設(shè)備沒有更多的電池?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)過剩容量轉(zhuǎn)變成為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備供電的“無線電網(wǎng)”的創(chuàng)新方法。

這一突破利用了羅特曼透鏡整流天線，它能夠采集28GHz毫米波;還提供了一個利用過剩5G容量的替代方案，有助于消除世界對電池充電設(shè)備的依賴。(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，可以在不移動天線系統(tǒng)的情況下看到多個方位的目標(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。大型天線存在的問題是它們的視場變窄。如果天線廣泛分布在5G基站，這種限制問題將阻礙它們的操作。

佐治亞理工學(xué)院電氣與計算機(jī)工程學(xué)院雅典娜實(shí)驗(yàn)室的高級研究員艾德(Aline Eid)說：“我們已經(jīng)解決了只能從一個方向看一個覆蓋范圍廣的系統(tǒng)的問題?！痹搶?shí)驗(yàn)室致力于推進(jìn)和開發(fā)電磁、無線、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)會來“收獲”原本會被浪費(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工作頻率更高、可以從任何方向接收能量的大型天線。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，天線陣列從一個方向收集的所有電磁能量被整合并饋送到一個整流器中，從而使其效率最大化。

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

羅特曼透鏡就像光學(xué)透鏡一樣，以蜘蛛形狀同時提供六個視場。調(diào)整透鏡的形狀會產(chǎn)生一種結(jié)構(gòu)，在波束端口側(cè)和天線一側(cè)各有一個曲率角。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角覆蓋和開啟靈敏度之間的權(quán)衡問題，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)可能為新型無源、遠(yuǎn)程、毫米波5G供電的RFID打開大門，用于可穿戴和無處不在的物聯(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、平臺、頻率和應(yīng)用程序方面。

用無線充電代替電池

“事實(shí)上，5G將無處不在，尤其是在城市地區(qū)。你可以更換數(shù)百萬或數(shù)千萬個無線傳感器電池，特別是在智慧城市和智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用中。”該學(xué)校電氣與計算機(jī)工程學(xué)院柔性電子學(xué)的一位教授Emmanouil Tentzeris說。

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

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“隔空”提供按需供電，從而消除對電池的需求。

赫斯特說:“我以常規(guī)方式研究能源采集已經(jīng)至少六年了，但在這段時間里，由于FCC對能源排放的關(guān)注和限制，似乎沒有一個關(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——我們可以擺脫電池了。”

本研究得到了美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室和美國國家科學(xué)基金(NSF)“新興前沿研究與創(chuàng)新計劃”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。