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整流天线技术最新进展

Emily Gray-Fow 2019-07-08

整流天线(rectennas)并不是一项新技术。基于最初由Nikolai Tesla开发的概念以及由Raytheon的William H. Brown 在20世纪60年代进一步开发的概念,整流天线通过使用连接有射频二极管的偶极天线,实现了从周围交流电磁波中获取无线电能的功能。xvg电子头条

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整流天线的历史xvg电子头条

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早在20世纪60年代,可靠的环境无线信号没那么多,我们现在生活在一个常见Wi-Fi和其他射频信号的时代。这使得研究人员更深入地研究如何创建可以利用这些信号且最实用的基于整流天线的电源。减缓整流天线作为实用动力源的发展的一个问题是需要技术来赶上整流天线能够提供给我们的东西。在20世纪60年代和70年代,甚至到80年代,普遍存在的低功耗设备没有成为日常生活的重要组成部分。xvg电子头条

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进入21世纪后,我们开始看到智能手机和低功率LED屏幕等低功耗设备的出现,以及由于Wi-Fi和其他数据信号导致的环境电磁波水平迅速上升。直到最近,解决方案仍然僵化,使得在所有无电池电源有用的地方安装整流天线变得更加困难。在室外,电磁信号仍然不可靠,不能用作没有电池备份的唯一电源,但在许多室内环境中,Wi-Fi是给定的。这使其成为整流天线设计的一个有吸引力的焦点。 xvg电子头条

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在设计几乎可以适应任何地方的整流天线解决方案方面存在一些困难,特别是在这个灵活的可折叠电子设备时代。这促进了第一个灵活的无电池整流天线的发展,该整流天线可以从环境Wi-Fi信号中获取电力。 对于可以从电磁光谱的其他部分获取能量的整流天线也进行了大量的研究,特别是在从太阳辐射、微波甚至热辐射中获取能量的光学整流天线。 xvg电子头条

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由佐治亚理工学院研究人员开发的第一个将光转换为直流电的光学整流天线。图片由Georgia Tech提供。  xvg电子头条

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技术xvg电子头条

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所有整流天线都具有以波的形式从电磁频谱中获取能量并产生直流电流的特征。除此之外,它们的尺寸可以变化很大,一些热再生整流天线的设计为200µm或更小。更大规模的整流天线和整流天线阵列提供了传输相对大量功率的机会,其中较小的迭代可以为众多便携式和移动设备提供无电池电源。与其他针对便携/移动电子市场的天线一样,目前的许多天线设计都很扁平;向透明和灵活的电子产品的转变并未通过整流天线。 xvg电子头条

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2014年,来自UniversitéParis-Est的研究人员展示了一种分别在1和5μW/ cm 2时输出70和190 mV的直流电压的透明阵列。在先前的射频照明条件下,整流天线阵列显示实验电压为0.55V和1.4V。xvg电子头条

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最新发展xvg电子头条

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对喷墨印刷电路的研究包括制造整流天线阵列的工作。一种只有3个原子厚二维半导体的二硫化钼(Mos2)的研究可以使灵活的整流天线能够在150微瓦的Wi-Fi信号下提供大约40微瓦的功率。EECS博士后研究员许章说:“这样的设计使得一个完全灵活的设备能够快速覆盖我们日常电子设备所使用的大多数无线电频段,包括Wi-Fi、蓝牙、蜂窝LTE和许多其他设备,同时最大限度地减少寄生电容和串联电阻。”xvg电子头条

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整流天线被认为是智能手机和其他电子设备的补充电源。图片由Pixabay提供。 xvg电子头条

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整流天线应用xvg电子头条

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电池无线电力传输的可能性为开发不同类型的设备开辟了许多途径。厚度、灵活性和制造方法的改进意味着可能的用途包括:灵活的整流天线作为可摄取传感器和其他医疗设备的电源,其中电池泄漏可能对患者造成伤害;透明、灵活的整流天线可覆盖窗户、墙壁和其他表面,为家庭和工作场所的物联网设备和传感器供电;作为智能手机、物联网设备和其他小设备的补充电源;光学整流天线可以取代光伏太阳能电池,提供高达90%的效率,而不是目前仍低于30%的水平;作为太空太阳能(SBSP)系统的一部分,整流天线可用于转换从卫星太阳能集热器发出的能量,也可能用来收集太阳的能量;在工业环境、家庭或办公室中为低能量M2M(机器到机器)通信供电;卫星和天基环境的电力,无论是从地球上发射还是直接从阳光或其他卫星获取(卫星间的电力传输是切实可行的)。xvg电子头条

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总体而言,利用低成本喷墨印刷的整流天线收集大量浪费能源的潜力,可能会在很大程度上抵消随着技术的进步物联网将在全球范围内产生的额外能量消耗。考虑到当前智能设备的发展速度,我们也很乐意探索延长电池寿命的方法。 xvg电子头条

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在未来20年左右的时间里,一些更为壮观的应用,如基于太空的太阳能,很可能会得到应用,因为我们也看到在火星探测方面的投资增加。不过,我们必须等待,看看最终用户是机器人还是人!作为工程师,我们当然需要关注整流天线。在未来的几年里,无论是在陆地上还是在轨道上都有许多应用将使它们变得越来越具有吸引力。xvg电子头条