新型超表面天线将环境中无线电波转化为电能

       华盛顿——研究人员研发了一种新的超表面天线，它代表着从无线电波(如手机网络或蓝牙连接中使用的电波)中获取能量的技术实现重要突破。这项技术有可能为传感器、led和其他能耗低的简单设备提供无线电源。

     “通过取消有线连接和电池，这些天线可以帮助降低成本，提高可靠性，并使一些电子系统更高效，”南佛罗里达大学的研究团队负责人Jiangfeng Zhou说。“这将有助于为智能家居传感器供电，比如用于温度、照明和运动的传感器，或用于监测建筑或桥梁结构的传感器，在这些地方更换电池会很难或不可能。”

       相关研究结果发表在《Optical Materials Express》上，研究人员报告说，他们的新天线的实验室测试表明，它可以获得100微瓦的功率，足够从低功率无线电波中为简单的设备供电。因为用于制造天线的超材料对无线电波有完美的吸收作用，并且被设计在低强度下工作。

       制作样本并进行测量的团队成员Clayton Fowler说:“虽然需要做更多的工作来缩小天线，但我们的设备利用现实世界中的环境功率水平，高效地收获了100微瓦的功率，这是一个关键的门槛。”“这项技术还可以进行改造，这样无线电波源就可以为房间里的设备供电或充电。”

图1:研究人员在一个暗室中测试了他们的超材料天线。无线电波由左边的喇叭天线发出，由安装在右边木架上的超表面天线接收。

该消声室消除了来自其他源的背景信号，并防止来自无线电波源的杂散信号在房间内反弹并干扰测量。

图片来源: Jiangfeng Zhou and Clayton Fowler

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，但很难获得足够有用的能量。这种情况正在改变，这要归功于超材料的发展，以及环境中可用的无线电频率能源的不断增加，如手机网络、Wi-Fi、GPS和蓝牙信号。

     “随着基于无线电技术的快速发展，将会有大量的废弃电磁排放可以被收集，” Zhou说。“这与超材料的进步相结合，为新器件和应用创造了一个成熟的环境，并且这些新设备和应用可以收集并利用这些废弃能源。”

       经过精心设计结构的超材料与光波和无线电波相互作用，而这是自然材料无法做到的。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，这种材料允许高电压流过设备的二极管。这提高了它将无线电波转化为能量的效率，尤其是在低强度下。

在环境功率水平下进行测试 

      该设备尺寸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和频率时所获得的能量。 他们证明了新器件可以从每平方厘米0.4微瓦强度的无线电波中获取100微瓦能量，这大约是距离手机发射塔100米的无线电波强度的水平。 

   “我们还在通话时把手机放在离天线很近的地方，它可以捕捉到足够的能量，在通话期间为LED供电。”Zhou说。 “虽然从手机信号塔获取能量更实际，但这证明了天线获取能量的能力。” 

      由于目前的天线比它可能供电的大多数设备都要大得多，研究人员正在努力减小设备尺寸。 他们还想制造一种能同时从多种无线电波中收集能量的设备，这样就能收集更多的能量。 

论文：C. Fowler, S. Silva, G. Thapa, J. Zhou, “High Efficiency Ambient RF Energy Harvesting by a metamaterial Perfect Absorber,” Opt. Mater. Express Vol. 12, Issue 3, pp. 1242-1250 (2022)

报道来源：https://www.optica.org/en-us/about/newsroom/news_releases/2022/february/metasurface-based_antenna_turns_ambient_radio_wave/