Ректенна: устройство и применение¶
Ректенна — устройство, предназначенное для приёма электромагнитной энергии и преобразования её в постоянный электрический ток. Термин образован от англ. rectifying antenna («выпрямляющая антенна»). Ректенна объединяет приёмную антенну и выпрямитель (детектор), что позволяет использовать её в системах беспроводной передачи энергии (WPT, wireless power transfer).
¶Устройство и принцип действия
Классическая ректенна состоит из двух основных частей:
- Антенна — принимает электромагнитное излучение. Чаще всего используются дипольные, патч-антенны или антенные решётки, рассчитанные на рабочую частоту (от десятков мегагерц до десятков гигагерц).
- Выпрямитель — преобразует переменный ток, наведённый в антенне, в постоянный. Для этого применяются диоды Шоттки, обладающие низким падением напряжения и высокой скоростью переключения.
Дополнительно в состав ректенны могут входить фильтры (для подавления высших гармоник), согласующие цепи и накопительные конденсаторы. КПД ректенны зависит от частоты, мощности падающей волны и качества согласования антенны с выпрямителем. На практике КПД современных ректенн достигает 50–80 % при оптимальных условиях.
¶Виды ректенн
По конструкции и применению выделяют:
- Одиночные ректенны — компактные приёмники для питания маломощных датчиков и электроники.
- Ректенные решётки — массивы из множества элементов, объединённых для приёма большой мощности (например, в проектах солнечных космических электростанций).
- Широкополосные ректенны — рассчитаны на приём излучения в широком диапазоне частот, что актуально для сбора энергии радиосигналов (energy harvesting).
¶Применение
Основная область использования ректенн — системы беспроводной передачи энергии. Они применяются в следующих направлениях:
- Питание маломощных устройств — беспроводные датчики, системы RFID, имплантируемые медицинские приборы, элементы «интернета вещей».
- Дистанционная подзарядка — передача энергии на дроны, роботов и мобильные устройства на небольшие расстояния.
- Космическая энергетика — концепция солнечных электростанций на орбите предполагает передачу собранной энергии на Землю микроволновым лучом с последующим приёмом ректенными полями.
- Специальные проекты — исторический эксперимент 1975 года в Голдстоуне (США), где ректенна приняла микроволновый луч мощностью около 30 кВт и преобразовала его в постоянный ток, а также канадский проект SHARP по питанию беспилотного летательного аппарата.
В России разработкой ректенн занимаются в рамках исследований по беспроводной передаче энергии, в том числе в МФТИ и НИИ радиоэлектроники.
¶Преимущества и ограничения
К достоинствам ректенн относятся высокая скорость преобразования, отсутствие механических частей, возможность масштабирования и работы в широком диапазоне мощностей. Среди недостатков — заметные потери при преобразовании, необходимость прямой видимости между передатчиком и приёмником, а также потенциальное влияние микроволнового излучения на живые организмы, что требует соблюдения норм безопасности.
¶Литература
- Браун У. К. «Ректенна — приёмный элемент для передачи энергии микроволновым лучом» (Brown W. C., 1984).
- Материалы конференций IEEE по беспроводной передаче энергии (WPT).
- Обзоры по сбору энергии радиоволн (RF energy harvesting), 2010–2020 гг.