Ректенна - Rectenna

А ректенна это прямоугольникжуткий муравейэнна - особый вид приема антенна который используется для преобразования электромагнитный энергия в постоянный ток (ОКРУГ КОЛУМБИЯ) электричество. Они используются в беспроводная передача энергии системы, которые передают мощность радиоволны. Простой элемент ректенны состоит из дипольная антенна с РФ диод соединены поперек дипольных элементов. Диод исправляет то AC индуцируется в антенне микроволнами, чтобы произвести мощность постоянного тока, которая питает нагрузку, подключенную через диод. Диоды Шоттки обычно используются, потому что они имеют наименьшее падение напряжения и самую высокую скорость и, следовательно, имеют наименьшие потери мощности из-за проводимости и переключения.[1] Большие ректенны состоят из множества таких дипольных элементов.

Ректенны для приложений передачи мощности

Изобретение ректенны в 1960-х сделало большие расстояния беспроводная передача энергии достижимый. Ректенна была изобретена в 1964 году и запатентована в 1969 году.[2] инженером-электриком из США Уильям С. Браун, который продемонстрировал это на модели вертолета, работающей на микроволновом излучении, передаваемом с земли и принимаемом с помощью прикрепленной ректенны.[3] С 1970-х годов одним из основных мотивов исследований в области ректенн была разработка приемной антенны для предлагаемых спутники на солнечной энергии, который будет собирать энергию солнечного света в космосе с солнечные батареи и направить его на Землю в виде микроволн в огромные массивы ректенн.[4] Предлагаемое военное приложение - к власти дрон самолет-разведчик с микроволновыми печами, излучаемыми с земли, что позволяет им оставаться в воздухе в течение длительного времени.

В последние годы интерес обратился к использованию ректенн в качестве источников питания для небольших беспроводных микроэлектронных устройств. Наибольшее распространение в настоящее время ректенн приходится на RFID теги бесконтактные карты и бесконтактные смарт-карты, которые содержат интегральную схему (IC ), который питается от небольшого элемента ректенны. Когда устройство приближается к электронному считывающему устройству, радиоволны от считывающего устройства принимаются ректенной, запитывая ИС, которая передает свои данные обратно считывающему устройству.

Радиочастотные ректенны

Простейший кристалл радио приемник, использующий антенна и демодулирующий диод (выпрямитель ), на самом деле является ректенной, хотя она отбрасывает Компонент постоянного тока перед отправкой сигнала в наушники. Люди, живущие рядом с сильным радио передатчики время от времени обнаруживал, что с длинной приемной антенной они могли получить достаточно электроэнергии, чтобы зажечь лампочку.[5]

Однако в этом примере используется только одна антенна с ограниченной зоной захвата. Ректенна использует несколько антенн, разбросанных по большой площади, чтобы улавливать больше энергии.

Исследователи экспериментируют с использованием ректенн для питания датчиков в удаленных районах и распределенных сетей датчиков, особенно для Интернет вещей Приложения.[6]

РЧ-ректенны используются для нескольких форм беспроводная передача энергии. В микроволновом диапазоне экспериментальные устройства достигли КПД преобразования мощности 85-90%.[7] Эффективность преобразования записи для ректенны составляет 90,6% для 2,45 ГГц,[8] при меньшем КПД около 82% достигла 5,82 ГГц.[8]

Оптические ректенны

Основная статья: Оптическая ректенна

В принципе, аналогичные устройства, уменьшенные до пропорций, используемых в нанотехнологии, можно использовать для преобразования свет прямо в электричество. Этот тип устройства называется оптическая ректенна (или «нантенна»).[9][10] Теоретически высокая эффективность может поддерживаться по мере уменьшения устройства, но на сегодняшний день эффективность ограничена, и пока нет убедительных доказательств того, что выпрямление было достигнуто на оптических частотах. В Университет Миссури ранее сообщал о работе по разработке недорогих, высокоэффективных ректенн оптической частоты.[11] Другие прототипы устройств были исследованы в сотрудничестве с Университет Коннектикута и Penn State Altoona используя грант от Национальный фонд науки.[12] С использованием осаждение атомного слоя Было высказано предположение, что в конечном итоге может быть достигнута эффективность преобразования солнечной энергии в электричество выше 70%.

Создание успешной технологии оптических ректенн имеет два основных осложняющих фактора:

1. Изготовление антенны, достаточно малой для передачи оптических волн.

2. Создание сверхбыстрого диода, способного выпрямлять высокочастотные колебания на частоте ~ 500 ТГц.

Ниже приведены несколько примеров возможных путей создания диодов, которые были бы достаточно быстрыми для выпрямления оптического и почти оптического излучения.

Геометрические диоды

Многообещающий путь к созданию этих сверхбыстрых диодов лежит в форме «геометрических диодов».[13] Сообщалось, что графеновые геометрические диоды исправляют терагерцовое излучение.[14] В апреле 2020 года геометрические диоды были зарегистрированы в кремний нанопровода.[15] Провода экспериментально показали, что они могут выпрямлять до 40 ГГц, но это было ограничено приборами, и теоретически можно было бы выпрямить сигналы и в ТГц диапазоне.

Рекомендации

  1. ^ Гюлер, Улкухан; Sendi, Mohammad S.E .; Гованлоо, Майсам (2017). «Двухрежимный пассивный выпрямитель для широкого диапазона входного потока мощности». 2017 IEEE 60-й Международный симпозиум по схемам и системам Среднего Запада (MWSCAS). С. 1376–1379. Дои:10.1109 / MWSCAS.2017.8053188. ISBN  978-1-5090-6389-5. S2CID  31003912.
  2. ^ США 3434678  Преобразователь СВЧ в постоянный ток Уильям С. Браун, и другие, подана 5 мая 1965 г., предоставлена ​​25 марта 1969 г.
  3. ^ "Уильям С. Браун". Проект № 07-1726: Перерезание шнура. 2007–2008 Ярмарка Интернет-науки и технологий, Средняя школа Материкового Китая. 2012 г.. Получено 2012-03-30.
  4. ^ Торри, Ли (10 июля 1980 г.). «Ловушка, чтобы запрячь солнце». Новый ученый. 87 (1209): 124–127. ISSN  0262-4079. Получено 2012-03-30.
  5. ^ «76.09 - Радиопередатчик фары антенной лампы».
  6. ^ "К вам: мифическое электричество?". Дейли Телеграф. 2004-11-24. Получено 2009-06-25.
  7. ^ Чжан, Дж (2000). Ректенны для сбора беспроводной радиочастотной энергии (Кандидатская диссертация).
  8. ^ а б Макспадден, Дж. О., Фан, Л., и Кай Чанг, «Конструкция и эксперименты с выпрямительной антенной на 5,8 ГГц с высоким КПД», IEEE Trans. Теория и техника микроволнового излучения, Том 46, № 12, декабрь 1998 г., стр. 2053-2060. http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.475.3488&rep=rep1&type=pdf
  9. ^ Аша Шарма, Вирендра Сингх, Томас Л. Бугер, Баратунде А. Кола (9 октября 2015 г.). «Оптическая ректенна из углеродных нанотрубок». Природа Нанотехнологии. 10 (12): 1027–1032. Bibcode:2015НатНа..10.1027С. Дои:10.1038 / nnano.2015.220. PMID  26414198.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  10. ^ Заявка на патент WO 2014063149  относится
  11. ^ «Новые солнечные технологии могут выйти за рамки фотоэлектрических ограничений» (Пресс-релиз). Университет Миссури. 16 мая 2011 г.
  12. ^ Колин Пойтрас (4 февраля 2013 г.). «Запатентованный метод профессора Калифорнийского университета в США - ключ к новой технологии солнечной энергии» (Пресс-релиз).
  13. ^ Чжу, З (2013). Ректеннные солнечные элементы. Нью-Йорк: Спрингер. С. 209–227.
  14. ^ Чжу, Цзысюй; Джоши, Саумиль; Гровер, Сачит; Моддел, Гаррет (2013-04-15). «Графеновые геометрические диоды для терагерцовых ректенн». Журнал физики D: Прикладная физика. 46 (18): 185101. Дои:10.1088/0022-3727/46/18/185101. ISSN  0022-3727.
  15. ^ Кастер, Джеймс П.; Низкий, Джереми Д .; Хилл, Дэвид Дж .; Teitsworth, Taylor S .; Christesen, Joseph D .; МакКинни, Коллин Дж .; Макбрайд, Джеймс Р .; Brooke, Martin A .; Уоррен, Скотт С .; Кахун, Джеймс Ф. (2020-04-10). «Храповое управление квазибаллистическими электронами в кремниевых геометрических диодах при комнатной температуре». Наука. 368 (6487): 177–180. Дои:10.1126 / science.aay8663. ISSN  0036-8075. PMID  32273466. S2CID  215550903.

внешняя ссылка

  • Выдающаяся карьера Уильяма С. Брауна
  • Чжан, Сюй; Граджал, Хесус; Васкес-Рой, Хосе Луис; Радхакришна, Уджвал; Ван, Сяосюэ; Черн, Уинстон; Чжоу, Линь; Линь, Юйсюань; Шен, Пин-Чун; Цзи, Сян; Линь, Си; Зубайр, Ахмад; Чжан, Юхао; Ван, Хан; Дубей, Мадан; Конг, Цзин; Дрессельхаус, Милдред; Паласиос, Томас (2019). «Двумерная гибкая ректенна с поддержкой MoS2 для сбора энергии в беспроводном диапазоне Wi-Fi». Природа. 566 (7744): 368–372. Дои:10.1038 / s41586-019-0892-1. PMID  30692651. S2CID  59307657. Сложить резюме – Science Daily (28 января 2019 г.).