WiFi到能量转换器无法使用，但仍可能成为未来的能源
我对能源效率有些关注。 令我感到沮丧的是，建造我的房屋的白痴没有使用建造时的最新信息-因为那时我的房屋几乎不需要暖气。 对我来说，最有趣的事情之一是重新使用释放的能量的前景。 我喜欢收集能量的想法，否则，能量注定要在环境中消散，然后将其转变为有用的东西。
因此，重复利用微波能量的
工作无法绕开我。 不幸的是，收集WiFi辐射不可能给我们任何有用的信息。 但是首先，让我们看一下该设备背后的非常有趣的想法。
停止思考
收集WiFi辐射的基本思想已经很古老了：您只需要制作一个吸收所有微波能量的电路即可。 举一个人工的例子：想象一个微波脉冲穿过一根同轴电缆。 同轴电缆由被非导电介质圆柱体围绕的中心导线组成，并且所有这些导线都包裹在导体中。 微波能量不会通过中心导线传输。 它位于电介质中的电场和磁场中。 它们像波一样在电缆中传播，其速度尤其取决于电介质的特性。
当波到达电缆末端时，就出现了问题。 在空气和电介质之间的边界上，她需要立即从一种速度切换到另一种速度。 如果微波的所有能量都是从电缆末端传输的，则同一位置的电场将具有两个不同的值，但这不会发生。 因此，该波从末端反射并通过电缆返回（在此过程中，可能会损坏变送器）。
如果我们不希望反射能量，则需要限制电缆的长度，以便从微波的角度来看，电缆看起来好像是无限延伸的。 这个概念称为“匹配”，是微波电子，光学和原理物理与工程学发展的基石。
对于同轴电缆，通常选择电介质，以使50欧姆的电阻器与电缆的性能相匹配。 因此，如果在外部导电涂层和中心电缆之间放置一个50欧姆的电阻，则所有微波能量都将被电阻吸收。
通常，对于同轴电缆或任何传输线，开发与线路特性一致的电路是一项简单的任务。 手机中的天线就是这样一种方案：天线及其端子电路必须彼此匹配，并尽可能匹配空间中的传播特性。 良好的对准意味着小天线吸收大量辐射的能力。
WiFi丢失
WiFi的限制与接收器相同。 但是它的能量不仅会传到接收天线，还会散布得多。 这意味着大部分消失了。 如果我们在整个区域放置正确的天线，我们可以回收其中的一些能量。 但是事实证明，这是一项相当困难的任务。
首先，需要将这类接收器建在房屋或公寓的墙壁上。 这意味着，与设备上的天线不同，它们无法进行调谐以获得最佳接收效果。 WiFi信号来自各个方向，并且可以存在任何极化（电场相对于波传播方向的空间方向）。 天线对方向和极化均敏感。
然后，能量几乎被抹去了。 在光源附近，大约发射10 mW的能量。 但是，如果您移动10米，则通过您身体的能量将降低至10-20μW。 损失不断累积。 距离是一个问题，如果您的天线仅调整为一个极化，则您将已经损失了一半的能量。 将所有损耗加到收集能量并将其转换为直流电的电路中。 这一切看起来都非常复杂。
建造元天线
为了避免此类问题，三位研究人员提出了一种天线网络，试图将这些损耗降至最低。
首先，您需要消除对极化的依赖。 为此，他们开发出了一种扁平天线，可以最佳地响应微波的垂直和水平极化。 尽管天线对两种极化都做出响应，但是将天线连接到电路其余部分的导线的物理位置决定了哪种极化产生能量。 侧面带有导线的天线对水平偏振光敏感，顶部带有导线的天线对垂直偏振光敏感
。 也许他误会了，只是说无线电波。 佩雷夫 ]。
我要澄清的是，连接线也可以视为天线，通过它接收平面天线会重新辐射接收到的能量。
为了根据此原理创建能量收集设备，研究人员创建了天线阵列。 调整天线的奇数列以接收垂直极化光，而偶数列则水平接收。
在您看来，这一切都是愚蠢的，因为每次极化都会损失一半的能量。 在这种情况下不是。 所有天线相互通信。 顶部带有导线的天线列仍然接受两种极化。 垂直极化的微波被传输到位于每个天线顶部的导线。 水平极化的微波被传输到相邻列中的天线，然后它们进入位于每个天线侧面的导线。 使用正确的电路，所有能量都可以转移到转换器电路。
因此，天线看起来就像是位于不导电的材料上的金属板的格子。 并且，如在我们的示例同轴电缆中一样，天线收集的能量存储在电介质中的场中。 这意味着我们需要一种能吸收最少能量的电介质。 电介质吸收的能量通常称为损耗角正切。 研究人员搜索并发现损耗角正切值比印刷电路板上常用损耗角正切值低约100倍的材料。
远离我的模型现实
当然，在这些模型中，天线阵列吸收100％的WiFi辐射能量（更准确地说是2.4 GHz WiFi）。 但是这在实践中如何工作？ 这里的一切都有些复杂。 如果您测量直接进入连接线的能量，则可以获得约97％的传输率，这基本上很酷。
但是我们想利用这种能量，这里一切都变质了。 如果直接将电线连接到负载电阻（并将WiFi能量转化为热量），则一切正常，电阻会吸收92％的辐射。 由于在能量传输到电阻器期间电介质中的吸收，因此会发生5％的损耗。
当微波转换为可用的直流电信号时，实际损失就开始了。 即使在模型中，结果也不会超过80％。 在实验中，研究人员设法将结果提高到70％。 我同意70％，但这次不同意。 问题在于，只有在足够高的主信号功率下才能获得70％的效率。 研究人员使用1至10 mW的能量（这是进入天线阵列的总能量，而不是最初发射的能量）测试了该信号。 在1mW的情况下，转换效率为30％。 线性相关性（对数尺度）表明，如果在现实世界中，距离天线10 m处有一个容量为100 mW的发射机，则天线将接收微瓦量级的能量。 这相当于5％的转换效率，不是很好。
研究人员说，问题出在能量转换网络上。 当微波能量转移到直流电时，会发生损耗。 二极管上会出现更大的损耗。 二极管允许电流沿一个方向流动，因此二极管网络可以吸收一个振荡的微波场，在该场中，电压每隔几纳秒从负值变为正值，并产生一个正电压。
但是二极管不是理想的-它们需要时间进行切换，它们需要施加的电压才能达到一定的值，然后才允许电流流过。 结果，微波能量的很大一部分没有被转换，而是以热的形式损失了，因为它没有达到期望的水平。
我确信二极管的工作问题是根本的，尽管可以稍微减少这些损耗，但我认为在不久的将来我们将不能够制造出效率提高一个数量级的二极管。 另一方面，我认为作者可以澄清这一点实际上并不那么重要。 一旦所有天线相互连接，它们的阵列就可以变大，接收到的能量总量将变得足够大，可以达到峰值效率。
但是我不确定这是否行得通。 在10 m的距离处，天线阵列应覆盖整个房间的墙壁。 不幸的是，随后其他问题开始生效。 目前，能量从单个天线转移到二极管的成本大约为总能量的5％。 但是损失与距离成正比。 在现实世界中，天线穿过墙壁延伸，距离增加了大约40倍。
结果，天线电路变冷。 它的优点是，不管相对于WiFi发射器的方向和干扰如何，它都可以工作。 但是天线必须与不完善的组件连接，因此，很难想象如何使其在现实中工作。
把我的一半瓦还给我
如果我们能做到，那值得吗？ “是的，”我的大脑认为，“当然是”。 但是，在用咖啡因长时间治疗我的大脑其余部分之后，这个主意开始显得不那么值得了。
根据我的基站的规范，每个通道的发射器能量不会超过100-200 mW。 我有一个两通道和一个三通道站，最大总功率为800 mW。 根据我的电费单，每月输出0.02千瓦时。 我连接的设备吸收的能量可以忽略不计。 我的计算机报告信号强度为-54 dBm，相当于略小于4μW的值。 假设通过WiFi传输的所有能量都可以捕获。
这意味着捕获基站发射的微波辐射能量每年可为我节省大约2美元。 换句话说，我将从每月的总电费单中删除0.02 kWh，而冬季的最高电费为19 kWh。
这并不意味着所有这些都是徒劳的。 这个想法对于传输无线能量可能很有价值。 微波可以集中在相当小的区域上。 通过某些计算，发射器在大多数情况下都可以使用多径干扰将能量有效地传输到较小的目标区域，而使周围空间中所有其他位置的能量密度相对较低（因此无需让100瓦的功率穿过光束）。 在这种情况下，极其灵活和高效的天线系统变得更易于实现。 有了可接受的转换效率，我们大多数人都会喜欢它。
另一个用例是创建改进的WiFi网络。 当今网络的大多数问题来自干扰，或者是WiFi发射器的多径干扰，或者是来自邻居的信道争夺。 为了纠正这种情况，有可能将这种天线（不带转换电路）布置在房屋的重要位置，以便它们阻挡部分干扰。 它们将比铝箔片具有优势，因为它们的有效作用区域大于其物理尺寸。 在某些情况下，可以用较小的天线代替几平方米的金属箔。
几个这样的例子足以开始开发这样的系统吗？ 不知道 不过，我确信这种天线方案肯定会出现在任何设备中。