Полосовая щелевая антенна для сбора энергии из радиочастот

Энергия из воздуха

Наши дома, офисы и городские улицы заполнены невидимыми радиоволнами от мобильных телефонов, Wi‑Fi‑роутеров и вещательных вышек. В этой статье рассматривается способ использовать это вездесущее море сигналов и превратить его малую часть в полезное электричество. Тщательно перерабатывая небольшой металлический рисунок на печатной плате, авторы создают антенну, которая способна поглощать энергию из множества повседневных беспроводных диапазонов одновременно и передавать её низкопотребляющим устройствам, таким как датчики Интернета вещей (IoT) — потенциально сокращая нашу зависимость от одноразовых батарей.

Поймать сразу много сигналов

Работа исходит из простой идеи: раз радиоволны повсюду, почему бы не перерабатывать их в небольшой поток энергии? Сложность в том, что эти волны исходят от многих сервисов — сотовых сетей, телеэфира и беспроводных каналов передачи данных — и распределены по широкой полосе частот. Обычная антенна настроена на относительно узкий диапазон и потому упускает большую часть доступной энергии. Исследователи поставили цель спроектировать компактную «широкополосную» антенну, которая реагировала бы на большую часть этого спектра, особенно на перегруженную область примерно от 0,8 до 1,9 гигагерца, включающую популярные коммуникационные сервисы, используемые внутри помещений и на открытом воздухе.

Хитрый рисунок на небольшом участке

В центре конструкции — плоская медная форма, травленая на обычной стеклотекстолитовой плате. Вместо простой полосы или пластинки команда вырезает большой прямоугольный проём и заполняет его тщательно скоординированным рисунком: перевёрнутой буквой Т в центре и двумя зеркально отражёнными формами, напоминающими букву E, по бокам. Эти добавочные ответвления и ветви действуют как дополнительные пути для электрических токов, возникающих от приходящих волн. Корректируя их длины и расположение, авторы добиваются наложения нескольких естественных резонансов, так что структура сильно реагирует на широкую полосу частот, оставаясь при этом в пределах площади, меньшей длины волны самой низкой используемой частоты.

Настройка и испытания конструкции

Чтобы понять вклад каждой части рисунка, исследователи моделируют серию промежуточных вариантов, начиная с простого Т‑образного питания и постепенно добавляя боковые E‑формы и центральную перевёрнутую Т. Затем они варьируют ключевые размеры в компьютерных моделях, чтобы увидеть, как смещается рабочий диапазон. Это поэтапное подстроение показывает, что удлинение основной щели понижает наименьшую рабочую частоту, тогда как регулировка вертикального стержня перевёрнутой Т и ветвей E‑форм помогает объединить резонансы на более высоких частотах в гладкую непрерывную полосу. После выбора оптимальных размеров они изготавливают прототип и измеряют его характеристики в безэховой камере, имитирующей свободное пространство. Измеренные результаты близки к симуляциям: антенна обеспечивает хорошую работу примерно от 0,84 до 1,89 гигагерца, с достойным усилением и коэффициентом излучения выше 80 процентов.

От радиоволн к полезной энергии

Антенна сама по себе лишь собирает энергию; её нужно соединить с электроникой, превращающей переменную радиочастотную составляющую в постоянный ток. Команда подключает свою широкополосную антенну к специализированному выпрямителю на быстрых диодах и согласующих компонентах, образуя так называемую «ректенну». В реальных уличных испытаниях они направляют эту систему в сторону повседневных источников, таких как соседние базовые станции, и измеряют как радиоспектр, так и получаемое напряжение. Даже при обычных фоновых условиях объединённая система выдает около 0,44 вольта без внешней подзарядки, а лабораторные контролируемые измерения показывают, что при скромных входных мощностях, сопоставимых с теми, что дают удалённые передатчики, выпрямитель способен превращать почти четыре пятых собранной RF‑мощности в постоянный ток. Антенна также сохраняет чистую поляризацию и устойчивые диаграммы направленности по всей своей полосе, что помогает ей надёжно собирать энергию с разных направлений.

К сетям датчиков с меньшим количеством батарей

Вкратце, статья демонстрирует, что тщательно вылепленный металлический рисунок на стандартной печатной плате может сбалансировать противоречивые требования: он компактен, покрывает широкий диапазон частот и эффективно превращает рассеянные радиоволны в электричество в паре с согласующим выпрямителем. Хотя собираемая мощность невелика, она хорошо подходит для ультранизкопотребляющих узлов IoT, которые периодически просыпаются для передачи данных. Снижая расход батарей или позволяя некоторым устройствам работать вовсе без батарей, такие широкополосные антенны для сбора энергии могут сделать будущие сети датчиков более устойчивыми и проще в развёртывании в труднодоступных местах.

Цитирование: Yau, U., Tiang, J.J., Muhammad, S. et al. A wideband slot antenna for RF energy harvesting. Sci Rep 16, 10448 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41191-1

Ключевые слова: сбор энергии из радиочастот, широкополосная антенна, щелевая антенна, датчики Интернета вещей, ректенна