Батарейки больше не нужны. 5G сигналы как источник беспроводной энергии для IoT
IoT уже вышли за пределы домов отдельно взятых людей и начали «завоевывать» города. От концепции «умного дома» мы перешли к «умному городу». Интернет вещей или IoT для краткости — это экосистема, состоящая из интеллектуальных устройств с подключением к Интернету, которые используют встроенные процессоры, датчики и коммуникационное оборудование для сбора, отправки и обработки данных, которые они получают из своей среды.
Интернет вещей приведёт к появлению большего количества взаимосвязанных «умных городов», мест, управляемых данными в реальном времени. Города будут способствовать автономным транспортным средствам обмениваться данными с интеллектуальными устройствами людей, а их интеллектуальные устройства будут подключены к их домам, а их дома будут подключены к остальной части города, используя данные в реальном времени для улучшения качества жизни его жителей. К 2025 году планируется установить 40 миллиардов устройств IoT.
Чтобы Интернет вещей работал стабильно, нам нужен 5G. Это основа для реализации всего потенциала IoT. Но IoT это не только быстрая загрузка данных, высокоскоростная связь, низкая задержка трафика, но и повсеместное покрытие всей обслуживаемой территории сети. А так как дальность действия сигнала 5G от источника сигнала максимум сотни метров, то для покрытия сети понадобятся МНОГО-МНОГО антенн 5G. Группа учёных из Джорджии в целях экономии решили использовать такое изобилие антенн не только для подключения к сети девайсов IoT, но и для их электропитания. Нововведение может помочь устранить зависимость мира от аккумуляторов для зарядки устройств, предоставив альтернативу с использованием избыточной емкости 5G.
Незримый ЛЭП
5G был разработан для молниеносной связи с малой задержкой. Для этого были приняты частоты миллиметрового диапазона, что позволило Федеральной комиссии связи США достичь беспрецедентно высоких плотностей излучаемой мощности. Сами того не зная, архитекторы 5G создали таким образом беспроводную электросеть, способную питать устройства на дальностях, намного превышающих возможности любых существующих технологий. Однако этот потенциал может быть реализован только в том случае, если удастся обойти фундаментальный компромисс в области сбора беспроводной энергии.
Группа исследователей из Технологического института Джорджии разработала инновационную небольшую выпрямляющую антенну, напечатанную на 3D-принтере, которая может собирать электромагнитную энергию из сигналов 5G и использовать ее для питания устройств IoT.
Как говорят учёные, гибкая выпрямляющая антенна на основе линзы Ротмана, другими словами, ректенна, может выполнять сбор сигналов миллиметровой 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. Однако для получения энергии, достаточной для питания устройств, необходимы антенны большего размера, которые, к сожалению, имеют суженное поле зрения, и это ограничивает их использование.
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 возможности смотреть только с одного направления с помощью системы, которая имеет широкий угол обзора», — говорит старший научный сотрудник Алин Эйд (Aline Eid) из лаборатории ATHENA, созданной в Школе электротехники и компьютерной инженерии Джорджии.
(a) Двойное комбинирование (RF + DC), обеспечиваемое использованием линзы Ротмана между антеннами и выпрямителями, (b) график смоделированных максимальных коэффициентов решетки и углового покрытия для линз Ротмана разных размеров и © изображение изготовленная структура линзы Ротмана.
FCC разрешила 5G фокусировать мощность гораздо более плотно по сравнению с предыдущими поколениями сотовых сетей. Современная сеть 5G предоставляет широкие возможности для «сбора» неиспользованной энергии, которая иначе была бы потрачена впустую.
«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 (Jimmy Hester), старший советник лаборатории, технический директор и соучредитель Atheraxon, дочернего предприятия Технологического института Джорджии, разрабатывающего технологию радиочастотной идентификации (RFID) 5G.
Вся электромагнитная энергия, собираемая антенными решётками с одного направления, объединяется и подается в один выпрямитель, что увеличивает его эффективность.
(a) График смоделированных и измеренных коэффициентов отражения на выходе луча 4 в плоских и изогнутых условиях и (b) Графики максимальных коэффициентов решетки и угловых направлений отверстий P1, P3 и P5 луча в зависимости от частоты.
Все дело в физике
«Люди прежде уже пытались собирать энергию на высоких частотах, таких как 24 или 35 гигагерц», — говорит 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 виде формы паука. Изменение формы линзы приводит к изменению угла кривизны со стороны порта луча и со стороны антенны. Это позволяет структуре отображать набор выбранных направлений излучения на связанный набор портов луча. Затем линза используется в качестве промежуточного компонента между приёмными антеннами и выпрямителями для сбора энергии 5G.
(a) Схема суммирования мощности на основе линз Ротмана и (b) изображение установки, используемой для измерения угловой характеристики ректенны.
К конструкции добавляются антенные подрешётки, выпрямители и сумматоры постоянного тока, чтобы продемонстрировать сочетание большого углового покрытия и чувствительности к включению — как в плоских, так и в изогнутых условиях — и возможность сбора на расстоянии до 2,83 м в тестовом состоянии и свыше 180 м с использованием современных выпрямителей (позволяющих собирать мощность постоянного тока в 6 мкВт при 75 дБм).
Этот новый подход решает проблему компромисса между угловым охватом ректенны и чувствительностью при включении с помощью структуры, объединяющей уникальные методы сочетания радиочастот (RF) и постоянного тока (DC), что позволяет создать систему как с высоким коэффициентом усиления, так и с большой шириной луча.
На демонстрациях технология позволила добиться 21-кратного увеличения собираемой мощности по сравнению с аналогами при сохранении идентичного углового покрытия.
(a) Изображение гибкой ректенны на основе линзы Ротмана, помещенной в цилиндр радиусом 1,5 дюйма, (b) измеренная суммарная мощность в зависимости от углов падения для разной кривизны, © установка для испытаний на дальние расстояния.
Эта надёжная система может открыть дверь для новых пассивных RFID-меток большого радиуса действия с питанием от 5G миллиметрового диапазона 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 сделает систему более доступной для широкого круга пользователей.
«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 приложений », — говорит Эммануил Тенцерис (Emmanouil Tentzeris), профессор электроники в Школе электротехники и компьютерной инженерии.
Тенцерис предсказывает, что следующим крупным приложением для телекоммуникационной отрасли станет технология Powera-as-a-Service (PaaS), точно так же, как передача данных вытеснила голосовые звонки в качестве основного источника дохода.
Исследовательская группа считает, что в перспективе поставщики услуг воспользуются этой технологией, чтобы предлагать питание-по-запросу «по воздуху», устраняя необходимость в батареях.
Эта работа была поддержана Исследовательской лабораторией ВВС США и Национальным научным фондом (NSF) — программа Emerging Frontiers in Research and Innovation. Работа была частично выполнена в Технологическом институте электроники и нанотехнологий Джорджии, который входит в Национальную координированную инфраструктуру нанотехнологий (NNCI), которая поддерживается NSF (грант ECCS-1542174).
На правах рекламы
Воплощайте любые идеи и проекты с помощью наших VDS с мгновенной активацией на Linux или Windows. Сервер готов к работе через минуту после оплаты!
