Ученые из Центра беспроводных технологий Университета Мультимедиа в Малайзии совместно коллегами из Национального института научных исследований в Канаде и Университета Аль-Айн в ОАЭ разработали компактную широкополосную антенну для сбора энергии рассеянного радиочастотного излучения. Устройство способно принимать радиоволны в широком диапазоне частот – от сигналов сотовой связи и цифрового телевидения до Wi-Fi – и преобразовывать их в электричество.
Современная среда буквально насыщена электромагнитными волнами. Базовые станции LTE и GSM, точки доступа Wi-Fi, телевещательные передатчики непрерывно излучают радиосигналы. Эта энергия обычно используется только для передачи данных, однако физически она может быть преобразована в источник питания для маломощной электроники. Основная техническая проблема заключается в том, что такие сигналы распределены по разным диапазонам частот, тогда как большинство стандартных антенн работают лишь в узкой полосе. Чтобы эффективно «собирать» энергию сразу из нескольких участков спектра, требуется широкополосная антенна, при этом достаточно компактная для интеграции в датчики и сенсорные узлы.
Группа исследователей предложила оригинальное решение, сделав ставку на геометрию конструкции. Системообразующим стала прямоугольная щель, выполненная в подложке из материала FR-4 – используемого в электронике стеклотекстолита на основе стекловолокна и эпоксидной смолы, из которого изготавливают печатные платы. Внутри щели размещены три элемента – инвертированный Т-образный выступ и два Е-образных выступа по бокам. Такая конфигурация формирует несколько резонансных режимов на разных частотах. Проще говоря, антенна сочетает в одном компактном корпусе свойства сразу нескольких резонаторов. Подбор размеров и взаимного расположения этих элементов в ходе компьютерного моделирования позволил «свести» отдельные резонансные пики в единую широкую рабочую полосу.
В результате было получено устройство размером около 100 × 76 мм, способное стабильно работать в диапазоне от 0,84 до 1,89 ГГц. Максимальный коэффициент усиления достиг 4,86 дБи. Это означает, что в направлении основного приема антенна концентрирует сигнал примерно в три раза эффективнее, чем условная всенаправленная антенна. Такая характеристика обеспечивает уверенный прием сигналов цифрового телевидения, GSM 900, GSM 1800 и других систем, работающих в этом частотном диапазоне.
Испытания в безэховой камере подтвердили соответствие расчетных и экспериментальных параметров. После подключения выпрямителя, который преобразует переменный радиочастотный сигнал в постоянное напряжение, эффективность преобразования приблизилась к 80%.
В перспективе подобные решения способны повысить автономность датчиков умного дома, промышленного оборудования и систем экологического мониторинга, сократив зависимость от традиционных батарей и упростив эксплуатацию распределенных сенсорных сетей.
