Metasurface Rectenna Array for Wireless Energy Harvesting from 5G Communicationsสายอากาศพื้นผิวอภิวัสดุจัดเรียงกระแสแถวลำดับสำหรับเก็บเกี่ยวพลังงานไร้สายจากการสื่อสาร 5G

Abstract

บทความนี้นำเสนอแนวทางใหม่ในการเก็บเกี่ยวพลังงานไร้สายผ่านการใช้สายอากาศพื้นผิวอภิวัสดุและวงจรจัดเรียงกระแสที่ออกแบบมาในรูปแบบอาร์เรย์ขนาด 4×4 ประกอบด้วย สายอากาศ 16 ตัว และวงจรจัดเรียงกระแส 32 วงจร โดยมีจุดประสงค์เพื่อเก็บพลังงานไร้สายจากสถานีฐาน 5G ที่ความถี่ 2.6 GHz สายอากาศได้รับการออกแบบชนิดแขวนลอยพร้อมแผ่นแพร่กระจายคลื่นแบบวงกลม มีลักษณะโพลาไรซ์เชิงเส้นคู่ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการรับคลื่นและเหมาะกับระบบ 5G สำหรับชั้นวางซ้อน หน่วยเซลล์ถูกสร้างในรูปแบบ วงแหวนหกเหลี่ยมขนาด 3×3 ซึ่งช่วยเพื่อให้การแพร่กระจายคลื่นเป็นไปในลักษณะเจาะจงทิศทาง และให้ค่าอัตราขยายสูงกว่า 9 dBi สำหรับทั้งสองโพลาไรซ์ที่ความถี่ 2.6 GHz วงจรจัดเรียงกระแสเลือกใช้ไดโอดชอตต์กี้รุ่น SMS7360 ซึ่งมีประสิทธิภาพการแปลงกำลังงานเท่ากับ 26.7% และสามารถสร้างแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงได้สูงสุด 1.53 V เมื่อได้ระดับกำลังงานด้านเข้า 4 dBm และมีค่าความต้านทานเท่ากับ 3 kΩ จากการทดสอบสายอากาศพื้นผิวอภิวัสดุอาร์เรย์ 4×4 พบว่า การเชื่อมต่อวงจรแบบอนุกรมและแบบขนาน สามารถสร้างแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงได้สูงสุดได้เท่ากับ 9.78 V และ 0.42 V ตามลำดับ โดยวัดจากด้านหลังของสายอากาศ 5G มีระยะ 3.5 เมตร งานวิจัยนี้แสดงถึงศักยภาพของสายอากาศพื้นผิวอภิวัสดุจัดเรียงกระแสแถวลำดับสำหรับเก็บเกี่ยวพลังงานไร้สายอย่างมีประสิทธิภาพในระบบ 5G โดยเน้นค่าอัตราขยายสูงของสายอากาศและความสามารถการแปลงกำลังงานของวงจรจัดเรียงกระแส

This article introduces a novel approach to wireless energy harvesting using a metasurface antenna array and rectifier circuits, designed in a 4×4 array configuration consisting of 16 antennas and 32 rectifier circuits. The system is aimed at harvesting wireless energy from 5G base stations operating at a frequency of 2.6 GHz. The antennas are designed with a suspended structure and circular radiating plate, featuring dual-linear polarization to enhance signal reception and ensure compatibility with 5G systems. For the superstate layer, unit cells are arranged in a 3×3 hexagonal ring pattern, enabling unidirectional radiation and achieving a gain exceeding 9 dBi for both polarizations at the 2.6 GHz. The rectifier circuits utilize SMS736 Schottky diodes, offering a conversion efficiency of 26.7% and generating a maximum DC voltage of 1.53 V under an input power of 4 dBm with a load resistance of 3 kΩ. Experimental evaluation of the 4×4 metasurface antenna array revealed that series and parallel connections of the rectifier circuits produced maximum DC voltages of 9.78 V and 0.42 V, respectively, at a distance of 3.5 meters from the rear of the 5G antenna. This work demonstrates the potential of metasurface-based rectenna arrays for efficient wireless energy harvesting in 5G applications, highlighting their high gain performance and effective energy conversion capabilities.