Przełomowe wynalazki rodzą się obecnie w zaciszach laboratoriów. Opracowany w Japonii transceiver (telekomunikacyjne urządzenie elektroniczne będące jednocześnie nadajnikiem i odbiornikiem) może sprawić, że przekaźniki 5G i urządzenia IoT nie będą potrzebować baterii.
Dążenie do bezprzewodowego przesyłania energii elektrycznej na odległość jest celem inżynierów elektryków od końca XIX wieku. Wtedy to genialny Nikola Tesla bezskutecznie próbował opracować taką technologię. Dopiero w latach siedemdziesiątych inżynierowie z NASA i amerykańskiego Departamentu Energii odnieśli kilka znaczących sukcesów w bezprzewodowym przesyłaniu energii (wireless power transfer, WPT). Ich wysiłki były stymulowane przez ówczesne kryzysy energetyczne. Ale zainteresowanie tematem znacznie zmalało, gdy źródeł taniej energii znowu było pod dostatkiem.
Jednak teraz, wraz z pojawieniem się technologii 5G i możliwością nadawania na wysokich częstotliwościach w zakresie fal milimetrowych, przed WPT otwierają się nowe możliwości. Naukowcy z Tokyo Institute of Technology opracowali prototyp 64-elementowego transceivera z układem fazowym w paśmie fal milimetrowych, który może wysyłać i odbierać dane, jednocześnie otrzymując energię.
Transceiver zasilany bezprzewodowo odmieni 5G i Internet rzeczy
Celem jest wykorzystanie nadajnika-odbiornika na początku jako przekaźnika 5G, a później zintegrowanie go z urządzeniami Internetu rzeczy (IoT). Atsushi Shirane, główny badacz projektu, mówi, że to umożliwi urządzeniom tego typu pozbyć się baterii, wtyczek i kabli. To oznacza urządzenia mniejsze, bardziej praktyczne i zdolne do szybszej komunikacji, z potencjalnie znacznie zmniejszonymi kosztami utrzymania.
Shirane zauważa, że transceiver pokonał dwie główne przeszkody, które udaremniły dotychczasowe podobne wysiłki badawcze, oparte na antenach prostowniczych (rectenna). Problemem do tej pory był krótki dystans transmisji i stały kierunek, z którego można odbierać moc. Japoński naukowiec powiedział: „co więcej, jest to pierwsze urządzenie ze sterowaniem wiązką za pomocą przesunięcia fazowego, które umożliwia równoczesny odbiór energii i danych telekomunikacyjnych”. Shirane przedstawił wyniki pracy zespołu na 2022 IEEE Symposium on LSI Technology & Circuits, które odbyło się w Honolulu na Hawajach. O podobnym odkryciu pisaliśmy już na naszym blogu w tekście „Bezprzewodowe ładowanie urządzeń przez sieć 5G”.
Przednia strona japońskiego transceivera to 64-elementowa fazowana sieć anten ułożonych w czterech kwadrantach. Z tyłu znajduje się elastyczna płytka drukowana, mieszcząca cztery wykonane na zamówienie układy scalone o częstotliwości radiowej, każdy indywidualnie podłączony do jednego z czterech kwadrantów antenowych. Układy scalone są zintegrowane w matrycy 8 na 8 i działają jako w pełni pasywna jednostka. Każdy układ zawiera przesuwnik fazowy, umożliwiający sterowanie wiązką, oraz prostownik. Wyjścia zasilania i komunikacji prostownika podłączone są do urządzenia aplikacyjnego.
Transceiver ma dwa tryby pracy
W trybie odbioru stacja bazowa transmituje 28-gigahercowy sygnał komunikacyjny i 24-gigahercowy sygnał bezprzewodowego przesyłu energii. Oba są jednocześnie odbierane przez cztery kwadranty anten i przesyłane do odpowiednich układów nadajnika-odbiornika. Sygnał WPT aktywuje urządzenie, a zarówno sygnał komunikacyjny, jak i sygnał zasilający, są przesunięte w fazie, aby umożliwić precyzyjne sterowanie przestrzenne wiązką do plus minus 45 stopni.
Sygnały są przesyłane do 16-drożnego sumatora mocy, który wyrównuje fazy i wytwarza wspólne wyjście, co ułatwia zwiększenie odległości transmisji. Prostownik przekształca następnie sygnał WPT w prąd stały do zasilania aplikacji, natomiast sygnał komunikacyjny 28 GHz jest konwertowany w dół do częstotliwości pośredniej – na przykład 4 GHz – aby ułatwić zarządzanie aplikacją. Odwrotny proces zachodzi w trybie transmisji, gdzie sygnał pośredni 4 GHz jest konwertowany w górę do 28 GHz i wysyłany z powrotem – w tym samym kierunku, z którego został odebrany przy użyciu wstecznego rozpraszania.
Następny krok: więcej anten i wyższe częstotliwości
Shirane wyjaśnia, że wydajność WTP zależy od liczby elementów antenowych i mocy wyjściowej stacji bazowej. Prototypowy nadajnik-odbiornik z 64 antenami produkował 1 miliwat.Nadal generował 46 procent swojej mocy na odległość cztery i pół metra, nawet przy odbiorze pod kątem plus minus 45 stopni. Naukowiec szacuje, że układ złożony z 1024 elementów wygenerowałby 10 mW.
Po zweryfikowaniu, że koncepcja jest słuszna, naukowcy pracują obecnie nad wyprodukowaniem transceiverów z większą liczbą macierzy i wyższymi częstotliwościami. To powinno pozwolić zwiększyć moc wyjściową oraz prędkość i odległość komunikacji.
Shirane powiedział, że „jako pierwszy krok w kierunku komercjalizacji zamierzamy zastosować tę technologię jako bezbateryjny transceiver przekaźnikowy 5G, aby rozszerzyć zasięg obszaru usług komunikacji 5G na falach milimetrowych. A po zwiększeniu wytwarzania prądu stałego, transceiver może być również zaadaptowany do bezbateryjnych urządzeń IoT”.
Amerykańskie wojsko też oczywiście interesuje się podobną technologią. O testach przeprowadzanych w Stanach pisaliśmy na naszym blogu w tekście „Marynarka Wojenna USA przesyła prąd na odległość”.
Źródło: IEEE Spectrum