Ученые из Центра беспроводных технологий Мультимедийного университета Малайзии совместно с коллегами из Национального научно-исследовательского института Канады и Университета Аль-Айн в ОАЭ разработали компактную широкополосную антенну для сбора рассеянной радиочастотной энергии. 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 практически насыщена электромагнитными волнами. Базовые станции LTE и GSM, точки доступа Wi-Fi и телевизионные передатчики непрерывно излучают радиосигналы. Хотя эта энергия обычно используется только для передачи данных, ее можно физически преобразовать в источник питания для маломощной электроники.
Основная техническая сложность заключается в том, что эти сигналы распределены по различным частотным диапазонам, тогда как большинство стандартных антенн работают в узкой полосе. Для эффективного сбора энергии из нескольких частотных областей одновременно необходима широкополосная антенна, достаточно компактная для интеграции в датчики и сенсорные узлы.
Исследовательская группа предложила оригинальное решение, сосредоточившись на геометрии конструкции. Его ключевым элементом является прямоугольный слот в подложке из материала FR-4 – стеклотекстолита на основе стекловолокна и эпоксидной смолы, который используется в электронике для производства печатных плат.
В слоте размещены три элемента: Т-образный выступ в перевернутом положении и два Е-образных выступа по бокам. Такая конфигурация создает несколько резонансных мод на разных частотах. Проще говоря, антенна объединяет свойства нескольких резонаторов в одном компактном корпусе.
Путем подбора размеров и взаимного расположения этих элементов при компьютерном моделировании исследователям удалось свести отдельные резонансные пики в единую широкую рабочую полосу.
Полученное устройство размером примерно 100×76 мм способно стабильно работать в диапазоне от 0,84 ГГц до 1,89 ГГц. Его максимальное усиление достигает 4,86 dBi. Это означает, что антенна концентрирует сигнал в основном направлении приема примерно в три раза эффективнее, чем обычная всенаправленная антенна.
Эта особенность позволяет надежно принимать сигналы от станций цифрового телевидения, GSM 900, GSM 1800 и других систем, работающих в этом частотном диапазоне.
Испытания, проведенные в безэховой камере, подтвердили соответствие расчетных и экспериментальных параметров. После подключения выпрямителя, преобразующего переменный радиочастотный сигнал в постоянное напряжение, коэффициент эффективности преобразования достиг почти 80%.
В перспективе подобные решения могут повысить автономность датчиков умного дома, промышленного оборудования и систем мониторинга окружающей среды, снизив зависимость от обычных батарей и упростив работу распределенных сенсорных сетей.