Aprovechan la energía de alta frecuencia de las redes 5G para cargar dispositivos sin necesidad de baterías y cables

Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han descubierto una forma innovadora de aprovechar la sobrecapacidad de las redes 5G, convirtiéndolas en "una red eléctrica inalámbrica" ​​para alimentar dispositivos de Internet de las cosas (IoT) que hoy en día necesitan baterías para funcionar. (Ver documento)

Los investigadores de Georgia Tech han desarrollado un sistema flexible de antena rectificadora (rectenna) basado en lentes Rotman capaz, por primera vez, de recolectar ondas milimétricas en la banda de 28 GHz. (La lente Rotman es clave para las redes de formación de haces y se usa con frecuencia en los sistemas de vigilancia por radar para ver objetivos en múltiples direcciones sin mover físicamente el sistema de antena).

Pero para recolectar suficiente energía para suministrar dispositivos de baja potencia a grandes distancias, se requieren antenas de gran apertura. El problema con las antenas grandes es que tienen un campo de visión más estrecho. Esta limitación impide su funcionamiento si la antena está muy dispersa desde una estación base 5G.

"Hemos resuelto el problema de poder mirar solo desde una dirección con un sistema que tiene un amplio ángulo de cobertura", dijo la investigadora principal Aline Eid en el laboratorio ATHENA, establecido en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática de Georgia Tech.

El 5G actual se creó para la comunicación de gran ancho de banda, sin embargo la red de alta frecuencia ofrece una gran oportunidad para "recolectar" energía no utilizada que de otro modo se desperdiciaría.

**Aprovechando la energía de alta frecuencia 5G  **

“Con esta innovación, podemos tener una antena grande, que funciona a frecuencias más altas y puede recibir energía desde cualquier dirección. Es independiente de la dirección, lo que lo hace mucho más práctico”, señaló Jimmy Hester, asesor senior de laboratorio y director de tecnología y cofundador de Atheraxon, una empresa derivada de Georgia Tech que desarrolla la tecnología de identificación por radiofrecuencia (RFID) 5G.

Con la solución de Georgia Tech, toda la energía electromagnética recolectada por los conjuntos de antenas de una dirección se combina y alimenta a un solo rectificador, lo que maximiza su eficiencia.

“La gente ha intentado recolectar energía a altas frecuencias como 24 o 35 Gigahertz antes”, dijo Eid, pero tales antenas solo funcionaban si tenían línea de visión con la estación base 5G; no había forma de aumentar su ángulo de cobertura hasta ahora.

Operando como una lente óptica, la lente Rotman proporciona seis campos de visión simultáneamente en un patrón con forma de araña. El ajuste de la forma de la lente da como resultado una estructura con un ángulo de curvatura en el lado del puerto del haz y otro en el lado de la antena. Esto permite que la estructura mapee un conjunto de direcciones de radiación seleccionadas a un conjunto asociado de puertos de haz. Luego, la lente se usa como un componente intermedio entre las antenas receptoras y los rectificadores para la recolección de energía 5G.

Este enfoque novedoso aborda el compromiso entre la cobertura angular de la rectenna y la sensibilidad de encendido con una estructura que fusiona técnicas únicas de combinación de radiofrecuencia (RF) y corriente continua (CC), lo que permite un sistema con alta ganancia y gran ancho de haz.

En las demostraciones, la tecnología de Georgia Tech logró un aumento de 21 veces en la potencia recolectada en comparación con una contraparte de referencia, al tiempo que mantuvo una cobertura angular idéntica.

Este sistema robusto puede abrir la puerta a una nueva RFID pasiva, de largo alcance, con tecnología 5G de onda milimétrica para aplicaciones de IoT portátiles y ubicuas. Los investigadores utilizaron la fabricación aditiva interna para imprimir las cosechadoras de ondas milimétricas del tamaño de la palma de la mano en una multitud de sustratos rígidos y flexibles de uso diario. Proporcionar opciones de impresión 3D y de inyección de tinta hará que el sistema sea más asequible y accesible para una amplia gama de usuarios, plataformas, frecuencias y aplicaciones.

**Reemplazo de baterías con carga inalámbrica **

“El hecho es que 5G estará en todas partes, especialmente en áreas urbanas. Puede reemplazar millones, o decenas de millones, de baterías de sensores inalámbricos, especialmente para ciudades inteligentes y aplicaciones agrícolas inteligentes”, dijo Emmanouil (Manos) Tentzeris , profesor dee Electrónica Flexible en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática.

Tentzeris predice que la energía como servicio será la próxima gran aplicación para la industria de las telecomunicaciones, justo cuando los datos superaron a los servicios de voz como un importante productor de ingresos.

El equipo de investigación está muy entusiasmado con la perspectiva de que los proveedores de servicios adopten esta tecnología para ofrecer energía a demanda "por aire", eliminando la necesidad de baterías.

“He estado trabajando en la recolección de energía de manera convencional durante al menos seis años, y durante la mayor parte de este tiempo no parecía que hubiera una clave para hacer que la recolección de energía funcionara en el mundo real, debido a los límites de la FCC en la emisión de energía y focalización”, dijo Hester. “Con la llegada de las redes 5G, esto podría funcionar y lo hemos demostrado. Eso es muy emocionante: podríamos deshacernos de las baterías".

Este trabajo fue apoyado por el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea y la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) - Programa de Fronteras Emergentes en Investigación e Innovación. El trabajo se realizó en parte en el Georgia Tech Institute for Electronics and Nanotechnology, miembro de la Infraestructura Nacional Coordinada de Nanotecnología (NNCI), que cuenta con el apoyo de la NSF.