RF energy harvesting for M2M Communication

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.