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同时实现能量采集+传感器数据传递的特殊方法

时间:2018-05-24 作者:Bill Schweber 阅读:
用以支持传感器数据传递的能量采集技术有很多种形式,有一种RF供电温度传感器是利用THz频段以及频率位移技术…
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能量采集(energy harvesting)是一个很重要的议题,因为该技术能催生一系列数据撷取与监测的新选项;我们现在有换能器(transducer)可以撷取并转换振动、温度、冲击以及RF等环境能量,将之转换为电能,也有IC能有效率地采集并管理这类能量,还有以超低功耗运作的处理器与无线连结。M8DEETC-电子工程专辑

大多数那些应用也需要一颗微小的电池来储存采集到的电能,并释出储存的能量做为电子组件的运作电源;依据设计以及使用情境,这类能量采集设备的尺寸可能会相当小──约只有几公分大,或者更大一点。M8DEETC-电子工程专辑

笔者看过不少能量采集设备的设计,很多都十分创新也很有趣;其中有一个我认为特别与众不同的,是荷兰恩荷芬理工大学(University of Eindhoven;通常简称为TU/e)所开发,利用无线电波供电、号称“世界最小”的温度传感器。这是无一款无线温度传感器,完全藉由来自与其关联的网络无线电波供电。M8DEETC-电子工程专辑

这种自供电IC尺寸只有2×2 mm、重量不到2毫克(milligram);如下图所示。其RF有效距离为2.5公分,研究人员预计一年之内能将之扩展到1公尺,最终则希望达到约5公尺──这是一个远大目标,因为这能让RF除了扮演电源角色,也是数据传输接口。
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*自供电的THz频段温度传感器不需要电池或超级电容,能传输几公分之内的温度读数
(来源:University of Eindhoven, the Netherlands)*M8DEETC-电子工程专辑

虽然这并不是全新概念,但有两个有趣的部份;首先在Terahertz (THz)频段运作,而且能透过变化载波频率来传递温度感测数值;该技术论文的作者有一份详细的简报,题为“利用毫米波传输数据与电力的小型温度传感器”(Small Temperature Sensor Using mm-wave data and power transfer),内容相当丰富,有电路图、照片以及性能图表。M8DEETC-电子工程专辑

新闻稿指出,该传感器有一种专门打造的路由器,配备天线以传送无线电波为传感器供电;这种传感器内含天线,能从路由器撷取能量。传感器会储存能量,当能量足够时传感器就会开启,量测温度并传送一个信号至路由器;该信号拥有稍微特别的频率,取决于所量测到的温度。路由器则能由该特别的频率推断出温度,如下图所示。
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*传感器内的THz频率输出变化与温度的对比,利用载波位移与温度的对比;这是大多数工程师会尝试避免的参数变化
(来源:University of Eindhoven, the Netherlands)*M8DEETC-电子工程专辑

利用这种温度对频率模式本身并非新概念,因为V/F (voltage-to-frequenc) A/D转换器已经存在一段时间,甚至有专门设计以表现这种特定A/D转换的IC。不过通常这种V/F转换是在基频或是非常低的频率,能利用简单的定时器(timer)而非THz载波调变,大幅简化频率量测。M8DEETC-电子工程专辑

这么做似乎有点大胆,因为要量测甚至是基本参数都会是个挑战;因为操作点(在这个案例中是载波频率)的温度偏移,这种方法也会与低温度系数(temperature coefficient,tempo)的一般需求不符,通常会被认为是一种必须修剪、校正或是在某种程度上被补偿的问题。而在这里却被用来做为传递信息的一种方式。M8DEETC-电子工程专辑

这种方法会被广泛接受吗?我真的不知道,但我确实觉得这很聪明、值得玩味,也显示这应该是个熟悉利用THz频段的好点子,因为它本身同时提供了全新的解决方案途径,也带来严峻的技术挑战。M8DEETC-电子工程专辑

THz频段有时被称为次毫米波,介于微波以及红外线辐射之间,跨越0.3~3THz (0.3THz的较低频段边缘也被称为300GHz,利用更为大众熟悉的名词);该频段在感测情境方面具备庞大潜力,但在实际进展上仍有一些困难(参考IEEE期刊的一篇文章,解释了这个频段的一些基础物理特性、创新潜力,以及在实际应用上的困难)。M8DEETC-电子工程专辑

你认为像这种THz频段温度传感器的自供电感测组件是可行方案吗?THz频段是否为下一个准备好成为RF探勘与开采的重要领域?欢迎讨论!M8DEETC-电子工程专辑

编译:Judith ChengM8DEETC-电子工程专辑

本文授权编译自EE Times,版权所有,谢绝转载M8DEETC-电子工程专辑

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Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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