS和Ansys Electronics Desktop设计了一款射频收集器，可以收集环境射频信号并将其转换为电能。

传感器是我们这个日益数字化的世界的眼睛和耳朵。通过感知、记录和处理数据，并报告我们周围正在发生的事情，无线传感器帮助连接的设备在从病人护理到过程控制到打开门廊灯的所有事情上做出明智的决定。

如果没有传感器，物联网将停滞不前。相反，分析人士预测，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。保持这些设备运行并处理所有数据需要大量的能量，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有多高了。

毕竟，你不可能凭空产生能量。

或者你可以吗?

Teratonix。该公司的专利射频(RF)能量收集器收集周围的射频信号，并将其转换为电能。Teratonix收割机产生清洁的电力来源，将使数十亿个无电池、免维护的无线物联网传感器的部署成为可能，用于低功耗、远程和近程应用。

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了不断变化的电位差——从2英寸到10英寸不等——天线的载流子试图使其相等。收割机的RF-to-DC集成整流电路然后捕获电荷载流子运动产生的能量，这些能量由电容器临时存储，电容器放大直流输出并将其连接到负载上。

Teratonix使用Ansys HFSS仿真软件开发了收割机的高增益，100 MHz-6 GHz宽带天线和Ansys电子桌面，以促进其阻抗匹配整流器的设计。Teratonix是Ansys启动计划的成员之一，在设计射频采集器时，没有“回到画板”的纸笔选择:如果不能对增益、方向性和电阻抗等属性进行建模，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种技术，但现有的二极管技术只能捕获单一频率的射频信号，转换效率非常低。卡耐基梅隆大学科学家开发的高响应度金属-半导体-金属(MSM)二极管改变了这一现状，释放了从全射频频谱收集宽带信号的潜力，并且速度比单频二极管快1000倍。这使得射频采集技术的发展触手可及。

使用Ansys HFSS, Teratonix修改了标准蝴蝶结和对数螺旋天线，然后确定哪个迭代可以提供所需的宽带性能质量。

尽管如此，商业化仍然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，提供了3D电磁设计和仿真功能。

关键的配置

展望未来，Teratonix计划使用Ansys软件优化信号连接以及信号和电源的完整性。

当然，天线只是rf - dc方程的一部分。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，Teratonix使用了Ansys Electronics Desktop。该平台提供了有关电路性能随射频频率和输入功率变化的详细信息，提供了直流输出的测量方法，并增加了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，以完成RF-to-DC转换和经济实惠的制造。该软件与开源SPICE相结合，实现了电路运行的时域和频域模拟。

使用Ansys HFSS, Teratonix修改了标准蝴蝶结和对数螺旋天线，然后确定哪个迭代可以提供所需的宽带性能质量。

更多势能

随着物联网市场的爆炸式增长，其影响无处不在——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和高级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信号，否则就会被浪费掉，这将有助于为下一代“智能”设备提供动力，而且速度比以往任何时候都快，同时还能限制成本和保护环境。

来源

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