Rectena

Una rectena ( antena rectificadora ) es un tipo especial de antena receptora que se utiliza para convertir energía electromagnética en electricidad de corriente continua (CC) . Se utilizan en sistemas de transmisión de energía inalámbrica que transmiten energía mediante ondas de radio . Un elemento de rectena simple consta de una antena dipolo con un diodo conectado a través de los elementos dipolo. El diodo rectifica la CA inducida en la antena por las microondas, para producir energía CC, que alimenta una carga conectada a través del diodo. Los diodos Schottky se utilizan generalmente porque tienen la menor caída de voltaje y la mayor velocidad y, por lo tanto, tienen las menores pérdidas de potencia debido a la conducción y la conmutación. ^{[ 1 ]} Las rectenas grandes constan de conjuntos de muchos elementos receptores de potencia, como antenas dipolo.

La invención de la rectena en la década de 1960 hizo posible la transmisión inalámbrica de energía a larga distancia . La rectena fue inventada en 1964 y patentada en 1969 ^{[ 2 ]} por el ingeniero eléctrico estadounidense William C. Brown , quien la demostró con un helicóptero modelo alimentado por microondas transmitidas desde tierra y recibidas por una rectena acoplada. ^{[ 3 ]} Desde la década de 1970, una de las principales motivaciones para la investigación de la rectena ha sido desarrollar una antena receptora para los satélites de energía solar propuestos , que captarían energía de la luz solar en el espacio con células solares y la transmitirían a la Tierra en forma de microondas a enormes conjuntos de rectenas. ^{[ 4 ]} Una aplicación militar propuesta es alimentar aeronaves de reconocimiento no tripuladas con microondas transmitidas desde tierra, lo que les permitiría permanecer en el aire durante largos períodos.

En los últimos años, el interés se ha centrado en el uso de rectenas como fuentes de alimentación para pequeños dispositivos microelectrónicos inalámbricos. Su principal aplicación actual se encuentra en etiquetas RFID , tarjetas de proximidad y tarjetas inteligentes sin contacto , que contienen un circuito integrado ( CI ) alimentado por una pequeña rectena. Cuando el dispositivo se acerca a un lector electrónico, la rectena recibe las ondas de radio del lector, alimentando el CI, que transmite los datos al lector.

El receptor de radio de cristal más simple, que emplea una antena y un diodo demodulador ( rectificador ), es en realidad una rectena, aunque descarta el componente de CC antes de enviar la señal a los auriculares . Las personas que vivían cerca de potentes transmisores de radio a veces descubrían que con una antena receptora larga podían obtener suficiente energía eléctrica para encender una bombilla. ^{[ 5 ]}

Sin embargo, este ejemplo utiliza una sola antena con un área de captación limitada. Un conjunto de rectenas utiliza múltiples antenas distribuidas en un área amplia para captar más energía.

Los investigadores están experimentando con el uso de rectenas para alimentar sensores en áreas remotas y redes distribuidas de sensores, especialmente para aplicaciones de IoT . ^{[ 6 ]}

Las rectenas de RF se utilizan para diversas formas de transferencia de energía inalámbrica . En el rango de microondas, los dispositivos experimentales han alcanzado una eficiencia de conversión de potencia del 85-90%. ^{[ 7 ]} La eficiencia de conversión récord para una rectena es del 90,6% para 2,45  GHz, ^{[ 8 ]} con una eficiencia menor de aproximadamente el 82% lograda a 5,82  GHz. ^{[ 8 ]}

En principio, dispositivos similares, reducidos a las proporciones utilizadas en nanotecnología , pueden usarse para convertir la luz directamente en electricidad. Este tipo de dispositivo se llama rectena óptica (o "nanantena"). ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} Teóricamente, se pueden mantener altas eficiencias a medida que el dispositivo se reduce, pero hasta la fecha la eficiencia ha sido limitada, y hasta ahora no ha habido evidencia convincente de que se haya logrado la rectificación en frecuencias ópticas. La Universidad de Missouri informó previamente sobre el trabajo para desarrollar rectenas de frecuencia óptica de bajo costo y alta eficiencia. ^{[ 12 ]} Otros dispositivos prototipo fueron investigados en una colaboración entre la Universidad de Connecticut y Penn State Altoona utilizando una subvención de la National Science Foundation . ^{[ 13 ]} Con el uso de deposición de capa atómica se ha sugerido que eventualmente se podrían lograr eficiencias de conversión de energía solar a electricidad superiores al 70%.

La creación de una tecnología de rectenas ópticas exitosa presenta dos factores que la complican considerablemente:

1. Fabricar una antena lo suficientemente pequeña como para acoplar longitudes de onda ópticas.
2. Creación de un diodo ultrarrápido capaz de rectificar las oscilaciones de alta frecuencia, a una frecuencia de aproximadamente 500  THz.

A continuación se muestran algunos ejemplos de posibles vías para crear diodos lo suficientemente rápidos como para rectificar la radiación óptica y casi óptica.

Una vía prometedora para crear estos diodos ultrarrápidos ha sido mediante los " diodos geométricos ". ^{[ 14 ]} Se ha informado que los diodos geométricos de grafeno rectifican la radiación de terahercios . ^{[ 15 ]} En abril de 2020, se informó sobre diodos geométricos en nanocables de silicio . ^{[ 16 ]} Se demostró experimentalmente que los cables rectifican hasta 40 GHz, ese resultado fue el límite del instrumento utilizado, y teóricamente los cables podrían rectificar señales también en la región de terahercios. 

• Antena de microcinta
• transferencia de energía inalámbrica

• La distinguida trayectoria de William C. Brown
• Zhang, Xu; Grajal, Jesús; Vázquez-Roy, José Luis; Radhakrishna, Ujwal; Wang, Xiaoxue; Chern, Winston; Zhou, Lin; Lin, Yuxuan; Shen, Pin-Chun; Ji, Xiang; Ling, Xi; Zubair, Ahmad; Zhang, Yuhao; Wang, Han; Dubey, Madan; Kong, Jing; Dresselhaus, Mildred ; Palacios, Tomás (2019). "Rectena flexible bidimensional habilitada para MoS2 para recolección de energía inalámbrica de banda Wi-Fi" . Naturaleza . 566 (7744): 368– 372. Bibcode : 2019Natur.566..368Z . doi : 10.1038/s41586-019-0892-1 . PMID 30692651 . S2CID 59307657 .  
  • «Conversión de señales Wi-Fi en electricidad con nuevos materiales 2D» . ScienceDaily (Comunicado de prensa). 28 de enero de 2019.