設(shè)備沒(méi)有更多的電池?佐治亞理工學(xué)院雅典娜實(shí)驗(yàn)室的研究人員研究了一種將5G網(wǎng)絡(luò)過(guò)剩容量轉(zhuǎn)變成為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備供電的“無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)”的創(chuàng)新方法。

這一突破利用了羅特曼透鏡整流天線(xiàn)，它能夠采集28GHz毫米波;還提供了一個(gè)利用過(guò)剩5G容量的替代方案，有助于消除世界對(duì)電池充電設(shè)備的依賴(lài)。(羅特曼透鏡是波束形成網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，在雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)中經(jīng)常使用，可以在不移動(dòng)天線(xiàn)系統(tǒng)的情況下看到多個(gè)方位的目標(biāo)。)

但是，為了獲得足夠的功率，為遠(yuǎn)距離低功耗設(shè)備供電，就需要大口徑天線(xiàn)。大型天線(xiàn)存在的問(wèn)題是它們的視場(chǎng)變窄。如果天線(xiàn)廣泛分布在5G基站，這種限制問(wèn)題將阻礙它們的操作。

佐治亞理工學(xué)院電氣與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院雅典娜實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)研究員艾德(Aline Eid)說(shuō)：“我們已經(jīng)解決了只能從一個(gè)方向看一個(gè)覆蓋范圍廣的系統(tǒng)的問(wèn)題。”該實(shí)驗(yàn)室致力于推進(jìn)和開(kāi)發(fā)電磁、無(wú)線(xiàn)、射頻等新技術(shù)，推進(jìn)毫米波和亞太赫茲應(yīng)用。

這一成果發(fā)表在1月12日出版的《科學(xué)報(bào)告》雜志上。

與前幾代的蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，F(xiàn)CC已經(jīng)授權(quán)5G可以更密集地集中電力。雖然今天的5G是為高帶寬通信而構(gòu)建的，但高頻網(wǎng)絡(luò)擁有豐富的機(jī)會(huì)來(lái)“收獲”原本會(huì)被浪費(fèi)掉且未使用的電力。

接入5G高頻電源

“有了這項(xiàng)創(chuàng)新，我們就可以擁有一個(gè)工作頻率更高、可以從任何方向接收能量的大型天線(xiàn)。它的方向不可知，這使得它更加實(shí)用?！盇theraxon公司的CTO兼聯(lián)合創(chuàng)始人吉米·赫斯特(Jimmy Hester)指出。Atheraxon是佐治亞理工學(xué)院旗下一家研發(fā)5G RFID技術(shù)的公司。

在佐治亞理工學(xué)院的解決方案中，天線(xiàn)陣列從一個(gè)方向收集的所有電磁能量被整合并饋送到一個(gè)整流器中，從而使其效率最大化。

艾德說(shuō)：“以前人們?cè)鴩L試在24或35GHz這樣的高頻下收集能量?！钡@種天線(xiàn)只有在5G基站覆蓋范圍內(nèi)才能工作;直到現(xiàn)在還沒(méi)有辦法增加其覆蓋角度。

羅特曼透鏡就像光學(xué)透鏡一樣，以蜘蛛形狀同時(shí)提供六個(gè)視場(chǎng)。調(diào)整透鏡的形狀會(huì)產(chǎn)生一種結(jié)構(gòu)，在波束端口側(cè)和天線(xiàn)一側(cè)各有一個(gè)曲率角。這使得該結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒁唤M選定的輻射方向映射到一組相關(guān)聯(lián)的波束端口。然后，透鏡被用作接收天線(xiàn)和整流器之間的中間部件，用于5G能量收集。

這種新穎的方法解決了矩形天線(xiàn)角覆蓋和開(kāi)啟靈敏度之間的權(quán)衡問(wèn)題，其結(jié)構(gòu)融合了獨(dú)特的射頻(RF)和直流(DC)組合技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具有高增益和大波束寬度的系統(tǒng)。

在演示中，佐治亞理工學(xué)院的技術(shù)在保持相同角度覆蓋的情況下，獲得了比參考版本多21倍的能量。

這一強(qiáng)大的系統(tǒng)可能為新型無(wú)源、遠(yuǎn)程、毫米波5G供電的RFID打開(kāi)大門(mén)，用于可穿戴和無(wú)處不在的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。研究人員利用內(nèi)部的增材制造技術(shù)，將手掌大小的毫米波收割機(jī)打印在多種日常使用的柔性和剛性基材上。提供3D和噴墨打印選項(xiàng)將使系統(tǒng)更具成本效益，并可用于廣泛的用戶(hù)、平臺(tái)、頻率和應(yīng)用程序方面。

用無(wú)線(xiàn)充電代替電池

“事實(shí)上，5G將無(wú)處不在，尤其是在城市地區(qū)。你可以更換數(shù)百萬(wàn)或數(shù)千萬(wàn)個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器電池，特別是在智慧城市和智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用中?！痹搶W(xué)校電氣與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院柔性電子學(xué)的一位教授Emmanouil Tentzeris說(shuō)。

他預(yù)測(cè)，電力即服務(wù)將成為電信行業(yè)的下一個(gè)重大應(yīng)用，就像數(shù)據(jù)取代語(yǔ)音服務(wù)成為主要收入來(lái)源一樣。

研究團(tuán)隊(duì)最興奮的是，服務(wù)提供商將采用這種技術(shù)，通過(guò)“隔空”提供按需供電，從而消除對(duì)電池的需求。

赫斯特說(shuō):“我以常規(guī)方式研究能源采集已經(jīng)至少六年了，但在這段時(shí)間里，由于FCC對(duì)能源排放的關(guān)注和限制，似乎沒(méi)有一個(gè)關(guān)鍵因素能讓能源收集在現(xiàn)實(shí)世界中發(fā)揮作用。……但隨著5G網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，這實(shí)際上是可行的，我們已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。這非常令人激動(dòng)——我們可以擺脫電池了?！?/p>

本研究得到了美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金(NSF)“新興前沿研究與創(chuàng)新計(jì)劃”的支持。這項(xiàng)工作部分是在佐治亞理工學(xué)院電子和納米技術(shù)研究所完成的，該研究所是國(guó)家納米技術(shù)協(xié)調(diào)基礎(chǔ)設(shè)施(NNCI)的成員之一，由NSF(批準(zhǔn)ECCS-1542174)支持。