Цифровой журнал «Компьютерра» № 186

_{Прототип устройства беспроводной передачи данных, использующего энергию радиоволн из окружающего пространства (фото: Aaron N. Parks et al.).}

Сейчас технологии маломощных коммуникаций находятся на волне подъёма. Растёт и популярность индуктивных схем зарядки. Многие крупные производители активно внедряют и то и другое. Если для мобильных гаджетов это больше вопрос удобства, то для имплантируемых устройств — пожалуй, единственный способ обеспечить долгую автономную работу. Жизнь пациента с кардиостимулятором не должна зависеть от ёмкости батарейки и возможности вовремя её заменить.

Ещё в советское время радиолюбителям удавалось запитать лампочку для карманного фонарика от дипольной антенны, находясь вблизи радиостанции или другого мощного источника электромагнитных волн на подходящей частоте.

В обычных городских условиях получать достаточное для питания аппаратуры количество энергии «из воздуха» было практически невозможно. Ситуация изменилась благодаря появлению компонентов со сверхнизким энергопотреблением и разработке метода под названием «обратное рассеивание в окружающей среде» (ambient backscattering).

Концепция основана на устройствах, мощность которых ограничивается десятками, максимум — сотнями микроватт. Это на порядки меньше того, что требуется для упомянутой лампочки накаливания, но именно столько можно гарантированно получить практически везде с помощью пассивной схемы, настроенной на мегагерцевый диапазон. Такой мощности не хватит для генерирования нового радиосигнала, но её вполне достаточно для модуляции и избирательного отражения имеющихся.

_{Доступная мощность при беспроводном получении энергии от радиопередатчика мегаваттного класса в Сиэтле. Пунктирной линией обозначено расстояние в 10,4 км (изображение: Aaron N. Parks et al.).}

Исследователи из штата Вашингтонского университета в Сиэтле решили не ограничиваться расчётами, а создать действующий прототип устройства. Основных требований было два — отсутствие собственного источника питания и способность передавать данные по беспроводному каналу. Звучит похоже на технологию RFID, но это только на первый взгляд. У нового принципа связи есть ряд важных преимуществ.

В отличие от RFID, метод не требует наличия генератора сигнала и точной настройки на узкий радиодиапазон. Если RFID-метки полностью пассивные, то считыватели — активные компоненты системы. Они потребляют около одного ватта и имеют довольно скромный радиус действия, поэтому малопригодны для использования на больших и открытых пространствах.

Кроме того, связь по методу обратного рассеивания обладает максимальной электромагнитной совместимостью, поскольку такие устройства сами не излучают новых радиоволн: они лишь избирательно переотражают имеющиеся. В ходе тестов зарегистрировать помехи удалось лишь в том случае, когда антенна прототипа находилась непосредственно вблизи антенны телевизора. Во всех остальных случаях переотражённый сигнал отфильтровывался телеприёмником как слабая помеха.

Созданный университетской группой прототип состоял из четырёхслойной платы размером с кредитку и дипольной антенны длиной 258 мм. Параметры антенны рассчитывались с учётом выбранной частоты и подбирались в серии экспериментов. На печатной плате были размещены следующие модули: коллектор энергии, приёмник, передатчик и блок сенсорных кнопок. Кроме того, для визуальной индикации работы и в качестве потенциального оптического канала связи на плате был размещён маломощный светодиод.

_{Беспроводная передача данных между двумя устройствами без источников питания (фото: Washington.edu).}

Приёмник, передатчик и коллектор подключены к одной антенне и работают попеременно. Преобразованная энергия радиоволн (в данном случае — от телебашни) используется для питания всех компонентов.

Схема была оптимизирована для работы в дециметровом диапазоне частот (515–565 МГц). В выбранной полосе шириной 50 МГц местные телевещательные компании одновременно транслировали восемь каналов. Для работы прототипа устройства хватило бы и одного, однако с учётом разной продолжительности вещания и технических перерывов был сделан запас для обеспечения круглосуточного функционирования.

_{Схема устройства (изображение: Washington.edu).}

Эффективная излучаемая мощность телевышки была оценена в один мегаватт, поэтому созданные прототипы функционировали даже на удалении более десяти километров.

В приёмнике использовались только аналоговые компоненты, а его потребляемая мощность была в пределах 0,25–0,54 мкВт.