2018年05月25日 | 可“一兼二顾”的高频RF供电传感器

2018-05-25 来源：eettaiwan

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。

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元件的运作电源；依据设计以及使用情境，这类能量采集装置的尺寸可能会相当小──约只有几公分大，或者更大一点。

笔者看过不少能量采集装置的设计，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，完全借由来自与其关联的网路无线电波供电。

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，也是数据传输介面。

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）

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。

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讯号至路由器；该讯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。

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）

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，能利用简单的计时器(timer)而非THz载波调变，大幅简化频率量测。

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资讯的一种方式。

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。

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)。

你认为像这种THz频段温度传感器的自供电感测元件是可行方案吗？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！

编译：Judith Cheng

(参考原文： A Different Approach to Energy-Harvesting Data Conversion，by Bill Schweber)

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