能将环境无线电波转换为能量的超表面天线

研究人员发明了一种新型超表面天线，有望实现从无线电波（如手机网络、蓝牙所使用的电波）中获得能量。这项技术有可能实现传感器、LED和其他能低耗、简单设备的无线充电或供电。

“这种天线免除了有线连接和电池的烦恼，有助于降低成本、提高可靠性、提高电子系统的效率。”南佛罗里达大学的研究团队负责人Jiangfeng Zhou说。“同时还可用于温度、照明和运动传感器等智能家居传感器的供电，或者用于监测建筑、桥梁结构的传感器等很难甚至几乎不可能更换电池的场景中。”

文章发表于Optical Materials Express。研究人员在文中提到，实验室测试表明这种新天线能从低功率无线电波中捕获到100微瓦的功率，足以为简单的设备供电。超材料的使用是天线对无线电波完美吸收，同时能在在低强度下工作的关键。

制作样品、并对其进行测试的团队成员Clayton Fowler说：“尽管下一步仍需要努力缩小天线体积，但我们所研发的设备已经能利用现实世界中的环境功率水平，高效捕获100微瓦的功率。这是里程碑式的成果。假以对此项技术进行进一步改进，就可以实现通过无线电波源为房间里的设备供电或充电。”

图1 研究人员在吸波暗室中对超材料天线进行了测试：左边的喇叭天线发出无线电波，由安装在右边木架上的超表面天线接收。该吸波暗室消除了其他源发出的背景信号，且能防止无线电波源的杂散信号在房间内反射、干扰测量

从空气中获取能量

很长一段时间以来，科学家们一直试图从无线电波中获取能量，然而却很难捕获到足够多、可供实际应用的能量。得益于超材料的发展、以及手机网络、Wi-Fi、GPS和蓝牙信号等环境中可用的无线电频率能源的不断增加，这一局面有望被改变。

“伴随着无线电波相关技术的巨大发展，产生了大量的可被收集的废弃电磁排放。” Zhou说。“再加上超材料技术的进步，这两点因素的结合为可收集、使用这些废弃能源的新设备、新应用创造了一个成熟的环境。”

超材料能借助小型、经过精心设计的结构与光波、无线电波相互作用，这一点是自然材料所无能为力的。为了制造能量收集天线，研究人员使用了一种专为高吸收无线电波而设计的超材料，能使更高的电压流过设备的二极管。这提高了其将无线电波转化为能量的效率，特别是在低强度下的效率。

在环境功率水平下进行的测试

该设备体积为16厘米× 16厘米，在实验室测试中，研究人员测量了在0.7 ~ 2.0 GHz之间改变射频电源的功率、频率时，设备所捕获的能量。他们展示了从每平方厘米0.4微瓦强度的无线电波中获取100微瓦能量的能力，无线电波强度约相当于距离手机发射塔100米的水平。

“我们还将一个在通话中的手机放到距离天线非常近的地方，结果证明天线在通话期间捕捉到了足够为LED供电的能量。” Zhou说。“尽管在实际应用中从手机信号塔中捕获能量更为实际，但这一测试证明了天线强有力的能量捕获能力。”

目前天线的体积要远大于其计划供电设备的体积，因此研究人员正在致力于缩小电线体积。他们还希望研发一种能同时从多种无线电波中收集能量的天线，以收集更多能量。