Huib Visser is senior researcher bij Imec Nederland in Eindhoven en parttime hoogleraar aan de TU Eindhoven, waar hij onder meer lesgeeft in en onderzoek verricht naar antennes en draadloze energieoverdracht.

20 November 2018

Het gebruik van radiogolven om draadloze iot-sensoren op afstand van vermogen te voorzien, is binnenshuis al mogelijk voor low-power en/of duty-cycled sensoren in een line-of-sight. Hiervoor is het wel nodig om een speciaal daarvoor geschikte zender te plaatsen in het systeem. Mobiele telefoons op afstand laden gaat nog niet, maar eerste ontwikkelingen in die richting zien er hoopvol uit, stelt Huib Visser van Imec Nederland.

De vijfde generatie mobiele netwerken (5g) richt zich op een hogere capaciteit, een hogere dichtheid van mobiele breedbandgebruikers, een lagere latency en een lager batterijgebruik dan 4g-toepassingen. De lage latency maakt een significante groei van het internet of things (iot) mogelijk. Door vele, kleine sensoren draadloos te verbinden met (industriële) applicaties kan het iot uitgroeien tot een ‘hyper-connected internet of everything’. Kán, want een grote uitdaging is het voeden van al deze sensoren.

Bedrade voeding is te star en te duur. Batterijen zijn een logistieke en milieutechnische nachtmerrie: lege exemplaren moeten we vinden, vervangen en afvoeren. Het is dus nodig om energie te onttrekken aan de omgeving. Mogelijke bronnen zijn dan temperatuurverschillen, beweging, licht (in- en outdoor) en radiogolven. Binnenshuis zullen temperatuurverschillen onvoldoende zijn, zijn bewegingen of vibraties niet wenselijk en zal licht niet altijd aanwezig zijn. Radiogolven lijken dan een goed alternatief.

Zelf een zender plaatsen

Het gebruik van radiogolven voor vermogensoverdracht spreekt tot de verbeelding, zeker gezien de wens mobiele telefoons op afstand te kunnen laden. Enkele bedrijven anticiperen op deze wens en claimen – meestal ten onrechte – dit te kunnen realiseren. Lees voor de zin en onzin van het laden van mobiele telefoons met radiogolven de blog van Menno Treffers, voorzitter van het Wireless Power Consortium.

Kijken we naar de vermogensdichtheid van radiogolven aanwezig in een bebouwde omgeving, dan vinden we een piekvermogen van zo’n 0,3 µW/cm2 (voor gsm-signalen rond 915 MHz tot honderd meter van een basisstation). Na gelijkrichting van het hoogfrequente signaal blijft daar nog maar een fractie van over als bruikbaar dc-vermogen. Dit betekent dat kleine sensoren een zeer lange tijd energie moeten vergaren (dagdelen tot dagen) voordat ze die kunnen gebruiken, en dan ook nog alleen kortstondig.

Een hogere vermogensdichtheid krijgen we door zelf een zender te plaatsen in het systeem. We gebruiken daarvoor de licentievrije frequentiebanden voor industry, science en medicine (ism), maar zijn daarbij wel beperkt in het toegestane zendvermogen. Als we een zender gebruiken met een effective isotropic radiated power (eirp, het product van zendvermogen en antennegain) van 4 W, dan is op drie meter afstand de vermogensdichtheid 3,5 µW/cm2 en op vijf meter 1,3 µW/cm2. De vermogensdichtheid van radiogolven aanwezig in de omgeving kunnen we dus grofweg met een factor tien verhogen door zelf een zender te plaatsen.

Deze toename is voldoende voor kleine draadloze sensoren, maar nog steeds ruim onvoldoende om mobiele telefoons te laden. De sferische uitbreiding van radiogolven die maakt dat het vermogen kwadratisch afneemt met de afstand speelt ons hierbij parten. Om toch hoge energiedichtheden op afstand te realiseren zonder vermogensrestricties of gezondheidsnormen te overschrijden zijn andere, innovatieve technieken nodig.

Omzetting van radiogolven in dc-energie

Rectifying antenna

De omzetting van radiogolven in dc-energie vereist in de eerste plaats een ontvangstantenne (Figuur 1). Het ontvangen signaal moeten we gelijkrichten. Hiervoor gebruiken we discrete diodes of geïntegreerde diodegeschakelde fets. Door cascadering van diodes kunnen we de dc-uitgangsspanning verhogen. Hoe groter het aantal diodes, hoe lager echter de efficiency van de rf-naar-dc-vermogensconversie. De resulterende dc-spanning zal niet voldoende hoog en stabiel zijn om een applicatie te voeden. Daarom plaatsen we achter de gelijkrichter een powermanagementcircuit met ten minste een dc-naar-dc-boostconverter.

Aangezien we werken met bijzonder lage radiofrequente vermogens, is het zaak om het ontvangen vermogen zo goed mogelijk in de gelijkrichter te krijgen. Daarvoor introduceren we een impedantie-aanpassing. De ingangsimpedantie van de gelijkrichter is afhankelijk van de frequentie, de belastingsweerstand en het rf-ingangsvermogen. Het kan voordelig zijn een antenne te ontwerpen die geen ‘standaard’ ingangsimpedantie heeft van 50 Ω, maar een impedantie die de complex geconjugeerde is van de ingangsimpedantie van de gelijkrichter. Hiermee komt een aanpassingsnetwerk te vervallen, wat de verliezen van het gehele circuit kan verminderen.

Een optimale rectenna (rectifying antenna) krijgen we door niet de afzonderlijke blokken, maar het geheel te optimaliseren. Door een suboptimaal gelijkrichtcircuit te gebruiken dat een relatief hoge dc-spanning levert, gaat het powermanagementcircuit beter presteren en wordt het gehele circuit efficiënter. Bij Imec-NL hebben we zo een rectenna ontwikkeld die werkt op 915 MHz (de ism-band in Noord-Amerika) en eentje voor 2,45 GHz (Figuur 2).

Twee rectenna-prototypes van Imec-NL, voor 915 MHz (links) en voor 2,45 GHz (rechts)

De 915 MHz rectenna heeft een geminiaturiseerde antenne die direct is aangepast aan een Schottky-diodepaar. Dit systeem levert een continu dc-vermogen van 25 µW (1,5 of 3 V) op vijf meter afstand van een 3 W eirp-zender. Beide rectenna’s zijn geoptimaliseerd voor een rf-ingangsvermogen van -10 dBm (100 µW). Met energieopslag in een condensator is het mogelijk om elke twee minuten een vermogen van enkele tientallen milliwatts te genereren gedurende enkele tientallen microseconden. Dit is voldoende om een radio (van bijvoorbeeld Nordic) uit slaapstand te brengen, met een sensor te meten en de meetdata naar een ontvangststation te sturen.

Een nadeel van de 915 MHz rectenna is de noodzaak om hem vrij van obstakels te plaatsen. De variant voor 2,45 GHz gebruikt een antenne op een pcb met grondvlak, waardoor hij op of in een applicatie aan te brengen is. Omdat gelijkrichters minder efficiënt zijn bij hogere frequenties, is de operationele afstand bijna gehalveerd ten opzichte van de 915 MHz rectenna.

Een zendmast voor omroeptoepassingen emitteert zijn energie in alle richtingen. Een slimme antenne kan de richting van de bundel veranderen. Met slimmere antennes kunnen we bellen van hoge energiedichtheid creëren.

Bellen van hoge energiedichtheid

Het is dus mogelijk om (specifiek opgewekte) radiogolven te gebruiken om low-power draadloze iot-sensoren van vermogen te voorzien. Om mobiele telefoons en andere vermogenshongerige applicaties te voeden, valt er aan de ontvangstkant niets wezenlijks meer te doen. Aan de zendkant zijn er echter nog wel mogelijkheden.

Een van de elementen die wordt onderzocht en ontwikkeld voor 5g cellulaire systemen is de smart antenna. Slimme antennes kunnen de richting van de antennebundel veranderen (Figuur 3). In de ism-banden neemt het ontvangen vermogen echter niet toe vanwege de beperkingen in toegestane eirp.

Het concept van slimme antennes willen we doortrekken naar slimmere antennes. Hierin beperken we de uitgezonden energie niet alleen in het hoekdomein maar ook in het afstandsdomein. Zo creëren we ‘bellen van hoge energiedichtheid’. We doen dit door in een array van antennes elke antenne sequentieel een puls te laten uitzenden. Door vertraging kunnen we kiezen waar (en wanneer) de signalen coherent optellen (Figuur 4).

Het principe van hoge-energiedichtheidsbellen. Antenne 1 zendt een (ideale) rechthoekige puls uit met tijdsduur T. Het golffront verplaatst zich bolvormig in de ruimte, cirkelvormig in het xy-vlak. Antenne 2 zendt eenzelfde puls uit met vertraging Δt. Ook dit golffront verplaatst zich cirkelvormig in het xy-vlak. Na een zekere tijd bereiken beide golffronten elkaar in fase op het gewenste focuspunt (in te stellen met Δt), waar de signalen coherent optellen.

Als we ervoor zorgen dat de pulsen elkaar in de tijd niet overlappen, kunnen we elke antenne het maximaal toegestane vermogen laten uitzenden. Voor een array van N elementen krijgen we in het focuspunt dan een piekvermogen dat N2 maal groter is dan het vermogen dat we zouden hebben ontvangen met een enkele zendantenne. De toename in het gemiddelde vermogen is een factor N.

Bij Imec-NL hebben we eerste experimenten uitgevoerd met niet-ideale pulsen in verschillende scatterende omgevingen. Deze bevestigen de theoretische vermogenstoenames en tonen aan dat we met tijdvertragingen de positie van de ‘hoge energiedichtheidsbellen’ kunnen kiezen. Verder werk richt zich op uitbreiding met andere focustechnieken en het gebruik van de kanaaleigenschappen van de ruimte in de vorming van de hoge-energiedichtheidsbellen, ook als geen line-of-sight beschikbaar is.

Edited by Nieke Roos