ректенна
Ректенна ) — ( выпрямляющая антенна , это особый тип приемной антенны которая используется для преобразования электромагнитной энергии в постоянного тока (DC) электричество . Они используются в системах беспроводной передачи энергии , которые передают мощность с помощью радиоволн . Простой элемент ректенны состоит из дипольной антенны с диодом , подключенным параллельно дипольным элементам. Диод выпрямляет переменный ток, наведенный в антенне микроволнами, для производства мощности постоянного тока, которая питает нагрузку, подключенную через диод. Обычно используются диоды Шоттки , поскольку 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 решеток из множества элементов приема энергии, таких как дипольные антенны.
Приложения для передачи энергии
[ редактировать ]Изобретение ректенны в 1960-х годах сделало возможной беспроводную передачу энергии на большие расстояния . Ректенна была изобретена в 1964 году и запатентована в 1969 году. [2] американский инженер-электрик Уильям К. Браун , который продемонстрировал это на модели вертолета, питаемой микроволнами, передаваемыми с земли и принимаемыми прикрепленной ректенной. [3] С 1970-х годов одним из основных мотивов исследований ректенн была разработка приемной антенны для предлагаемых спутников солнечной энергии , которые будут собирать энергию солнечного света в космосе с помощью солнечных батарей и передавать ее на Землю в виде микроволн на огромные массивы ректенн. [4] Предлагаемое военное применение заключается в питании дронов- разведчиков микроволнами, 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 использование ректенн в настоящее время приходится на RFID- метки, бесконтактные карты и бесконтактные смарт-карты , которые содержат интегральную схему ( ИС ), питающуюся от небольшого элемента ректенны. Когда устройство подносится к электронному считывающему устройству, радиоволны от считывающего устройства принимаются ректенной, подавая питание на микросхему, которая передает свои данные обратно считывающему устройству.
Радиочастотные ректенны
[ редактировать ]Простейший кварцевый радиоприемник, в котором используется антенна и демодулирующий диод ( выпрямитель ), на самом деле представляет собой ректенну, хотя он отбрасывает компонент постоянного тока перед отправкой сигнала на наушники . Люди, живущие рядом с мощными радиопередатчиками , иногда обнаруживали, что с помощью длинной приемной антенны они могут получить достаточно электроэнергии, чтобы зажечь лампочку. [5]
Однако в этом примере используется только одна антенна, имеющая ограниченную зону захвата. Решетка ректенн использует несколько антенн, разбросанных по большой площади, чтобы улавливать больше энергии.
Исследователи экспериментируют с использованием ректенн для питания датчиков в отдаленных районах и распределенных сетей датчиков, особенно для приложений Интернета вещей . [6]
Радиочастотные ректенны используются для нескольких форм беспроводной передачи энергии . В СВЧ-диапазоне экспериментальные устройства достигли эффективности преобразования энергии 85–90%. [7] Рекордный КПД преобразования для ректенны составляет 90,6% для 2,45 ГГц, [8] с меньшим КПД около 82% достигается на частоте 5,82 ГГц. [8]
Оптические ректенны
[ редактировать ]В принципе, подобные устройства, уменьшенные до пропорций, используемых в нанотехнологиях , могут использоваться для преобразования света непосредственно в электричество. Этот тип устройства называется оптической ректенной (или «нантенной»). [9] [10] [11] Теоретически высокая эффективность может поддерживаться по мере сжатия устройства, но на сегодняшний день эффективность ограничена, и до сих пор не было убедительных доказательств того, что выпрямление достигается на оптических частотах. Ранее Университет Миссури сообщал о работе по разработке недорогих и высокоэффективных ректенн оптической частоты. [12] Другие прототипы устройств были исследованы в сотрудничестве между Университетом Коннектикута и Пенсильванским университетом в Алтуне с использованием гранта Национального научного фонда . [13] с использованием атомно-слоевого осаждения Было высказано предположение, что в конечном итоге может быть достигнута эффективность преобразования солнечной энергии в электричество более 70%.
Создание успешной технологии оптических ректенн имеет два основных усложняющих фактора:
- Изготовление антенны, достаточно маленькой для соединения оптических длин волн.
- Создание сверхбыстрого диода, способного выпрямлять высокочастотные колебания на частоте ~500 ТГц.
Ниже приведены несколько примеров потенциальных путей создания диодов, которые будут достаточно быстрыми для исправления оптического и околооптического излучения.
Геометрические диоды
[ редактировать ]Многообещающий путь к созданию этих сверхбыстрых диодов лежит в форме « геометрических диодов ». [14] Сообщалось, что графеновые геометрические диоды исправляют терагерцовое излучение . [15] В апреле 2020 года сообщалось о геометрических диодах в кремниевых нанопроволоках . [16] Экспериментально было показано, что провода выпрямляют сигналы до 40 ГГц, этот результат был пределом используемого прибора, и теоретически провода могут выпрямлять сигналы и в терагерцовом диапазоне.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Гюлер, Улькухан; Сенди, Мохаммад С.Е.; Гованлоо, Майсам (2017). «Двухрежимный пассивный выпрямитель для широкого диапазона входной мощности». 2017 60-й Международный симпозиум Среднего Запада по схемам и системам IEEE (MWSCAS) . стр. 1376–1379. дои : 10.1109/MWSCAS.2017.8053188 . ISBN 978-1-5090-6389-5 . S2CID 31003912 .
- ^ США 3434678 Преобразователь микроволнового излучения в постоянный ток Уильям К. Браун и др ., подан 5 мая 1965 г., выдан 25 марта 1969 г.
- ^ «Уильям С. Браун» . Проект № 07-1726: Перерезание шнура . 2007–2008 Ярмарка Интернет-науки и технологий, Средняя школа материкового Китая. 2012 . Проверено 30 марта 2012 г.
- ^ Торри, Ли (10 июля 1980 г.). «Ловушка, чтобы обуздать солнце» . Новый учёный . 87 (1209): 124–127. ISSN 0262-4079 . Проверено 30 марта 2012 г.
- ^ «76.09 — Радиопередатчик загорается лампочкой антенны» .
- ^ «Вам: мифическое электричество?» . «Дейли телеграф» . 2004-11-24. Архивировано из оригинала 28 июня 2009 г. Проверено 25 июня 2009 г.
- ^ Чжан, Дж. (2000). Ректенны для беспроводного сбора радиочастотной энергии (кандидатская диссертация). Университет Ливерпуля.
- ^ Jump up to: а б МакСпадден Дж. О., Фан Л. и Кай Чанг, «Проектирование и эксперименты с ректенной с высокой эффективностью преобразования 5,8 ГГц», IEEE Trans. Теория и техника микроволнового излучения , Vol. 46, № 12, декабрь 1998 г., стр. 2053–2060. https://ieeexplore.ieee.org/document/739282
- ^ Шарма, Аша; Сингх, Вирендра; Баугер, Томас Л.; Кола, Баратунде А. (9 октября 2015 г.). «Оптическая ректенна из углеродных нанотрубок» . Природные нанотехнологии . 10 (12): 1027–1032. Бибкод : 2015НатНа..10.1027С . дои : 10.1038/nano.2015.220 . ПМИД 26414198 .
- ^ «Первая оптическая ректенна — комбинированный выпрямитель и антенна — преобразует свет в постоянный ток» . ЭврекАлерт! (Пресс-релиз). 28 сентября 2015 г.
- ^ Заявка на патент WO 2014063149 относится к этому.
- ^ «Новая солнечная технология может выйти за пределы фотоэлектрических возможностей» (пресс-релиз). Университет Миссури . 16 мая 2011 г.
- ^ Пойтрас, Колин (4 февраля 2013 г.). «Запатентованная технология профессора Калифорнийского университета в ключе к новой технологии солнечной энергии» (пресс-релиз).
- ^ Чжу, З. (2013). Солнечные элементы ректенны . Нью-Йорк, США: Спрингер. стр. 209–227.
- ^ Чжу, Цзысюй; Джоши, Сэмюэл; Гровер, Сачит; Модель Гаррет (15 апреля 2013 г.). «Графеновые геометрические диоды для терагерцовых ректенн». Журнал физики D: Прикладная физика . 46 (18): 185101. Бибкод : 2013JPhD ...46r5101Z . дои : 10.1088/0022-3727/46/18/185101 . ISSN 0022-3727 . S2CID 9573157 .
- ^ Кастер, Джеймс П.; Лоу, Джереми Д.; Хилл, Дэвид Дж.; Тейсворт, Тейлор С.; Кристесен, Джозеф Д.; МакКинни, Коллин Дж.; Макбрайд, Джеймс Р.; Брук, Мартин А.; Уоррен, Скотт С.; Кахун, Джеймс Ф. (10 апреля 2020 г.). «Храповое движение квазибаллистических электронов в кремниевых геометрических диодах при комнатной температуре» . Наука . 368 (6487): 177–180. Бибкод : 2020Sci...368..177C . дои : 10.1126/science.aay8663 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 32273466 . S2CID 215550903 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Выдающаяся карьера Уильяма К. Брауна
- Чжан, Сюй; Граджал, Иисус; Васкес-Рой, Хосе Луис; Радхакришна, Уджвал; Ван, Сяосюэ; Черн, Уинстон; Чжоу, Линь; Линь, Юйсюань; Шен, Пин-Чун; Цзи, Сян; Линг, Си; Зубайр, Ахмад; Чжан, Юхао; Ван, Хан; Дубей, Мадан; Конг, Цзин; Дрессельхаус, Милдред ; Дворцы, Томас (2019). «Двумерная гибкая ректенна с поддержкой MoS2 для беспроводного сбора энергии в диапазоне Wi-Fi» . Природа 566 (7744): 368–372. Бибкод : 2019Nature.566..368Z дои : 10.1038/ s41586-019-0892-1 ПМИД 30692651 . S2CID 59307657 .
- «Преобразование сигналов Wi-Fi в электричество с помощью новых 2D-материалов» . ScienceDaily (пресс-релиз). 28 января 2019 г.
