RF energy harvesting for M2M Communication (avslutat)

Syfte och mål
Förstudieprojektet skulle ta reda på om grafen kan fungera som transparenta elektroder för detektion av omgivande högfrekventa radiovågor, likriktning och lagring av energi för försörjning av Machine-to-Machine-kommunikationslänkar (M2M). Vår vision var ”grafen för RF energy harvesting” – en hållbar teknik som kan appliceras på såväl hårda och böjbara ytor (plast, textiler med mera) för omvandling och lagring av energi.

Machine-Type Communication (MTC) eller M2M-kommunikation är en viktig del av framtidens Sakernas internet (Internet of Things, IoT). Utbyte av information mellan maskiner spelar redan en stor roll inom automatiserad produktion, men i framtiden även inom energidistribution, medicinsk teknik (hälsa), och smarta hus. För vissa M2M-applikationer är energiförsörjning en stor utmaning. Även om en låg datamängd och datahastighet krävs för att skicka status och information med jämna mellanrum, så behöver vi självhushållande system.

Planerat upplägg och genomförande
Projektet bestod av forskare vid Ericsson Research och avdelningen för THz och millimetervågsteknik vid Chalmers tekniska högskola. Tillsammans hade vi kompetens från grafenelektronik, mikrovågsteknik och antennteknik för kommunikationssystem (5G). Under en 6 månaders förstudie skulle vi studera potentialen med grafen i antenn- och detektortillämpningar med en djupare teknisk analys, som förhoppningsvis skulle leda till en projektplan för ett ”proof-of-concept” projekt.

Effekter och resultat
I och med utvecklingen av sakernas internet (IoT) blir maskin-till-maskin-kommunikationssystemen (M2M) allt viktigare och vanligare. Drifttiden är en kritisk parameter för batteridrivna sensorer till M2M-systemen. En möjlig utveckling är att ta tillvara på energin som sänds genom luften i mikrovågsområdet för mobiltelefoner, WiFi-nät med mera och konvertera energin till likström som sedan kan driva olika komponenter. Detta har här utvärderats med (flexibla och transparenta) grafenbaserade antenner och energiomvandlare.

Projektet har utfört elektromagnetiska simuleringar av en specifik antenntyp. Även med antagandet att grafenet var likt det bästa som uppnåtts experimentellt, var effektiviteten låg. Den låga effektiviteten i kombination med den relativt låga mängden RF-energi som finns, innebar att endast en liten förlängning av drifttiden kunde uppnås.

Teknologin kan framförallt vara intressant för teknologier med väldigt låg energiförbrukning eller för teknologier som sällan sänder data. Resultaten har publicerats i “Feasibility of Ambient RF Energy Harvesting for Self-Sustainable M2M Communications Using Transparent and Flexible Graphene Antennas”, M. Andersson et al.IEEE Access, Vol.4, pp. 5850 – 5857, 2016. doi: 10.1109/ACCESS.2016.2604078.

Målet var att utvärdera genomförbarheten av optiskt transparent grafen (få atomlager), för att användas som antenn och i radiofrekvenskretsar för lågkostnads M2M-tillämpningar, vilket har genomförts.

Resultatet var tyvärr en besvikelse från ett grafentillämpbarhetsperspektiv jämfört med vad som initialt förväntades. Den viktigaste insikten i projektet är att grafen fortfarande är några storleksordningar ifrån att kunna användas som antenn och i RF-kretsar i optiskt transparenta tillämpningar. För användningen av grafen inom detta område, förväntar vi oss att det tar 5-10 år innan vi ser den första produkten, vilket också kräver en förbättring inom andra viktiga teknikområden.

Abstract in english

Operating lifetime is a critical parameter in ubiquitous, battery-operated sensors for machine-to-machine communication systems, an emerging part of the future Internet of Things. The performance of radio frequency (RF) to DC energy converters using transparent and flexible rectennas based on graphene in an ambient RF energy-harvesting scenario has been evaluated.

Electromagnetic simulations of a specific antenna type were performed assuming the state-of-the-art sheet resistance for few-layer, optically transparent graphene. In the power budget calculation, the low efficiency of transparent graphene antennas was an issue because of the relatively low amount of available ambient RF energy in the frequency bands of interest, which together set an upper limit on the harvested energy available for an RF-powered device.

Using a commercial diode rectifier and an off-the-shelf wireless system for sensor communication, the graphene-based solution provided only a limited battery lifetime extension. However, for ultra-low-power technologies currently at the research stage, more advantageous ambient energy levels, or other use cases with infrequent data transmission, graphene-based solutions may be more feasible in the future. The results and findings have been published in “Feasibility of Ambient RF Energy Harvesting for Self-Sustainable M2M Communications Using Transparent and Flexible Graphene Antennas”, M. Andersson et al., IEEE Access, Vol.4, pp. 5850 – 5857, 2016. http://doi.org/10.1109/ACCESS.2016.2604078.

The target was to evaluate the feasibility of optically transparent (= few atomic layers of) graphene for use as an antenna and RF circuitry for low-cost M2M applications and that has been performed. However, the outcome was more disappointing from a graphene applicability perspective than initially expected. The most important learning is that graphene is still some orders of magnitude off to be used for antenna and RF circuitry in optically transparent applications. For graphene in this area, we expect 5-10 years until first product, requiring also other key technology areas to improve.

Utlysning:
Förstudieprojekt samt Forsknings- och Innovationsprojekt 2015

Projektpartners: Ericsson AB, Chalmers

Projektledare: Ulrika Engström, Ericsson AB

E-mail: ulrika.engstrom@ericsson.com

Bidrag: 500 000 kr

Projektets löptid: 2015 – 2016

Relaterade styrkeområden:

Med stöd från: