Catturiamo l’energia del 5G!

La nostra epoca sta assistendo a un rapido sviluppo nel campo delle tecnologie Internet of Things (IoT) con una proiezione di 40 miliardi di dispositivi IoT entro il 2025. Questo potrebbe comportare un enorme numero di batterie che devono essere continuamente caricate e sostituite. La progettazione e la realizzazione di sistemi energeticamente autonomi e autoalimentati è quindi altamente auspicabile. Un modo potenziale di soddisfare questi obiettivi è attraverso la raccolta di energia elettromagnetica. Il 5G è stato progettato per comunicazioni incredibilmente veloci e a bassa latenza. Per fare questo si utilizza una densità di potenza irradiata senza precedenti. Inconsapevolmente, gli architetti del 5G hanno quindi creato una rete di alimentazione wireless in grado di alimentare dispositivi a intervalli che superano di gran lunga le capacità di qualsiasi tecnologia esistente. In questo articolo proponiamo una soluzione che rompe il solito paradigma, imprigionato nel trade-off tra la copertura angolare della rectenna e la sensibilità di accensione.

Introduzione

Già in passato le persone hanno tentato di raccogliere energia ad alte frequenze, ma sono state limitate dalla necessità di avere un contatto visivo con la base emittente. Non c'era modo di aumentare la copertura. I ricercatori del Georgia Institute of Technology, nello studio che presentiamo, dimostrano un'implementazione completa di un sistema interamente flessibile, resistente alla flessione e contemporaneamente ad alto guadagno e grande copertura angolare per la raccolta di energia, che altrimenti andrebbe sprecata, dalle antenne 5G. Questo sistema si basa sulle lenti di Rotman.

La lente di Rotman

La lente di Rotman, introdotta nel 1960, costituisce uno dei disegni più comuni ed è comunemente utilizzato per abilitare il sistema multibeam phased array; un sistema phased array consiste semplicemente in un sistema che contiene un certo numero di elementi separati alloggiati in un solo chassis. Con il termine fasatura ci si riferisce alle modalità trasmissive sequenziali di questi elementi. Quindi, si può regolare adeguatamente la forma della lente di Rotman secondo l'approssimazione dell'ottica geometrica con l'obiettivo di focalizzare le onde piane che impattano su di essa. Sono i dispositivi di attrazione utilizzati dalle reti di beamforming (BFN). Queste lenti sono generalmente utilizzate nel radar sistemi di sorveglianza per vedere gli obiettivi in più direzioni senza spostare fisicamente l'antenna, grazie alla capacità multibeam. Oggi, queste lenti sono integrate in molti radar e sistemi di guerra in tutto il mondo. Gli array di lenti sono gruppi speciali di reti di beamforming. Il dispositivo che produce informazioni dinamiche di alimentazione per un'apertura è chiamato una rete di beamforming (BFN). La rete di beamforming consiste solitamente in un numero di porte d'ingresso ed un numero di porte di uscita che sono soggette ad alimentare un certo numero di elementi dell'array. Il layout tipico è mostrato nella Figura 1.

Figura 1: rete di BFN ( Credit: A Review on the Development of Rotman Lens Antenna Shruti Vashist, M. K. Soni, and P. K. Singhal)

Figura 1: Rete di BFN (Credit: A Review on the Development of Rotman Lens Antenna Shruti Vashist, M. K. Soni, and P. K. Singhal)

Un BFN produce un segnale di ampiezza voluta e distribuzioni di fase attraverso ogni porta d'ingresso, in modo che i fasci possano essere inviati in diversi angoli. Una rete di beamforming può essere planare o tridimensionale, a seconda del requisito di apertura. Di solito, 2D BFN produce fasci a ventaglio orientabili 2D, mentre la BFN 3D genera fasci a matita orientabili 3D. Condividono alcune somiglianze con le lenti dielettriche (lenti elettromagnetiche realizzate in materiale dielettrico) e antenne a riflettore da un lato, e con gli array di antenne dall'altro. La loro funzione è quella di formare fasci in più direzioni che corrispondono alla posizione delle antenne di alimentazione sulla superficie focale. Il nome deriva dal fatto che un'onda incidente su una faccia dell'array non obbedisce necessariamente alla legge di Snell quando passa attraverso l'array di lenti. È invece costretto a seguire i percorsi della linea di trasmissione. A differenza delle lenti dielettriche o delle antenne, gli array di lenti effettuano la loro collimazione (trasmissione) e la messa a fuoco (ricezione) in modo discreto, utilizzando array di antenne. Una importante caratteristica è che l'angolo di puntamento del fascio è indipendente dalla frequenza della lente. Le lenti a microonde supportano l'errore di una bassa fase, la banda larga e la scansione grandangolare. Sono i dispositivi TTD (True Time Delay) che producono una guida del fascio indipendente dalla frequenza. Le lenti stampate emergenti negli ultimi anni hanno facilitato l'avanzamento di progettazione di prestazioni elevate ma di basso profilo, leggerezza e piccole dimensioni e reti (BFNs). Poiché la lente è in grado di focalizzare l'energia proveniente da una data direzione nella sua porta del fascio geometricamente associata, lo schema proposto dai ricercatori del Georgia Institute of Technology per la ricevente carica ciascuna di queste porte con un rettificatore, incanalando così l'energia proveniente da qualsiasi direzione verso uno dei rettificatori.

Il beamforming e la "cattura" di un'onda

La lente Rotman in Figura 2 permette quindi di formare più fasci d'antenna senza bisogno di interruttori o sfasatori. Gli elementi dell'antenna sono collegati al lato destro nella figura qui sotto, con le porte del fascio collegate a sinistra. Si può pensare alla lente come a un circuito quasi-microstrip (o quasi-stripline) dove le porte del fascio sono posizionate in modo tale da ottenere spostamenti di fase costanti alle porte dell'antenna. Cosa succede quando gli elementi dell'antenna sono alimentati a fasi che variano linearmente attraverso una fila? Si comporta proprio come un phased array! Una lente ben progettata può avere solo 1 dB di perdita.

Figura 2: Lente di Rotman ( Credit:  W. Rotman and R.F. Turner, "Wide Angle Microwave Lens for Line Source Applications," IEEE Transaction on Antennas and Propagation, 11(6) pp. 623-632, 1963 )

Figura 2: Lente di Rotman (Credit:  W. Rotman and R.F. Turner, "Wide Angle Microwave Lens for Line Source Applications," IEEE Transaction on Antennas and Propagation, 11(6) pp. 623-632, 1963)

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2 Commenti

  1. Giuseppe Garofalo 26 Aprile 2022
    • Maila Agostini 6 Maggio 2022

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