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利用5G网络为物联网设备无线供电

发布:Iris1602阅读:1221时间:2021-5-5 19:52:28

利用5G网络为物联网设备无线供电

 

由美国空军研究实验室和国家科学基金会资助,美国佐治亚理工学院的研究人员发现了一种新方法,可以利用5G网络的容量过剩,将其转变为“无线电网”,为当今需要电池供电的物联网(IoT)设备供电。

 

图1,佐治亚理工学院的一名成员手持一台喷墨打印的毫米波收割机样机。研究人员设想未来物联网设备将通过5G网络无线供电。来源:佐治亚理工学院

 

5G通信的发展打造了一个无线电网,具有为范围远远超过任何现有技术能力的设备供电的潜能。然而,这种潜力只有在无线能量收集的基本权衡能够被规避的情况下才能实现。

 

研究人员开发出一种基于Rotman透镜的灵活整流天线(rectenna)系统,该系统首次能够在28 GHz频段内进行毫米波捕获。(Rotman镜头是波束形成网络的关键,经常在雷达监视系统中用于在不物理移动天线系统的情况下从多个方向查看目标。)

 

但是,要获得足够的功率以在远距离为低功率设备供电,就需要大口径天线。大型天线的问题在于它们的视野变窄。如果天线从5G基站广泛散布,则此限制会阻止其运行。

 

他们所提出解决方案,只需要使用一个具有广角覆盖范围的系统从一个方向看。该发现发表在《科学报告》杂志上。

 

与前几代蜂窝网络相比,联邦通信委员会(FCC)授权5G集中能量。尽管当今的5G是为高带宽通信而构建的,但高频网络拥有丰富的机会来“收获”未使用的功率,否则这些功率将被浪费掉。

 

接入5G高频电源

高级实验室顾问兼首席技术官吉米·海斯特(Jimmy Hester)指出:“通过这项创新,我们可以拥有一个大型天线,该天线可以在更高的频率下工作,并且可以从任何方向接收功率。它与方向无关,因此更加实用。”

 

借助佐治亚理工学院的解决方案,天线阵列从一个方向收集的所有电磁能被合并并馈入单个整流器,从而使其效率最大化。

 

Rotman镜头的操作就像光学镜头一样,以蜘蛛网状的图案同时提供六个视野。调整透镜的形状导致在束端口侧具有一个曲率角而在天线侧具有另一个曲率角的结构。这使得该结构能够将一组选定的辐射方向映射到一组相关联的光束端口。然后将透镜用作接收天线和整流器之间的中间组件,以收集5G能量。

 

这种新颖的方法通过融合独特的射频(RF)和直流(DC)组合技术的结构解决了整流天线角覆盖和开启灵敏度之间的折衷,从而使系统具有高增益和大波束宽度。

 

具体而言,通过在天线和整流器之间实现Rotman透镜,打破了限制在整流天线角度覆盖和开启灵敏度之间的折衷。他们首先对透镜本身进行分析,揭示了关键设计参数,并在超过20 GHz带宽的平面和弯曲条件下测试了宽带性能。此外,他们报告了该方法的可扩展性研究,概述了这种系统的最佳尺寸,从而证明了提供良好阵列因子和宽波束覆盖的组合的能力范围。

 

该系统的新颖之处还在于实现了一个全柔性的28 GHz Rotman透镜基整流天线系统,这是通过在柔性的125微米薄聚酰亚胺Kapton衬底上设计一个新的DC组合器来完成的。新的DC组合器使用了数量减少的旁路二极管,系统的角度覆盖范围增加了30%以上。此外,通过使用Rotman透镜实现的频带行为使得整个硅整流天线系统具有抗弯曲能力,这一特性通过其在弯曲和共形安装配置中的检测得到了证明。最后,研究人员对该系统进行了测试,结果证明其探测范围在当前配置中达到了前所未有的2.83米。 如果使用最先进的整流器,甚至可在180米处收集几微瓦的DC功率。

 

在演示中,佐治亚理工学院的技术与参考同类产品相比,其采集功率提高了21倍,同时保持了相同的角度覆盖范围。

 

这个强大的系统可能为可穿戴和无处不在的物联网应用的新型无源,远程,毫米波5G供电的RFID打开大门。研究人员使用内部增材制造在许多日常的柔性和刚性基材上印刷手掌大小的毫米波采集器。提供3D和喷墨打印选项将使该系统更加经济实惠,并为广泛的用户,平台,频率和应用程序所访问。

 

通过无线充电更换电池

5G将会无处不在,尤其是在城市地区,您可以更换数百万或数千万个无线传感器电池,尤其是用于智慧城市和智慧农业应用的无线传感器电池。

 

研究人员预测,能源作为服务将成为电信行业的下一个重要应用,就像数据已取代语音服务成为主要收入来源一样。服务提供商希望采用这种技术以“无线”方式按需提供电源,而无需电池。

 

“我从事能源收集工作至少已有六年,而在大部分时间里,由于FCC对功率排放和排放的限制,在现实世界中似乎没有任何钥匙可以使能源收集工作发挥作用。” 论文作者Hester说。 “随着5G网络的出现,我们已经证明了可以摆脱电池的使用。”

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