5G jako napájecí síť
Vědci z Georgijského technologického institutu představili nový způsob, jak využít kapacitu 5G sítí – proměnili ji v bezdrátovou napájecí síť, která může zásobovat malá zařízení IoT energií.
Rychlý rozvoj v oblasti technologií milimetrových vln a internetu věcí (IoT) předpokládá instalace až 40 mld. IoT zařízení do roku 2025, což by mohlo vést k potřebě obrovského množství baterií.
Realizace energeticky autonomních systémů s vlastním pohonem (věčný IoT) je proto vysoce žádoucí a jedním z potenciálních způsobů, jak toho dosáhnout, je získávání elektromagnetické energie z prostředí. Perspektivním výkonným zdrojem pro elektromagnetické vychytávání je energie milimetrových vln, obsažená v páté generaci (5G) pásem mobilních komunikací (nad 24 GHz), kde jsou limity povoleného přenášeného efektivního izotropního vyzařovaného výkonu (EIRP) podle předpisů Federal Communications Commission (FCC) posunuty za 75 dBm (úroveň výkonu v decibelech s odkazem na jeden miliwatt) v dosahu jejich nízkofrekvenčních protějšků.
Nabízejí více možností
Obecně byly sítě 5G navrženy pro velice rychlou komunikaci s nízkou latencí. K tomuto účelu byly přijaty frekvence mm vln a povoleny bezprecedentně vysoké hustoty vyzařovaného výkonu FCC. Architekti 5G tak nevědomky vytvořili bezdrátovou energetickou síť schopnou napájet zařízení v rozsahu daleko přesahujícím možnosti jakýchkoli existujících technologií. Tento potenciál by však mohl být realizován, jen pokud by se podařilo obejít zásadní kompromis v bezdrátovém získávání energie.
Vědci k řešení tohoto problému navrhli koncept založený na implementaci tzv. Rotmanovy čočky. Již dříve se lidé pokoušeli o získávání energie na vysokých frekvencích, ale takové antény fungovaly pouze na přímou viditelnost k základnové stanici 5G.
Nyní jej vědci se systémem, který má široký úhel pokrytí, mohou zaměřit jedním směrem. Klíčem je právě Rotmanova čočka, která funguje stejně jako optická čočka a poskytuje více zorných polí současně. To umožňuje struktuře mapovat sadu vybraných směrů záření na přidruženou sadu paprskových portů a čočka se pak používá jako mezilehlá součást mezi přijímacími anténami a usměrňovači pro získávání energie 5G. Takto lze získat velkou anténu, která pracuje na vyšších frekvencích a může přijímat energii z jakéhokoli směru.
Správným vyladěním tvaru čočky lze dosáhnout struktury se dvěma úhly zakřivení: jeden na straně paprskových portů a druhý na straně antény. Protože je čočka schopna soustředit energii přicházející z daného směru do svého geometricky přidruženého portu paprsku, navrhované schéma vybaví každý z těchto portů usměrňovačem, čímž směruje energii přicházející z libovolného směru do jednoho z usměrňovačů.
Flexibilní kombinovaná síť
Již byl představen prototyp rektifikační antény (rekteny) s využitím Rotmanovy čočky, jehož výsledkem je kvaziflexibilní systém, 80° úhlové pokrytí a 21násobný nárůst sklizeného výkonu ve srovnání s jiným systémem. Po nastavení počtu anténních a paprskových portů byl návrh vytištěn na flexibilní substrát z tekutých krystalů (LCP) potažený mědí. Tak vznikl plně flexibilní 28GHz rektenový systém založený na Rotmanově čočce a nové DC slučovací síti.
Tištěná, flexibilní čočka s milimetrovou vlnou umožňuje robustní a ohybově odolný provoz na více než 20 GHz zisku a úhlové šířky pásma. Ke konstrukci jsou pak přidány anténní dílčí pole, usměrňovače a stejnosměrné slučovače.
Ve frekvenčním rozsahu 5G to znamená harvestory o velikosti 4,5 až 9,6 cm, které se díky možnosti ohýbání dokonale hodí pro použití v nositelných zařízeních, chytrých telefonech apod., a umožní vyvíjet extrémně nízkoprofilová zařízení, která se přizpůsobí jakémukoli prostředí, jako jsou stěny, těla, vozidla atd. Kromě výhody vysokého vysílaného výkonu dostupného na 5G umožňuje přechod na pásma mm vln realizaci modulárních anténních polí místo jednotlivých prvků, čímž umožňuje jemné škálování.
Vědci úspěšně demonstrovali kombinaci velkého úhlového pokrytí, citlivosti a schopnosti „sklizně energie“ až do vzdálenosti 2,83 m. Dalším vylepšením pomocí nejmodernějších usměrňovačů by mohl být odběr několika μW stejnosměrného výkonu na dosah 180 m.
To naznačuje, že budoucí sítě 5G by mohly být použity nejen pro extrémně rychlou komunikaci, ale i jako všudypřítomná bezdrátová napájecí síť pro zařízení IoT na vzdálenost mnoha desítek metrů.
Kamil Pittner
Foto: Designboom
23
.gif)
