Используя инновационную топологию, сочетающую печатные выпрямляющие антенны (ректенны), линзу Ротмана и диоды, исследователи разработали систему для сбора радиочастотной энергии в спектре 5G 28 ГГц.

Не стоит удивляться, что даже при продолжающемся развитии 5G, инновации других технологий, не относящиеся к 5G, будут искать способы использовать связанных с ними технологические достижения для использования в 5G. Именно это и сделала команда из Технологического института Джорджии (Технологический институт Джорджии) с помощью инновационной комбинации антенны и микшера сигналов, предназначенной для эффективного захвата и детектирования электромагнитных волн в диапазоне 28 ГГц 5G. Это хорошо подходит для многих миниатюрных приложений, таких как устройства IoT, за счет уменьшения или, возможно, даже устранения их потребности в батареях.

Идея такой антенны (называемой «ректенна») не нова. Однако создать такую, которая будет хорошо работать на частоте 28 ГГц, является сложной задачей из-за некоторых технических реалий и компромиссов. С одной стороны, желательно иметь более крупную антенну с высоким коэффициентом усиления для захвата значительного количества РЧ-энергии, несмотря на большие потери на трассе на этих более высоких частотах, но такие антенны имеют узкую диаграмму направленности.

Чтобы преодолеть ограничивающий компромисс между диаграммой направленности ректенны и чувствительностью, а также другие ограничения, команда включила уникальную версию «линзы» Ротмана между антеннами и выпрямителями. Этот одноименный объектив сам по себе не нов: он был представлен Уолтером Ротманом в 1960-х годах и является одним из наиболее распространенных и экономичных конструкций для сетей формирования луча.

Линза позволяет формировать несколько антенных лучей без переключателей или фазовращателей. Выражаясь слишком упрощенно, порты луча расположены так, что на портах антенны достигаются постоянные фазовые сдвиги, при этом антенные элементы питаются с фазами, которые линейно изменяются по строке. В результате он ведет себя так же, как фазированная решетка. Одним из важных свойств этой линзы является то, что, несмотря на то, что она имеет множество подключенных портов с сопротивлением 50 Ом, они изолированы и, таким образом, не влияют на потери или наводок соседних лучей. Таким образом, была решена проблема приема сигнала только с одного направления.

Антенные подрешетки

Команда проекта начала проектирование с антенной подрешетки. Затем было использовано несколько таких подрешеток, выпрямителей и сумматоров постоянного тока, чтобы продемонстрировать большой угловой охват и чувствительность приема. Среди множества точек данных они продемонстрировали способность приема на расстоянии 2,83 метра в его текущей конфигурации, прогнозируемая мощность постоянного тока около 6 мкВт на 180 метрах с эффективной изотропно излучаемой мощностью (EIRP) 75 дБмВт. Кроме того, система имеет очень низкий профиль, чтобы соответствовать таким поверхностям, как стены, кузов автомобиля и др.

Основываясь на подробном анализе количества и размера элементов подматрицы и доступных материалов, они пришли к выводу, что комбинация подматриц, состоящая из восьми антенн и шести составляющих луча, предлагает почти оптимальный компромисс между высоким коэффициентом усиления решетки 5,95 дБ и диаграммой направленности в 120 °. Устройство было выполнено гибкой плакированной медью на полимерной (LCP) подложке (εr = 3,02) с использованием метода маскирования с помощью струйной печати с последующим травлением (рис. 1).

Рис. 1. Конструкция антенны была напечатана на гибкой покрытой медью полимерной подложке с использованием метода маскирования с помощью струйной печати с последующим травлением

Система на основе линз

Общая архитектура системы (рис. 2) имеет восемь антенных подрешеток, прикрепленных к линзе Ротмана с одной стороны и обращенных к шести выпрямителям с противоположной стороны, где последовательная комбинация постоянного тока реализована с использованием диодов Шоттки MACOM MA4E2038.

Рис. 2. Линза Ротмана между антеннами и выпрямителями является ключевым элементом сбора электромагнитной энергии (а); график расчета максимальных коэффициентов усиления решетки и диаграммы направленности для линз Ротмана разного размера (b); фото изготовленной конструкции линзы Ротмана (в).

Ректенна на основе линзы Ротмана включается при значении ниже −6 дБм / см2, что, по словам ученых, весьма выгодно по сравнению с другими устройствами в опубликованной литературе. Выходное напряжение ректенны также измерялось во всем рабочем диапазоне частот, расположенной под тем же углом приема, на расстоянии 25 см от рупорной антенны источника и в диапазоне от 27,8 до 29,6 ГГц.

Шунтирующие диоды Toshiba 1SS384TE85LF использовались в конструкции сумматора постоянного тока для создания токового проводника с низким сопротивлением вокруг всех других выпрямителей, которые получали очень низкую или близкую к нулю ВЧ-мощность (рис. 3). Эта топология оптимальна, когда включен только один диод, что можно предположить, если один доминирующий источник энергии излучает с заданного направления.

Рис. 3. Схема суммирования мощности ректенны на основе Ротмана (а) и изображение установки, используемой для измерения диаграммы направленности ректенны (b)

На этой упрощенной схеме показано всего четыре диода. Различными цветами выделены пути, по которым будет проходить ток, для каждого случая, когда ВЧ-диод включается, а последовательно подключенные диоды — «ВЫКЛЮЧЕНЫ». Этот сумматор постоянного тока был изготовлен на гибкой полиимидной каптоновой подложке толщиной 125 мкм и подключен к ректенне на основе линзы Ротмана через серию отдельных разъемов, чтобы сделать всю систему полностью гибкой. Сумматор постоянного тока использует уменьшенное количество шунтирующих диодов и увеличивает угловой охват системы более чем на 30% по сравнению с существующими конструкциями.

Для проверки характеристик в условиях выпуклого и вогнутого изгиба ректенна на основе линзы была размещена на цилиндрах с разной кривизной на расстоянии 70 см от передатчика, посылающего мощность 25 дБмВт на частоте 28,5 ГГц (рис. 4). Напряжение было собрано с использованием нагрузки 1 кОм для планарного и трех состояний изгиба по отношению к углу падения источника.

Рис. 4. Гибкая ректенна на основе линзы Ротмана, размещенная на цилиндре радиусом 1,5-дюйма (а) и измеренные суммарные мощности в зависимости от угла падения при различной кривизне (b); установка для испытаний дальнего расстояния (c).

График показывает отличную согласованность и стабильность системы, даже несмотря на то, что несколько подсистем подвержены деформации и давлению изгиба: антенные подрешетки, линза Ротмана и выпрямители. По краям видно небольшое затухание, но в остальном система не препятствует изгибу. Это свойство делает его подходящим для использования с носимыми устройствами, смартфонами и конформными сборщиками энергии 5G для узлов IoT.

Демонстрация ректенны на основе линзы для приема на большие расстояния использовала высокоэффективную антенную систему с конической рупорной антенной на 19 дБи и диэлектрической линзой из ПТФЭ диаметром 300 мм (для высокой направленности), обеспечивающей дополнительное усиление 10 дБ. При передаваемой мощности 25 дБм (и соответствующей EIRP примерно 54 дБм), соответствующей плотности падающей мощности примерно -6 дБм / см2, ректенна на основе линзы показала дальность приема 2,83 метра и выходное напряжение около 10 мВ. Исследователи считают, что это самая протяженная на сегодняшний день демонстрация ректенны на частотах миллиметрового диапазона.

Проект поддержан Исследовательской лабораторией ВВС и программой Emerging Frontiers in Research and Innovation (EFRI) Национального научного фонда. Полная информация содержится в статье трех авторов с обманчиво невзрачным названием «5G как беспроводная электросеть», опубликованной в Nature Scientific Reports.

Источник: www.electronicdesign.com