利用5G网络为物联网设备无线供电

设备没有更多的电池?佐治亚理工学院雅典娜实验室的研究人员研究了一种将5G网络过剩容量转变成为物联网(IoT)设备供电的“无线电网”的创新方法。

这一突破利用了罗特曼透镜整流天线，它能够采集28GHz毫米波;还提供了一个利用过剩5G容量的替代方案，有助于消除世界对电池充电设备的依赖。(罗特曼透镜是波束形成网络的关键，在雷达监视系统中经常使用，可以在不移动天线系统的情况下看到多个方位的目标。)

但是，为了获得足够的功率，为远距离低功耗设备供电，就需要大口径天线。大型天线存在的问题是它们的视场变窄。如果天线广泛分布在5G基站，这种限制问题将阻碍它们的操作。

佐治亚理工学院电气与计算机工程学院雅典娜实验室的高级研究员艾德(Aline Eid)说：“我们已经解决了只能从一个方向看一个覆盖范围广的系统的问题。”该实验室致力于推进和开发电磁、无线、射频等新技术，推进毫米波和亚太赫兹应用。

这一成果发表在1月12日出版的《科学报告》杂志上。

与前几代的蜂窝网络相比，FCC已经授权5G可以更密集地集中电力。虽然今天的5G是为高带宽通信而构建的，但高频网络拥有丰富的机会来“收获”原本会被浪费掉且未使用的电力。

接入5G高频电源

“有了这项创新，我们就可以拥有一个工作频率更高、可以从任何方向接收能量的大型天线。它的方向不可知，这使得它更加实用。”Atheraxon公司的CTO兼联合创始人吉米·赫斯特(Jimmy Hester)指出。Atheraxon是佐治亚理工学院旗下一家研发5G RFID技术的公司。

在佐治亚理工学院的解决方案中，天线阵列从一个方向收集的所有电磁能量被整合并馈送到一个整流器中，从而使其效率最大化。

艾德说：“以前人们曾尝试在24或35GHz这样的高频下收集能量。”但这种天线只有在5G基站覆盖范围内才能工作;直到现在还没有办法增加其覆盖角度。

罗特曼透镜就像光学透镜一样，以蜘蛛形状同时提供六个视场。调整透镜的形状会产生一种结构，在波束端口侧和天线一侧各有一个曲率角。这使得该结构能够将一组选定的辐射方向映射到一组相关联的波束端口。然后，透镜被用作接收天线和整流器之间的中间部件，用于5G能量收集。

这种新颖的方法解决了矩形天线角覆盖和开启灵敏度之间的权衡问题，其结构融合了独特的射频(RF)和直流(DC)组合技术，从而实现了一个具有高增益和大波束宽度的系统。

在演示中，佐治亚理工学院的技术在保持相同角度覆盖的情况下，获得了比参考版本多21倍的能量。

这一强大的系统可能为新型无源、远程、毫米波5G供电的RFID打开大门，用于可穿戴和无处不在的物联网应用。研究人员利用内部的增材制造技术，将手掌大小的毫米波收割机打印在多种日常使用的柔性和刚性基材上。提供3D和喷墨打印选项将使系统更具成本效益，并可用于广泛的用户、平台、频率和应用程序方面。

用无线充电代替电池

“事实上，5G将无处不在，尤其是在城市地区。你可以更换数百万或数千万个无线传感器电池，特别是在智慧城市和智慧农业应用中。”该学校电气与计算机工程学院柔性电子学的一位教授Emmanouil Tentzeris说。

他预测，电力即服务将成为电信行业的下一个重大应用，就像数据取代语音服务成为主要收入来源一样。

研究团队最兴奋的是，服务提供商将采用这种技术，通过“隔空”提供按需供电，从而消除对电池的需求。

赫斯特说:“我以常规方式研究能源采集已经至少六年了，但在这段时间里，由于FCC对能源排放的关注和限制，似乎没有一个关键因素能让能源收集在现实世界中发挥作用。……但随着5G网络的出现，这实际上是可行的，我们已经证明了这一点。这非常令人激动——我们可以摆脱电池了。”

本研究得到了美国空军研究实验室和美国国家科学基金(NSF)“新兴前沿研究与创新计划”的支持。这项工作部分是在佐治亚理工学院电子和纳米技术研究所完成的，该研究所是国家纳米技术协调基础设施(NNCI)的成员之一，由NSF(批准ECCS-1542174)支持。