Мрія: вільна радіоенергія
Уявіть світ, де датчики живляться без батарей — просто збирають радіохвилі, що пронизують повітря довкола нас. Wi-Fi, Bluetooth, базові станції, цифрове ТБ. Десятки мегаватів ВЧ-енергії літають навколо у будь-якому місті щомиті. Що нам заважає її ловити?
Відповідь — одна формула, рівняння передачі Фрііса:
Прийнята потужність падає квадратично з відстанню і ще квадратично з частотою. Це жорстокіше, ніж здається інтуїтивно.
Два убивці потужності
У логарифмічних одиницях формула виглядає прозоріше:
Що звідси випливає:
- Кожне подвоєння відстані забирає −6 дБ — потужність ділиться на 4.
- Кожне подвоєння частоти забирає ще −6 дБ.
- 24 ГГц на 10 м втрачає на ~28 дБ більше, ніж 900 МГц на 1 м.
Випрямлячі-діоди, які перетворюють ВЧ на постійний струм, мають поріг чутливості ~−20 дБм (тобто ~10 мкВт). Усе, що нижче — діод просто не відкривається, і вся потужність розсіюється на ньому як втрати. Це фізична стіна.
Wi-Fi-роутер у сусідній кімнаті (1 Вт EIRP на 5 м) дає на терміналі смартфона приблизно −30 дБм — у десять разів менше, ніж потребує найпростіший випрямляч.
Інтерактивний бюджет лінка
Усі параметри Фрііса — повзунки, а наслідки одразу видно на чотирьох візуалізаціях:
- Графік log-log показує Pᵣ як функцію відстані для всіх чотирьох ISM-діапазонів одночасно (900 МГц, 2,45 ГГц, 5,8 ГГц, 24 ГГц). Жовта пунктирна лінія — поріг випрямляча. Усе, що нижче — даремно.
- Вид згори — коло, в межах якого збір ще можливий. Радіус — це максимальна відстань dₘₐₓ, на якій Pᵣ ще дорівнює порогу.
- Дальність за діапазоном — горизонтальні смуги, що порівнюють dₘₐₓ для всіх чотирьох частот за однакових інших параметрів. Тут найкраще видно фундаментальну несправедливість квадратичної залежності від частоти.
- Таблиця бюджету — у форматі радіолюбителя: Pₜ → EIRP → FSPL → Gᵣ → Pᵣ — кожен крок в дБ і в лінійних одиницях.
Що варто покрутити
Декілька сценаріїв, які найкраще ілюструють фізику:
- «Виділений 900 МГц power beacon» (1 Вт, 12 дБі антена, −20 дБм поріг) — найоптимістичніший випадок. Зона збору ~65 м. Усе працює, але потрібен спеціально побудований передавач — це не Wi-Fi.
- «24 ГГц mmWave @ 5 м» — за майже тих самих параметрів зона стискається до ~1,4 м. Перехід з 900 МГц на 24 ГГц коштує ~28 дБ — рівно тих, що формула обіцяє.
- «Wi-Fi роутер, сусідня кімната» — типова амбієнтна ситуація. На 5 м від роутера Pᵣ ≈ −34 дБм. На 14 дБ нижче порогу. Збір не виходить навіть якщо ваш діод ідеальний.
- Зменшіть поріг Pₘᵢₙ до −40 дБм і нижче — побачите, як стрімко росте зона збору. Це той фронт, на якому працюють сучасні дослідницькі харвестери з low-Vₜ схемами.
Висновок
Збір ВЧ-енергії можливий, але живе у дуже вузькому кутку параметрів: близькі відстані, низькі частоти, високі підсилення антен, спеціалізовані випрямлячі. «Безбатарейний інтернет речей з амбієнтного Wi-Fi» — поки що скоріше пресреліз, ніж інженерна реальність.
Сама формула — лінія в один рядок. А інтуїція за нею вимагає кількох повзунків, щоб укласти в голові. Сподіваюсь, цей інструмент трохи спрощує задачу.