RF 전력: RF 에너지 하베스팅은 어떻게 작동하나요?

라디오 주파수를 포착하고 정류하기 위해 작은 안테나를 설치해 보는 건 어떨까요? 마이크로와트 정도를 쉽게 얻을 수 있을 것이며, 이를 사용해 배터리나 슈퍼커패시터를 서서히 충전할 수 있습니다. 이렇게 하면 가끔씩만 켜져서 데이터를 전송하고 다시 절전 모드로 돌아가는 IoT 장치를 구동하는 데 충분한 전력을 제공할 수 있습니다. 그리고 IoT 장치가 다시 절전 모드에 들어가면 RF 수집이 다시 시작되고, 다음 깨움 때 사용할 충분한 에너지가 저장되어 있게 됩니다.

적어도 이론상으로는 그렇습니다. 그리고 꽤 괜찮아 보입니다. 결국, TV 방송국은 엄청난 양의 RF를 방출합니다. 그 중 아주 작은 부분만이 모든 TV 수신기의 조합된 총계의 검파 단계에서 소모됩니다. 나머지는 수확되기를 기다리며 거기에 남아있습니다.

RF 수확 기술

RF 전력 수확은 안테나에서 시작됩니다. 특정 안테나는 근처 주파수 대역에서 방사된 전력을 효율적으로 수확할 수 있습니다. 시작하기 좋은 예는 UHF와 VHF TV입니다. 500 MHz에서도, 다이폴 안테나는 길이가 0.3미터가 됩니다. 이것은 이미 경고 신호를 나타내는데, 이는 매우 적은 양의 전력을 수확하기 위해 비교적 큰 공간을 차지하기 때문입니다. 게다가, 안테나는 TV 방송국의 송신 안테나와 특정한 공간적 방향으로 배치되어야 합니다. 이러한 두 가지 요구 사항은 웨어러블 장치에는 비현실적입니다.

수확 장치의 수신 안테나는 50옴 임피던스를 제공하며, 이는 장치의 나머지 입력 임피던스와 일치시켜야 합니다. 안테나에서 수확된 전압은 최소 1볼트 이상으로 증가시켜야 하며, 이렇게 해야 DC로 정류할 수 있습니다. 이는 전압을 증가시키는 동시에 전체 RF 전력을 증가시킬 수는 없는 "차지 펌프"라고 불리는 배열을 통해 수행할 수 있습니다.

RF 에너지 하베스팅 연구

흥미로운 실험 시리즈는 도쿄, 일본의 TV 방송국에서 발생하는 RF 전력을 6.5km 떨어진 거리에서 수확하는 데 초점을 맞추고 있습니다. 프로젝트의 블록 다이어그램은 다음과 같습니다.

이 프로젝트는 조지아 공과대학에서 도쿄 대학 연구원들과 협력하여 진행되었습니다. 이 구현에서 앞서 언급된 충전 펌프는 RF-DC 블록 내에 포함되어 있습니다.

프로젝트의 중요한 결과는 다음 다이어그램에 요약되어 있습니다. 녹색 블록은 UHF 주파수에서 일본 TV 방출로부터 안테나가 관련 6.5km 거리에서 포착한 전력의 양(마이크로와트 단위)을 나타냅니다. 파란색 및 빨간색 구간은 블록 다이어그램에서 언급된 슈퍼캐패시터를 각각 1.8볼트와 3.0볼트로 충전하기 위해 필요한 전력을 나타냅니다.

RF 에너지 수집의 제한점

원격 RF 수확 방식을 IoT 기기에 적용하는 지지자들은 이 방법이 도시 지역의 원격 센서를 전원 공급하는 데 유용할 것이라고 주장합니다. 하지만 우리가 본 바와 같이, 비교적 긴 안테나가 필요하며, TV 방송국이나 다른 전원 공급원에 정확히 정렬되어 있어야 합니다. 또한, 전원 공급원이 이동하거나 변경되면 모든 해당 IoT 기기를 다시 정렬해야 합니다. 이는 전원을 공급받는 기기에 직접 접근하는 작업을 피하려는 IoT 전력 수확 배치의 전체 목적을 무색하게 만듭니다. 안테나 요구 사항만으로도 웨어러블 기기를 위한 원격 전력 수확은 비현실적입니다.

태양광 에너지가 발전된 세계 어디에서나 일반 인구 밀집 지역에서 허용되는 RF 양보다 훨씬 더 많다는 점을 고려하면, 배치를 정당화하기 어렵습니다. 게다가, 일반 대중에게 개방된 공간에서 발생할 수 있는 RF 출력량에는 한계가 있기 때문에 상황이 바뀔 가능성은 낮습니다. 오히려, RF 노출로 인해 사람들에게 잠재적으로 건강 위험을 미칠 수 있다는 우려로 인해 제한이 더욱 강화될 가능성이 있습니다.

태양 에너지가 일반 대중 지역 어디에서나 허용되는 RF 양보다 훨씬 더 많이 발생한다는 점을 고려할 때, 배포를 정당화하기가 어렵습니다. 게다가, 이 상황은 변할 가능성이 낮습니다. 왜냐하면 일반 대중이 접근할 수 있는 공간에 얼마나 많은 RF 전력이 노출될 수 있는지가 제한되어 있기 때문입니다. 오히려 RF 노출이 사람들에게 잠재적인 건강 위험을 끼칠 수 있다는 우려로 인해 한도가 더욱 축소될 가능성도 있습니다.

원격 RF 하베스팅을 IoT 기기에 사용하려는 지지자들은 이 접근 방식이 도시 지역에서 원격 센서를 작동시키는 데 유용할 것이라고 주장합니다. 하지만 앞서 본 것처럼, 이 방법에는 상대적으로 긴 안테나가 필요하며, TV 방송국 또는 다른 전력원에 정확히 맞춰져야 합니다. 그리고 전력원이 변경되거나 이동하면, 관련된 모든 IoT 기기들을 다시 정렬해야 합니다. 이는 IoT 기기에 전력을 공급하면서 물리적으로 기기에 접근해야 하는 작업을 피하려는 전력 하베스팅의 전체 목적을 훼손합니다. 안테나 요구 사항만으로도 웨어러블 기기에 원격 전력 하베스팅을 사용하는 것은 비현실적입니다.

RF 에너지 수집 솔루션

전력 수확용 지향성 RF

센서가 접근하기 어려운 지역이나 인간에게 위험한 지역에 배치되는 상황이 있습니다. 이러한 경우, 센서가 무작위적인 전력 수집이 아니라 센서를 대상으로 한 전력을 수집하여 작동하는 방법이 개발되었습니다. 복잡한 안테나의 작동 여부나 TV 신호의 유무에 의존하는 대신, 기술자가 안전한 거리에서 RF 송신기를 장치에 비출 수 있습니다.

Powercast Corporation은 조직이 이 기술의 가능성을 탐구할 수 있도록 평가 키트를 제공합니다. 회사의 P2110-EVAL-02 평가 키트는 Arrow Electronics에서 구입할 수 있습니다. 데이터시트에 따르면 이 키트에는 RF 송신기와 수신기, 안테나, 그리고 송신된 전력을 활용하기 위한 충전 보드가 포함되어 있습니다. 그리고 물론, 탐구해야 할 또 다른 중요한 분야는 RFID입니다.

RFID - 원격 주파수 식별

원격 주파수 식별(RFID)은 라디오파 신호를 사용하여 태그가 부착된 개체를 식별합니다. 태그를 읽는 장치는 두 가지 목적을 위해 RF 신호를 전달합니다. 첫째, 태그(아주 작은 전자 기기)는 들어오는 RF 전력을 "수확"하여 스스로를 작동시킵니다. 그 후, 저장된 디지털 식별 정보를 포함한 태그가 해당 데이터를 리더로 다시 전송합니다.

리더기는 이제 스캔한 항목의 정체를 알게 됩니다. 태그는 시각적 바코드 태그에 비해 훨씬 작을 수 있습니다. 또한, 인간 점원이 멀리서 식별 작업을 수행할 수 있으며, 이 접근법은 자동화에 쉽게 적용될 수 있습니다.

RF 전력의 실용성

따라서 TV 송신기를 포함한 동일 건물에서 작동하는 IoT 또는 웨어러블 체제를 설계하지 않는 한, 이는 비현실적이고 궁극적으로 실용적이지 않은 노력이라는 결론으로 강하게 이어집니다. 반면에, 특정 방향으로 전송된 라디오파의 RF 전력 수집이 매우 실용적일 수 있는 상황도 있습니다.