用于5G应用的高效整流天线新设计

为什么“空中取电”很重要

每年有数十亿台小型设备——从环境传感器到智能标签——接入互联网。用一次性电池为它们供电既昂贵又不便，而且造成浪费。这项研究探讨了另一种途径：利用已经充斥空中的5G信号为低功耗设备供电。作者设计并测试了一种紧凑电路，称为整流天线（rectenna），它可以捕获3.5 GHz的5G电磁波并将其转换为可用的直流电，旨在为物联网提供实用且低成本的能量收集方案。

把5G信号变成可用电能

这项工作的核心是一套将天线与电子整流器结合的微型系统，使入射的无线电波被直接转换为直流电压。天线调谐到5G网络广泛使用的3.5 GHz频段，而整流器以快速肖特基二极管为核心，之所以选择这种二极管，是因为它对高频信号的响应快且能量损失小。研究人员将这两部分协同设计而非各自为政，特别关注天线将功率传递给二极管的匹配情况。把这个电气“握手”做到位至关重要：即便天线设计良好，如果与整流器匹配不当，捕获的大部分能量仍将被浪费。

为嘈杂环境塑造微型天线

为能量收集而设计天线不同于为高速数据链路设计。这里的优先项是围绕目标频率的稳定响应、小尺寸，以及连接到非线性整流电路时的良好表现。研究团队从标准低成本线路板（FR-4）上的简单矩形贴片入手，逐步修改其形状。他们加入了一个中央槽以将工作频率向3.5 GHz上拉，然后在原始贴片上方放置了一个菱形金属区，并用弧形线连接以平滑电流流动。在该菱形上雕刻的额外槽用于微调天线的电长度并抑制不需要的谐振。对已制成原型的测量证实，最终设计在围绕3.5 GHz的11%带宽内保持良好调谐，并以适合移动5G环境的方向图进行辐射。

对功率转换器进行精细调校

在电路方面，作者先估算了肖特基二极管在3.5 GHz时的行为，然后使用考虑其非线性特性的高级仿真对细节进行优化。他们增加了一个匹配网络——本质上是一组精心设计尺寸的金属走线——以消除二极管的容抗分量，使天线在工作频率处“看到”近乎理想的50欧负载。随后一个低通滤波器阻隔剩余的高频分量，同时将收集到的直流功率传输到输出负载。实验证明，在目标频率处，入射功率被高效地传递给整流器，反射降至几乎可忽略的水平，这是从微弱环境信号中获取尽可能多电能的关键要求。

为真实设备寻找最佳点

因为整流天线最终要为真实电子设备供电，团队研究了输出负载如何影响性能。他们在3到9 kΩ之间变化一个简单电阻，这一范围是超低功耗物联网电路的典型值，并在广泛输入功率范围内测量了电压和转换效率。当入射功率高于非常微弱水平（约−15 dBm）时，5 kΩ成为最佳折衷，能提供最高的总体效率。在这些条件下，原型在0 dBm输入时测得最高可达0.91 V——低于理想化仿真结果，但遵循相同的总体趋势。剩余差距可归因于不可避免的实际损耗，例如线路板损耗、焊接公差以及二极管封装的具体行为等。

这对未来小设备意味着什么

这项工作表明，使用标准电路材料构建的简单低成本整流天线可以可靠地利用3.5 GHz的5G信号并将其转换为微电子设备可用的直流电。虽然在极低信号水平下效率仍会下降，但该设计在性能、尺寸和可制造性之间提供了平衡，并且在更接近现实5G网络条件而非理想实验环境下工作。对普通用户而言，这指向了一个未来：许多小型联网对象可能在现有无线基础设施下悄然为自己充电，减少更换电池的频率，并有助于大型传感网络更可持续地运行。

引用: hamadi, H.B., Ghnimi, S., Karoui, M.S. et al. New design of a high-efficiency rectenna for wireless power transfer in 5G applications. Sci Rep 16, 12573 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43603-8

关键词: 无线能量传输, 5G能量收集, 整流天线, 物联网, 射频到直流转换