Исследователи из Технологического института Джорджии обнаружили инновационный способ задействовать избыточную пропускную способность сетей 5G, превратив их в «беспроводную энергосистему» для питания устройств Интернета вещей (IoT), которым сегодня для работы требуются аккумуляторы.
Изобретатели из Технологического института Джорджии разработали гибкую систему выпрямляющей антенны (ректенны) на основе линзы Ротмана, которая впервые способна собирать миллиметровые волны в диапазоне 28 ГГц. (Линза Ротмана является ключевой для сетей формирования луча и часто используется в системах радиолокационного наблюдения, чтобы видеть цели в нескольких направлениях без физического перемещения антенной системы.)
Но чтобы собрать достаточно энергии для питания маломощных устройств на больших расстояниях, требуются антенны с большой апертурой. Проблема с большими антеннами в том, что у них сужается поле зрения. Это ограничение препятствует их работе, если антенна широко разнесена от базовой станции 5G.
«Мы решили проблему только будучи в состоянии смотреть в одном направлении с системой , которая имеет широкий угол охвата,» сказал старший научный сотрудник Aline Ид в лаборатории ATHENA, основанная в Georgia Tech в школе электротехники и вычислительной техники , чтобы заранее и разрабатывать новые технологии для электромагнитных, беспроводных, радиочастотных, миллиметровых и суб-терагерцовых диапазонов.
Результаты были опубликованы в выпуске журнала Scientific Reports от 12 января .
FCC разрешила 5G фокусировать мощность гораздо более плотно по сравнению с предыдущими поколениями сотовых сетей. В то время как сегодняшний 5G был создан для связи с высокой пропускной способностью, высокочастотная сеть предоставляет широкие возможности для «сбора» неиспользованной энергии, которая в противном случае была бы потрачена впустую.
Подключение к высокочастотной мощности 5G
«Благодаря этому нововведению мы можем получить большую антенну, которая работает на более высоких частотах и может принимать энергию с любого направления. Он не зависит от направления, что делает его более практичным », — отметил Джимми Хестер, старший советник лаборатории и технический директор и соучредитель Atheraxon, дочернего предприятия Технологического института Джорджии, разрабатывающего технологию радиочастотной идентификации (RFID) 5G.
С помощью решения Georgia Tech вся электромагнитная энергия, собираемая антенными решетками с одного направления, объединяется и подается в один выпрямитель, что увеличивает его эффективность.
«Люди уже пытались собирать энергию на высоких частотах, таких как 24 или 35 гигагерц, прежде», — сказал Эйд, но такие антенны работали только в том случае, если они находились в прямой видимости от базовой станции 5G; до сих пор не было возможности увеличить угол обзора.
Работая так же, как оптическая линза, линза Ротмана обеспечивает одновременно шесть полей зрения в форме паука. Изменение формы линзы приводит к конструкции с одним углом кривизны со стороны порта луча и другим со стороны антенны. Это позволяет структуре отображать набор выбранных направлений излучения на связанный набор портов луча. Затем линза используется в качестве промежуточного компонента между приемными антеннами и выпрямителями для сбора энергии 5G.
Этот новый подход решает проблему компромисса между угловым охватом ректенны и чувствительностью при включении с помощью структуры, объединяющей уникальные методы комбинирования радиочастот (RF) и постоянного тока (DC), что позволяет создать систему как с высоким коэффициентом усиления, так и с большой шириной луча.
На демонстрациях технология Технологического института Джорджии достигла 21-кратного увеличения собираемой мощности по сравнению с упомянутым аналогом при сохранении идентичного углового покрытия.
Эта надежная система может открыть двери для новых пассивных RFID-меток большого радиуса действия на миллиметровых волнах с питанием от 5G для носимых и повсеместных приложений IoT. Исследователи использовали собственное аддитивное производство для печати харвестеров миллиметрового диапазона размером с ладонь на множестве повседневных гибких и жестких подложек. Возможность 3D-печати и струйной печати сделает систему более доступной и доступной для широкого круга пользователей, платформ, частот и приложений.
Замена батарей с помощью беспроводной зарядки
«Дело в том, что 5G будет везде, особенно в городских районах. Вы можете заменить миллионы или десятки миллионов батарей беспроводных датчиков, особенно для умных городов и умных сельскохозяйственных приложений », — сказал Эммануил (Манос) Тенцерис , профессор Кена Байерса по гибкой электронике в Школе электротехники и компьютерной инженерии .
Тенцерис прогнозирует, что следующим крупным приложением для телекоммуникационной отрасли станет Power as a service, точно так же, как данные вытеснили голосовые услуги в качестве основного источника дохода.
Исследовательская группа больше всего воодушевлена перспективой того, что поставщики услуг воспользуются этой технологией, чтобы предлагать питание по запросу «по воздуху», устраняя необходимость в батареях.
«Я занимаюсь традиционным сбором энергии как минимум шесть лет, и большую часть этого времени мне не казалось, что есть ключ к тому, чтобы сбор энергии работал в реальном мире, из-за ограничений FCC на выбросы энергии и фокусировка, — сказала Хестер. «С появлением сетей 5G это действительно могло работать, и мы это продемонстрировали. Это очень интересно — мы можем избавиться от батареек ».