Ректенна ( выпрямительная антенна ) — это особый тип приемной антенны , которая используется для преобразования электромагнитной энергии в электричество постоянного тока (DC) . Они используются в беспроводных системах передачи энергии , которые передают энергию с помощью радиоволн . Простой элемент ректенны состоит из дипольной антенны с диодом , подключенным к дипольным элементам. Диод выпрямляет переменный ток, индуцированный в антенне микроволнами, для получения постоянного тока, который питает нагрузку, подключенную к диоду. Обычно используются диоды Шоттки , поскольку они имеют наименьшее падение напряжения и самую высокую скорость и, следовательно, имеют наименьшие потери мощности из-за проводимости и переключения. [1] Большие ректенны состоят из массивов множества элементов приема энергии, таких как дипольные антенны.
Изобретение ректенны в 1960-х годах сделало возможной беспроводную передачу энергии на большие расстояния . Ректенна была изобретена в 1964 году и запатентована в 1969 году [2] американским инженером-электриком Уильямом С. Брауном , который продемонстрировал ее с помощью модели вертолета, работающей на микроволнах, передаваемых с земли и принимаемых прикрепленной ректенной. [3] С 1970-х годов одной из основных мотиваций исследований ректенны была разработка приемной антенны для предлагаемых спутников солнечной энергии , которые собирали бы энергию солнечного света в космосе с помощью солнечных батарей и направляли бы ее на Землю в виде микроволн на огромные решетки ректенн. [4] Предлагаемое военное применение заключается в питании беспилотных разведывательных самолетов микроволнами, излучаемыми с земли, что позволило бы им оставаться в воздухе в течение длительного времени.
В последние годы интерес переключился на использование ректенн в качестве источников питания для небольших беспроводных микроэлектронных устройств. Наибольшее текущее использование ректенн — в метках RFID , бесконтактных картах и бесконтактных смарт-картах , которые содержат интегральную схему ( ИС ), которая питается от небольшого элемента ректенны. Когда устройство подносится к электронному считывающему устройству, радиоволны от считывателя принимаются ректенной, питая ИС, которая передает свои данные обратно считывателю.
Простейший кристаллический радиоприемник, использующий антенну и демодулирующий диод ( выпрямитель ), на самом деле является ректенной, хотя он отбрасывает компонент постоянного тока перед отправкой сигнала на наушники . Люди, живущие рядом с мощными радиопередатчиками, иногда обнаруживали, что с длинной приемной антенной они могли бы получить достаточно электроэнергии, чтобы зажечь лампочку. [5]
Однако в этом примере используется только одна антенна с ограниченной зоной захвата. Ректенная решетка использует несколько антенн, распределенных по большой площади, чтобы захватить больше энергии.
Исследователи экспериментируют с использованием ректенн для питания датчиков в отдаленных районах и распределенных сетей датчиков, особенно для приложений Интернета вещей . [6]
РЧ-ректенны используются для нескольких форм беспроводной передачи энергии . В микроволновом диапазоне экспериментальные устройства достигли эффективности преобразования энергии 85–90%. [7] Рекордная эффективность преобразования для ректенны составляет 90,6% для 2,45 ГГц, [8] с более низкой эффективностью около 82%, достигнутой на 5,82 ГГц. [8]
В принципе, аналогичные устройства, уменьшенные до пропорций, используемых в нанотехнологиях , могут использоваться для преобразования света непосредственно в электричество. Этот тип устройства называется оптической ректенной (или «нантенной»). [9] [10] [11] Теоретически, высокая эффективность может поддерживаться при уменьшении устройства, но на сегодняшний день эффективность была ограничена, и до сих пор не было убедительных доказательств того, что выпрямление было достигнуто на оптических частотах. Университет Миссури ранее сообщал о работе по разработке недорогих, высокоэффективных ректенн оптической частоты. [12] Другие прототипные устройства были исследованы в сотрудничестве между Университетом Коннектикута и Университетом штата Пенсильвания в Алтуне с использованием гранта Национального научного фонда . [13] Было высказано предположение, что с использованием осаждения атомных слоев в конечном итоге может быть достигнута эффективность преобразования солнечной энергии в электричество выше 70%.
Создание успешной оптической ректенной технологии имеет два основных осложняющих фактора:
Ниже приведены несколько примеров потенциальных путей создания диодов, которые будут достаточно быстрыми для выпрямления оптического и околооптического излучения.
Перспективным путем к созданию таких сверхбыстрых диодов является создание « геометрических диодов ». [14] Сообщалось, что графеновые геометрические диоды выпрямляют терагерцовое излучение . [15] В апреле 2020 года сообщалось о геометрических диодах в кремниевых нанопроводах . [16] Экспериментально было показано, что провода выпрямляют до 40 ГГц, этот результат оказался пределом возможностей используемого прибора, и теоретически провода могут выпрямлять сигналы и в терагерцовом диапазоне.
