你将学习:
- 佐治亚理工学院的团队是如何克服某些限制，开发出一种能在28 ghz波段收集能量的天线的?
- 罗特曼镜头在这一切发生的过程中扮演了关键角色。
- 基于透镜的整流天线的测试结果。
在所有正在进行的5G活动中，即使是非5G应用也会寻求方法来利用和利用一些相关的技术进步和能源(比喻和字面意义上的)。这就是佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology，佐治亚理工学院)的一个团队通过一种创新的天线和功率采集器组合实现的，该组合旨在有效地捕获和校正28 ghz 5G频段的一些环境能量。通过减少甚至可能消除对电池的需求，这将很好地适合许多较小规模的应用，如物联网设备。
这种天线(称为“整流天线”)的想法并不新鲜。然而，由于一些困难的技术现实和权衡，要想在28ghz下运行良好是一个挑战。一方面，尽管在这些更高的频率下会有高的路径损耗，但需要一个更大的高增益天线来捕获有意义的射频能量，但这样的天线有一个狭窄的角度视场。
虽然可以使用一个小天线元件的基本阵列，每个元件都作为整流天线，然后结合它们的直流输出，但这种明显的方法不会增加整流天线整体系统的接通灵敏度(最低接通功率)，从而提高其有用功能的阈值。
为了克服整流器角度覆盖和开启灵敏度之间的限制权衡，以及其他限制，该团队在天线和整流器之间合并了一个独特版本的罗特曼“镜头”。这种以自己名字命名的透镜本身并不新鲜:它是由沃尔特·罗特曼(Walter Rotman)在20世纪60年代引入的，是波束形成网络最常见和最经济的设计之一(见下面的参考)．
透镜允许形成多个天线波束，而不需要开关或移相器。在过于简化的术语中，波束端口的位置是这样的，即在天线端口上实现恒定的相移，天线元件的馈电相位在一行上线性变化。因此，它的行为就像相控阵．(这种透镜的一个重要特性是，即使它有许多连接的50个-Ω端口，它们是孤立的，因此不会影响相邻光束的损耗或噪声系数。)
“我们解决了一个系统只能从一个方向观察的问题，这个系统的覆盖角度很广，”乔治亚理工学院电子与计算机工程学院雅典娜实验室的高级研究员Aline Eid说，该实验室旨在推进和开发用于电磁、无线、射频、毫米波和亚太赫兹应用的新技术。
从子数组开始
项目团队从天线子阵开始设计。多个这样的子阵列、整流器和直流组合器，然后被用来演示大角度覆盖和接通灵敏度。在众多的数据点中，它们在当前配置下显示了高达2.83米的收获能力，预计在180米处的直流功率约为6 μW，有效各向同性辐射为75 dbm权力(附近)。此外，该系统具有非常低的外形，以符合诸如墙壁、车身、车辆和其他设备的表面。
基于他们对子阵单元的数量和大小以及可用材料的详细分析，他们得出结论，由8个天线和6个波束端口组成的子阵组合提供了5.95 dB的高阵因子和120°总角覆盖之间的接近最佳的折衷方案。同时保持合理数量的天线和波束端口。该设计印在覆有铜的柔性液晶聚合物基板(εr= 3.02)，使用喷墨打印掩蔽技术，然后蚀刻(图1)．
基于镜头的整体系统
系统整体架构(图2)有8个天线子阵列从一侧连接到罗特曼透镜上，面对6个整流器在另一侧，使用MACOM MA4E2038肖特基势垒二极管实现直流串行组合。
基于rotman的整流天线在−6 dBm/cm以下开启2该团队表示，与已发表的文献中的其他设备相比，这种设备相当不错。在相同的采集角度下，在距离天线源喇叭天线25厘米的范围内，在27.8 - 29.6 GHz的范围内，测量了整流天线的输出电压。
东芝1SS384TE85LF旁路二极管被用于直流合成器设计中，以在接收非常低或接近零射频功率的所有其他整流器周围创建一个低阻电流路径(图3)．当只有一个二极管打开时，这种拓扑结构是最佳的，这可以假设一个单一的、主要的电源从一个给定的方向辐射这个特定的设计。
这个简化的示意图只有四个二极管。不同的颜色突出的路径，电流将采取的每一种情况下，当一个射频二极管打开“ON”，而串行连接二极管是“OFF”。这种直流合成器是在一个柔性的，125-μm薄的聚酰亚胺Kapton衬底上制作的，并通过一系列单一连接器连接到基于罗特曼透镜的整流天线，使整个系统完全灵活和可弯曲。与现有设计相比，直流合成器使用了较少的旁路二极管数量，并将系统的角度覆盖范围提高了30%以上。
为了验证在凸凹弯曲条件下的性能，将基于透镜的整流天线放置在距离发射机70 cm处不同曲率的柱面上，以28.5 GHz的频率发送功率为25 dBm(图4)．电压是使用1-kΩ负载收集的平面和三种弯曲条件下的源的入射角。
图中显示了系统清除和整流能力的良好一致性和稳定性，即使有几个子系统暴露在翘曲和弯曲压力下:天线子阵、罗特曼透镜和整流器。在边缘处有轻微的衰减，但系统在其他方面不受弯曲的影响。这一特性使其非常适合用于可穿戴设备、智能手机和物联网节点的适形5G能量采集器。
该基于透镜的整流天线用于更长的距离采集，使用了高性能天线系统，该系统带有一个19 dbi锥形喇叭天线和一个300毫米直径的PTFE介质透镜(用于高指向性)，提供额外的10 db增益。发射功率为25 dBm(相关EIRP约为54 dBm)，对应于约为−6 dBm/cm的入射功率密度2，基于透镜的整流天线显示在开放负载条件下的扩展范围为2.83米，输出电压约为10 mV。研究人员认为，这是迄今为止在毫米波频率下进行的距离最长的天线演示。
该项目得到了美国空军研究实验室和国家科学基金新兴前沿研究(EFRI)计划的支持。完整的细节在这篇由三名作者撰写的论文中，论文的标题令人费解。5G作为无线电网”发表在自然科学报告．(个人观点:虽然这篇论文确实有所有想要的细节、数据和参考文献，但我发现它有点难以理解;它需要更好的组织、布局、句子清晰、故事流程，以及更短的段落。)
参考文献
微波和射频”,罗特曼透镜公司的电子束转向瞄准5G信号”
W·罗特曼和r·f·特纳线源应用广角微波透镜，"IEEE天线与传播汇刊， 11(6)页，623-632,1963。
W.罗特曼，美国专利3170158多波束雷达天线系统”
微波101”,罗特曼镜头”
