Rectenna

Una rectenna (antenarectificadoraenna) 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 inalámbricos que transmiten energía mediante ondas de radio. Un elemento rectenna 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 caída de voltaje más baja y la velocidad más alta y, por lo tanto, tienen las pérdidas de energía más bajas debido a la conducción y la conmutación. Las rectennas grandes constan de una serie de muchos elementos receptores de energía, como antenas dipolo.

Aplicaciones de transmisión de energía

La invención de la rectenna en la década de 1960 hizo posible la transmisión de energía inalámbrica a larga distancia. La rectenna fue inventada en 1964 y patentada en 1969 por el ingeniero eléctrico estadounidense William C. Brown, quien la demostró con un modelo de helicóptero propulsado por microondas transmitidas desde tierra, recibidas por una rectenna adjunta. Desde la década de 1970, una de las principales motivaciones para la investigación de reccena ha sido desarrollar una antena receptora para los satélites de energía solar propuestos, que recolectarían 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 reccena. Una aplicación militar propuesta es impulsar aviones de reconocimiento no tripulados con microondas transmitidas desde el suelo, lo que les permitirá permanecer en el aire durante largos períodos.

En los últimos años, el interés se ha centrado en el uso de rectennas como fuentes de energía para pequeños dispositivos microelectrónicos inalámbricos. El mayor uso actual de las rectennas es en etiquetas RFID, tarjetas de proximidad y tarjetas inteligentes sin contacto, que contienen un circuito integrado (IC) que es alimentado por un pequeño elemento de rectenna. Cuando el dispositivo se acerca a una unidad lectora electrónica, la recena recibe ondas de radio del lector, lo que enciende el circuito integrado, que transmite sus datos al lector.

Rectanas de radiofrecuencia

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

Sin embargo, este ejemplo utiliza solo una antena que tiene un área de captura limitada. Un conjunto de reccena utiliza múltiples antenas distribuidas en un área amplia para capturar más energía.

Los investigadores están experimentando con el uso de rectennas para alimentar sensores en áreas remotas y redes distribuidas de sensores, especialmente para aplicaciones de IoT.

Las rectennas de RF se utilizan para varias formas de transferencia de energía inalámbrica. En el ámbito de las microondas, los dispositivos experimentales han alcanzado una eficiencia de conversión de energía del 85 al 90%. La eficiencia de conversión récord para una reccena es del 90,6 % para 2,45 GHz, con una eficiencia inferior de alrededor del 82 % lograda a 5,82 GHz.

Rectanas ópticas

En principio, se pueden utilizar dispositivos similares, reducidos a las proporciones utilizadas en la nanotecnología, para convertir la luz directamente en electricidad. Este tipo de dispositivo se llama rectena óptica (o "nantena"). En teoría, se pueden mantener altas eficiencias a medida que el dispositivo se encoge, 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 anteriormente sobre el trabajo para desarrollar recenas de frecuencia óptica de alta eficiencia y bajo costo. Se investigaron otros prototipos de dispositivos en una colaboración entre la Universidad de Connecticut y Penn State Altoona utilizando una subvención de la Fundación Nacional de Ciencias. Con el uso de la deposición de capas atómicas se ha sugerido que eventualmente se podrían lograr eficiencias de conversión de energía solar en electricidad superiores al 70%.

La creación de una tecnología de rectina óptica exitosa tiene dos factores importantes que complican la situación:

1. Fabricando una antena lo suficientemente pequeña para unir longitudes de onda ópticas.
2. Creando un diodo ultrarrápido capaz de rectificar las oscilaciones de alta frecuencia, a frecuencia de ~500 THz.

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

Diodos geométricos

Un camino prometedor hacia la creación de estos diodos ultrarrápidos ha sido el de los "diodos geométricos". Se ha informado que los diodos geométricos de grafeno rectifican la radiación de terahercios. En abril de 2020, se informó sobre diodos geométricos en nanocables de silicio. Se demostró experimentalmente que los cables rectificaban hasta 40 GHz, pero eso estaba limitado por el instrumento y, en teoría, también podrían rectificar señales en la región de THz.