Una rectenna ( 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 rectenna simple consta de una antena dipolo con un diodo conectado a través de los elementos dipolares. 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 tensión más baja y la velocidad más alta y, por tanto, tienen las pérdidas de potencia más bajas debido a la conducción y la conmutación. [1] Las rectenas grandes constan de conjuntos de muchos elementos receptores de energía, como antenas dipolo.
La invención de la rectenna en la década de 1960 hizo posible la transmisión inalámbrica de energía a larga distancia . La rectenna fue inventada en 1964 y patentada en 1969 [2] por el ingeniero eléctrico estadounidense William C. Brown , quien la demostró con un modelo de helicóptero propulsado por microondas transmitidas desde el suelo, recibidas por una rectenna adjunta. [3] Desde la década de 1970, una de las principales motivaciones para la investigación de la rectenna 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 como microondas a enormes conjuntos de rectenas. [4] Una aplicación militar propuesta es propulsar aviones de reconocimiento no tripulados con microondas transmitidas desde el suelo, 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 energía para pequeños dispositivos microelectrónicos inalámbricos. El mayor uso actual de las rectenas se da en las etiquetas RFID , tarjetas de proximidad y tarjetas inteligentes sin contacto , que contienen un circuito integrado ( CI ) que se alimenta mediante un pequeño elemento de rectena. Cuando el dispositivo se acerca a una unidad de lectura electrónica, la rectena recibe las ondas de radio del lector, lo que activa el CI, que transmite sus datos de vuelta al lector.
El receptor de radio de cristal más simple, que emplea una antena y un diodo demodulador ( rectificador ), es en realidad una rectenna, aunque descarta el componente de CC antes de enviar la señal a los auriculares . Las personas que viven cerca de transmisores de radio potentes descubrirían ocasionalmente que con una antena receptora larga podrían obtener suficiente energía eléctrica para encender una bombilla. [5]
Sin embargo, en este ejemplo se utiliza una sola antena con un área de captura limitada. Un conjunto de rectenas utiliza varias antenas distribuidas en un área amplia para capturar 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 varias formas de transferencia de energía inalámbrica . En el rango de microondas, los dispositivos experimentales han alcanzado una eficiencia de conversión de energía 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, se pueden utilizar dispositivos similares, reducidos a las proporciones utilizadas en nanotecnología , para convertir la luz directamente en electricidad. Este tipo de dispositivo se llama rectenna óptica (o "nantena"). [9] [10] [11] Teóricamente, 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 rectennas de frecuencia óptica de bajo costo y alta eficiencia. [12] Se investigaron otros dispositivos prototipo 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 la deposición de capas atómicas, 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 rectena óptica exitosa tiene dos factores importantes que la complican:
A continuación se presentan algunos ejemplos de posibles caminos para crear diodos que serían lo suficientemente rápidos para rectificar la radiación óptica y casi óptica.
Un camino prometedor hacia la creación de estos diodos ultrarrápidos ha sido en forma de " 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 rectificaban hasta 40 GHz, ese resultado fue el límite del instrumento utilizado y, en teoría, los cables también pueden rectificar señales en la región de los terahercios.
