Prelievo di potenza gratuita dal 5G con rettangoli stampati in 3D

Sfruttare la rete 5G per alimentare in modalità wireless i dispositivi IoT
‘Rectenna’ basata su lenti Rotman in grado di raccogliere onde millimetriche a 28 GHz con alta efficienza da tutte le direzioni per la prima volta

Niente più batterie del dispositivo? I ricercatori del laboratorio ATHENA del Georgia Institute of Technology discutono di un modo innovativo per sfruttare l’eccessiva capacità delle reti 5G, trasformandole in “una rete elettrica wireless” per alimentare i dispositivi Internet of Things (IoT). L’innovazione sfrutta un’antenna rettificatrice basata su lenti Rotman in grado di raccogliere onde millimetriche a 28 GHz. L’innovazione potrebbe aiutare a eliminare la dipendenza mondiale dalle batterie per caricare i dispositivi fornendo un’alternativa che utilizza la capacità 5G in eccesso.

I ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno scoperto un modo innovativo per sfruttare l’eccessiva capacità delle reti 5G, trasformandole in “una rete elettrica wireless” per alimentare i dispositivi Internet of Things (IoT) che oggi necessitano di batterie per funzionare.

Gli inventori della Georgia Tech hanno sviluppato un sistema di antenna rettificatrice flessibile basato su lenti Rotman (rectenna) in grado, per la prima volta, di raccogliere onde millimetriche nella banda dei 28 GHz. (L’obiettivo Rotman è fondamentale per le reti beamforming e viene spesso utilizzato nei sistemi di sorveglianza radar per vedere i bersagli in più direzioni senza spostare fisicamente il sistema di antenna.)

Ma per raccogliere energia sufficiente per alimentare dispositivi a bassa potenza a lunghe distanze, sono necessarie antenne ad ampia apertura. Il problema con le antenne di grandi dimensioni è che hanno un campo visivo ristretto. Questa limitazione impedisce il loro funzionamento se l’antenna è ampiamente dispersa da una stazione base 5G.

“Abbiamo risolto il problema di essere in grado di guardare solo da una direzione con un sistema che ha un ampio angolo di copertura”, ha detto la ricercatrice senior Aline Eid nel laboratorio ATHENA, istituito presso la Scuola di ingegneria elettrica e informatica della Georgia Tech per avanzare e sviluppare nuove tecnologie per applicazioni elettromagnetiche, wireless, RF, onde millimetriche e sub-terahertz.

I risultati sono stati riportati nel numero del 12 gennaio della rivista Scientific Reports .

La FCC ha autorizzato il 5G a focalizzare la potenza in modo molto più denso rispetto alle precedenti generazioni di reti cellulari. Mentre il 5G di oggi è stato progettato per comunicazioni a larghezza di banda elevata, la rete ad alta frequenza offre ricche opportunità per “raccogliere” energia inutilizzata che altrimenti andrebbe sprecata.

Attingendo alla potenza ad alta frequenza 5G

“Con questa innovazione, possiamo avere una grande antenna, che funziona a frequenze più alte e può ricevere energia da qualsiasi direzione. È indipendente dalla direzione, il che lo rende molto più pratico “, ha osservato Jimmy Hester, consulente di laboratorio senior e CTO e co-fondatore di Atheraxon, uno spinoff della Georgia Tech che sviluppa la tecnologia di identificazione a radiofrequenza (RFID) 5G.

Con la soluzione Georgia Tech, tutta l’energia elettromagnetica raccolta dagli array di antenne da una direzione viene combinata e immessa in un unico raddrizzatore, che ne massimizza l’efficienza.

“Le persone hanno già tentato di raccogliere energia ad alte frequenze come 24 o 35 Gigahertz”, ha detto Eid, ma tali antenne funzionavano solo se avevano una linea di vista verso la stazione base 5G; non c’era modo di aumentare il loro angolo di copertura fino ad ora.

Operando proprio come una lente ottica, la lente Rotman fornisce sei campi visivi simultaneamente in uno schema a forma di ragno. La regolazione della forma della lente si traduce in una struttura con un angolo di curvatura sul lato di babordo del fascio e un altro sul lato dell’antenna. Ciò consente alla struttura di mappare un insieme di direzioni di radiazione selezionate su un insieme associato di porte del fascio. L’obiettivo viene quindi utilizzato come componente intermedio tra le antenne riceventi e i raddrizzatori per la raccolta di energia 5G.

Questo nuovo approccio affronta il compromesso tra la copertura angolare del rettangolo e la sensibilità all’accensione con una struttura che unisce tecniche di combinazione uniche di radiofrequenza (RF) e corrente continua (CC), consentendo così un sistema con alto guadagno e ampia larghezza di fascio.

Nelle dimostrazioni, la tecnologia di Georgia Tech ha ottenuto un aumento di 21 volte della potenza raccolta rispetto a una controparte di riferimento, pur mantenendo una copertura angolare identica.

Questo robusto sistema può aprire la porta a nuovi RFID passivi, a lungo raggio, alimentati da onde mm 5G per applicazioni IoT indossabili e onnipresenti. I ricercatori hanno utilizzato la produzione additiva interna per stampare i raccoglitori di onde mm delle dimensioni di un palmo su una moltitudine di substrati flessibili e rigidi di tutti i giorni. Fornire opzioni di stampa 3D e a getto d’inchiostro renderà il sistema più conveniente e accessibile a un’ampia gamma di utenti, piattaforme, frequenze e applicazioni.

Sostituzione delle batterie con ricarica via etere

“Il fatto è che il 5G sarà ovunque, specialmente nelle aree urbane. È possibile sostituire milioni, o decine di milioni, di batterie di sensori wireless, in particolare per smart city e applicazioni agricole intelligenti “, ha affermato Emmanouil (Manos) Tentzeris , Ken Byers Professor in Flexible Electronics presso la School of Electrical and Computer Engineering .

Tentzeris prevede che il potere come servizio sarà la prossima grande applicazione per l’industria delle telecomunicazioni, proprio come i dati hanno superato i servizi vocali come principale produttore di entrate.
Il team di ricerca è molto entusiasta della prospettiva che i fornitori di servizi adottino questa tecnologia per offrire energia su richiesta “via etere”, eliminando la necessità di batterie.

“Ho lavorato convenzionalmente sulla raccolta di energia per almeno sei anni e per la maggior parte di questo tempo non mi è sembrato che ci fosse una chiave per far funzionare la raccolta di energia nel mondo reale, a causa dei limiti FCC sull’emissione di potenza e focalizzazione “, ha detto Hester. “Con l’avvento delle reti 5G, questo potrebbe effettivamente funzionare e lo abbiamo dimostrato. È estremamente eccitante: potremmo sbarazzarci delle batterie “.

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