RU2786634C1 - Ректенна - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах беспроводной передачи энергии на расстояние для повышения эффективности ректенн в микроволновом диапазоне, ТГц и видимом диапазоне. Техническим результатом является разработка ректенны, имеющей малые потери энергии в приемной антенне. Предложенная ректенна состоит из массива наноантенн, общего выпрямителя для преобразования переменного тока в постоянный ток, функционально связанного с наноантенной. Наноантенны выполнены в виде мезоразмерных диэлектрических частиц с характерным размером не менее λ, где λ - длина волны используемого излучения, с относительным коэффициентом преломления материала, лежащим в диапазоне примерно от 1,4 до 2,0, формирующих на их внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4, а приемные устройства расположены непосредственно на теневой поверхности частицы в этой области с повышенной интенсивностью излучения. Предлагаемая ректенна обладает низким уровнем диссипативных потерь по сравнению с аналогом благодаря тому, что используются диэлектрические материалы с относительно малым значением показателя преломления, фокусировкой излучения с поперечными размерами менее дифракционного предела и наличием магнитного отклика, то есть достигается возможность работы ректенны с источниками излучения магнитного типа. 3 ил.

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах беспроводной передачи энергии на расстояние для повышения эффективности ректенн в микроволновом диапазоне, ТГц диапазоне и видимом.

Беспроводная передача энергии считается одной из революционных, качественно новых технологий.

Основные характеристики беспроводной передачи энергии с помощью электромагнитных волн это возможность обеспечения передачи энергии на большие расстояния, отсутствие электромагнитной связи между передающей и приемной антеннами, самые разнообразные применения, например, питание маломощных датчиков, дерижаблей, для питания мультикоптеров, микророботов, зарядки сотовых телефонов, организация беспроводной системы передачи данных на поверхности и в объеме оптического чипа [Д.В. Грецких, Н.М. Цикаловский, Е.И. Гладченко. Применение и перспективы развития беспроводной передачи энергии микроволновым лучом // Радиотехника, 2016, вып. 184, с. 100-118] и т. д.

Идея создания солнечной космической электростанции была выдвинута американским исследователем П. Глезером. В 1971 году на эту идею им был получен патент [Patent of USA, 3.781.647; 26.07.1971]. Предложено преобразовать солнечную энергию в пучок СВЧ-волн и пустить его на Землю на приемную антенну.

Недостаток при лазерном способе передачи энергии состоит в том, что лазерное излучение значительно ослабляется облаками и, следовательно, выходная мощность приемных устройств зависит от погоды.

Первоначально импульс развитию технологий беспроводной передачи энергии был придан изобретениями Николы Теслы [Н. А. Трофимов. К истории развития беспроводных технологий // Наука за рубежом, №44, сентябрь 2015, www.issras.ru/global_science_review]. В 1891 г. на открытой лекции в Американском институте инженеров-электриков в Нью-Йорке Н. Тесла продемонстрировал принципы беспроводной передачи энергии [Tesla N. The true wireless // Electrical Experimenter. May 1919].

Слово rectenna состоит из выпрямительной схемы и антенны. Ректенна и ее слово были изобретены У. К. Брауном в 1960-х годах [William C. Brown. The history of power transmission by radio waves // IEEE Trans. MTT, 32(9):1230-1242, 1984; William C. Brown. A microwave powered, long duration, high altitude platform // MTT- S International Microwave Symposium Digest, 86(1):507-510, 1986]. Выпрямитель может принимать и выпрямлять СВЧ-мощность в постоянный ток, является пассивным элементом с выпрямительным диодом, работающим без какого-либо источника питания.

В 1961 году была опубликована первая работа, предлагающая микроволновую энергию для передачи энергии, а в 1964 году была продемонстрирована модель вертолета с микроволновым питанием, которая получала всю мощность, необходимую для полета от микроволнового луча на частоте 2,45 ГГц. В системе беспроводной передачи использовались двигатели, использующих напрямую излучение СВЧ диапазона [Stockman H.E. Parametric motor energized by radio frequency field // Proc. IEEE (Correspondence), 51, pp.1253-1254 (sept. 1963)].

Известно использование микроволн (28 ГГц) для обеспечения питанием беспилотных летательных аппаратов [Satoru Suganuma, Kohei Shimamura, Maho Matsukura, Duc Hung Nguyen and Koichi Mori. 28 GHz Microwave-Powered Propulsion Efficiency for Free-Flight Demonstration // Journal of Spacecraft and Rockets at DOI: 10.2514/1.A35044, Published Online: 5 Jul 2021].

Известно устройство для передачи энергии, содержащее ректенну и большое количество диодов Шоттки и проводников, связанных с диодами в решетку приемных элементов [Brown W.C. The Technology and Application of Free Space Transmission by Microwave Beam. Proceedings IEEE, v.62, N1, January,1974]. Недостатком указанного устройства является наличие диодов Шоттки, как наиболее ненадежных элементов технологии приема энергии.

Известна ректенна, содержащая решетку приемных элементов из диодов и пересекающихся проводников, подсоединенных своими концами к двум разнополярным шинам сбора постоянного тока [А.С. СССР 1094110].

Антенна rectenna может быть любого типа, например, дипольная [William C. Brown. The history of power transmission by radio waves // IEEE Trans. MTT, 32(9):1230-1242, 1984. William C. Brown. A microwave powered, long duration, high altitude platform // MTT- S International Microwave Symposium Digest, 86(1):507-510, 1986], антенна Яги-Уда [R. J. Gutmann and R. B. Gworek. Yagi-uda receiving elements in microwave power transmission system rectennas // Journal of Microwave Power, 14(4):313-320, 1979; N. Shinohara, S. Kunimi, T. Miura, H. Matsumoto, and T. Fujiwara. Open experiment of microwave power experiment with automatically target chasing system (japanese) // IEICE Trans. B-II, J81-B-II(6):657-661, 1998; EP003319169B1], микрополосковая антенна [O. McSpadden and K. Chang. A dual polarized circular patch rectifying antenna at 2.45 ghz for microwave power conversion and detection // IEEE Trans. MTT-S Digest, pages 1749-1752, 1994; T. Ito, Y. Fujino, and M. Fujita. Fundamental experiment of a rectenna array for microwave power reception // IEICE Trans. Commun., E-76-B(12):1508-1513, 1993; M. Fujita N. Kaya S. Kunimi M. Ishii N. Ogihata N. Kusaka Fujino, Y. and S. Ida. A dual polarization microwave power transmission system for microwave propelled airship experiment // Proc. de ISAP’96, 2:393-396, 1996], монополь [Y. Aoki M. Otsuka T. Idogaki Shibata, T. and T. Hattori. Microwave energy transmission system for microrobot // IEICE-Trans. Electr., 80-c(2):303-308, 1997], копланарная накладка [Q. Xue Chin, C. H. K and C. H. Chan. Design of a 5.8-ghz rectenna incorporating a new patch antenna // IEEE Antenna and Wireless Propagation Lett., 4:175-178, 2005], спиральная антенна[J. A. Hagerty, N. D. Lopez, B. Popovic, and Z. Popovic. Broadband rectenna arrays for randomly polarized incident waves // IEEE, 2000; F. J. Gonza'lez & G. D. Boreman: Comparison of dipole, bowtie, spiral and log-periodic IR antennas // Infrared Phys. & Technol. 46, p. 418-428 (2005)] или даже параболическая антенна [Y. Fujino and K. Ogimura. A rectangular parabola rectenna with elliptical beam for sps test satellite experiment // Proc. of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers(1-10):S29-S20, 2004.].

Известно устройство ректенны [патент РФ №1814746], содержащей решетку приемных элементов из диодов и проводников в виде кольцевых зон, ячейки соединены в группы параллельно, а группы соединены последовательно с двумя разнополярными шинами сбора постоянного тока. Устройство обеспечивает эффективную работу ректенны в СВЧ диапазоне, но в области инфракрасного и видимого излучения устройство малоэффективно ввиду невозможности настройки ректенны в резонанс с частотой воспринимаемого излучения.

Известна ректенна, содержащая решетку проводящих элементов в виде вибраторов из колинеарно расположенных полых проводящих труб с вырезами, в которых установлены диоды [А.С. СССР №1628133].

Известно устройство, содержащее источник микроволнового излучения, излучательной антенны (рупорная антенна), приемной антенны и устройства преобразования микроволнового излучения обратно в электрический ток. В качестве приемной антенны использовалась ректенна, которая представляет собой антенну со встроенным диодным выпрямителем [Ichihara, T., T. Mitani, and N. Shinohara, Study on Intermittent Microwave Power Transmission to a Zig Bee Device // Proc. of 2012 IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Innovative Wireless Power Transmission: Technologies, Systems, and Applications (IMWS-IWPT2012), pp. 209-212, 2012.].

Известна ректенна, для беспроводного питания микроробота, состоящая из несимметричного вибратора и выпрямителя [Shibata, T., Y. Aoki, M. Otsuka, T. Idogaki, and T. Hattori, "Microwave Energy Transmission System for Microrobot", IEICE Trans. Electr., Vol.E80-C, No. 2, pp. 303-308, 1997.]. Выпрямительная антенна (ректенна), принимает СВЧ-энергию (14 ГГц) и подает электроэнергию выпрямленного постоянного тока в систему привода робота. При передачи СВЧ-энергии мощностью 1 Вт, микроробот принимает 50 мВт СВЧ-энергии и может перемещаться со скоростью 1 мм/с.

Известна система передачи энергии на Землю с орбитальной солнечной электростанции по патенту РФ 2713129, состоящая из электростанции, которая содержит солнечную батарею, преобразователь электрического тока в СВЧ энергию, фазируемую антенную решетку, приемную выпрямительную антенну. Приемная выпрямительная антенна имеет вид плоской печатной антенной решетки с дипольными излучателями.

Известно устройство оптической ректенны [Пат. США 4445050, 4574161], содержащей микрочипы субмикронной антенны, соединенные с субмикронным полупроводниковым выпрямителем, изготовленным из аморфного кремния. Антенный элемент был выполнен из диполей длиной 180 нм и шириной 10 нм. Ректенна работала в диапазоне от 0,35 мкм до 0,8 мкм.

Известен преобразователь солнечной энергии с использованием четырех квадратных спиральных решеток из золота на подложке с реальной диэлектрической проницаемостью 4,6 [M. Gallo, L. Mescia, O. Losito, M. Bozzetti, and F. Prudenzano, Design of optical antenna for solar energy collection // Energy, vol. 39, pp. 27-32, 3// 2012. ]. Спиральные антенны были предназначены для направления индуцированных поверхностных волн на 10,6 мкм в зазор подачи, который был подключен к микрополосковой линии 50 Ом для сбора локализованной энергии.

Из технической литературы известно, что в ТГц диапазоне и видимом металлы действуют как диэлектрик со значительным поглощением.

Недостатком известных ректенн является их невысокая эффективность и большие потери в металлических частях антенн в ТГц и видимом диапазонах частот.

Известна оптическая ректена [Пат. США 20070240757A1] состоящая из матрицы оптических антенн: дипольных либо типа бабочки, либо петли, либо спирали и выпрямительным диодом.

Известны наноантенны на основе диэлектрических наночастиц с характерным размером менее используемой длины волны излучения и с высоким значением диэлектрической проницаемости (порядка 10-20) [А.Е. Краснок, И.С. Максимов, А.И. Денисюк, П.А. Белов, А.Е. Мирошниченко, К.Р. Симовский, Ю.С. Кившарь. Оптические наноантенны // УФН, 183, 561-589, (2013); А. Е. Краснок, А. Е. Мирошниченко. П. А. Белов, Ю. С. Кившарь. Оптические элементы Гюйгенса и наноантенны Яги-Уда на основе диэлектрических наночастиц // Письма в ЖЭТФ.- 2011.- Т. 94.-С. 635; A. E. Krasnok, A. E. Miroshnichcnko, P. A. Bclov, Yu. S. Kivshar. All-diclectric optical nanoantennas // Opt. Express - 2012. - Vol. 20.- P. 20599; Пат. РФ 132573, 127952].

Недостатком наноантенн на основе диэлектрических частиц являются значительные потери энергии из-за отражения электромагнитного излучения на границах диэлектрик-воздух вследствие высоких значений показателя преломления материала диэлектрических частиц.

Известно устройство ректенны по патенту WO2013141951 и принятое за прототип, включающее в себя массив наноантенн, общего выпрямителя для преобразования переменного тока в постоянный ток и функционально связанного с наноантенной.

Варианты осуществления данного изобретения обеспечивают устройства и системы для преобразования и сбора энергии из электромагнитного излучения, включая, например, электромагнитное излучение в инфракрасном, ближнем инфракрасном и видимом спектрах света.

Металлические наноантенны, ввиду своей плазмонной природы, являются сильно диссипативными устройствами на нагрев металлических наноэлементов, что мешает их широкому применению [А.Е. Краснок, И.С. Максимов, А.И. Денисюк, П.А. Белов, А.Е. Мирошниченко, К.Р. Симовский, Ю.С. Кившарь. Оптические наноантенны // УФН 183 561-589 (2013)].

Недостатком известного устройства является невысокая эффективность из-за больших потерь энергии в металлических частях антенн в ТГц и видимом диапазонах частот.

Задачей заявляемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно разработка устройства ректенны, имеющей малые потери энергии в приемной антенне.

Поставленная задача решается тем, что ректенна, состоящая из массива наноантенн, общего выпрямителя для преобразования переменного тока в постоянный ток и функционально связанного с наноантенной, согласно изобретения наноантенны выполнены в виде мезоразмерных диэлектрических частиц с характерным размером не менее λ, где λ - длина волны используемого излучения, с относительным коэффициентом преломления материала лежащего в диапазоне примерно от 1,4 до 2,0, формирующие на их внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4, а приемные устройства расположены непосредственно на теневой поверхности частицы в этой области с повышенной интенсивностью излучения.

Изобретение поясняется чертежами.

На Фиг.1 приведена схема элемента ректенны на основе диэлектрической мезоразмерной частицы.

На Фиг. 2 принципиальная схема ректенны на основе массива диэлектрических мезоразмерных частиц.

На Фиг. 3 приведены примеры формирования на внешней границе диэлектрической мезоразмерной частицы с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4 для частиц с характерным размером 3λ сферической формы (а), цилиндрической формы (б), кубоида (в), кругового конус (г), усеченного конуса (д), пирамиды (е),

Обозначения: 1 - освещающее электромагнитное излучение, 2 - мезоразмерная диэлектрическая частица, 3 - формируемая область с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4, 4 - приемное устройство - выпрямитель.

Известно, что фундаментальный рэлеевский критерий разрешения оптических систем заключается в том, что минимальный размер различимого объекта несколько меньше длины волны используемого излучения и принципиально ограничен дифракцией этого излучения [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978]. Невозможность сфокусировать свет в свободном пространстве в пятно с размерами меньше некоторого дифракционного предела следует и из соотношения типа соотношения неопределенностей Гейзенберга [Minin I.V., Minin O.V. Experimental verification 3D subwavelength resolution beyond the diffraction limit with zone plate in millimeter wave // Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 56, No. 10, October 2014, 2436-2439].

Под преодолением дифракционного предела понимается фокусировка излучения в пятно с размерами меньше, чем у пятна Эйри [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978].

Преодолеть дифракционный предел в оптике можно различными способами, например, с помощью эффекта «фотонной наноструи» (например, см. A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl.Phys.Lett., 89, 221118 (2006)). Поперечный размер фотонной наноструи составляет 1/3 … 1/4 длины волны излучения, что меньше дифракционного предела классической линзы.

Термин фотонная струя был введен в 2004 году [Z. G. Chen, A. Taflove, and V. Backman. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visible-light ultramicroscopy technique // Optics Express, vol. 12, pp. 1214-1220, Apr 2004] для описания области фокусировки с пространственными размерами менее дифракционного предела и возникающей вблизи диэлектрического цилиндра или сферы, при освещении их оптическим излучением. Указывалось, что усиление поля, наблюдаемое в фотонной струе, не может быть предсказано из приближения геометрической оптики.

При этом формировать локальные области концентрирования электромагнитной энергии вблизи поверхности мезоразмерных диэлектрических частиц возможно с помощью частиц различной формы, например, в форме сферы, усеченной сферы, многоугольной призмы, многоугольной пирамиды, кубоида, кругового конуса, цилиндра и т.д. при облучении их электромагнитной волной с плоским волновым фронтом и т.д. [I.V.Minin and O.V.Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; И.В. Минин, О.В. Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии, 2014, №4, С.4-10; Minin I.V., Minin O.V., Kharitoshin N.A. Localized high field enhancements from hemispherical 3D mesoscale dielectric particles in the reflection mode // 16th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices June 29 - July 3, 2015; V.Pacheco-Pena, M. Beruete, I. V. Minin, O. V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. V.105, 084102 (2014)].

Работа устройства осуществляется следующим образом. Электромагнитное излучение 1 освещает диэлектрическую мезоразмерную частицу 2, которая формирует на своей теневой стороне область с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4 3. Массив диэлектрических мезоразмерных частицы 2 с приемными-выпрямительными элементами 4 располагаются равномерно на поверхности подложки. В области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4 3 размещаются приемные элементы - выпрямители 4, например, диоды Шоттки, фотодиоды или лавинные фотодиоды. Сигналы с приемных-выпрямительных элементов 4 соединяются последовательно с каждым отдельным элементом ректенны. С помощью приемно-выпрямительного элемента 4 происходит преобразование падающего излучения микроволнового, терагерцового или видимого диапазона в постоянный ток.

В результате проведенных исследований было установлено, что диэлектрические мезоразмерные частицы формируют на своей теневой стороне область с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4 при характерном размере частицы от λ до 1000λ, где λ длина волны используемого излучения.

При коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы менее примерно 1,4 поперечный размер локальной области концентрации поля становится порядка и более дифракционного предела и не обеспечивает значительного повышения интенсивности электромагнитного поля на ее границе. При коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы примерно более 2,0 локальная концентрация электромагнитного поля возникает внутри частицы и не может быть использовано для повышения чувствительности приемно-выпрямительного устройства.

Повышение чувствительности приемно-выпрямительно элемента достигается за счет более эффективного взаимодействия электромагнитного поля в области фокусировки излучения при его поперечном размере порядка λ/3 - λ/4 с приемно-выпрямительного элементом и уменьшения потерь энергии за счет отсутствия металлических частей в наноантенне.

Установлено, что, например, для мезоразмерной частицы с характерным размером порядка длины волны излучения интенсивность света непосредственно на границе частицы превосходит падающую интенсивность примерно в 7-8 раз, для частицы с характерными размерами порядка двух длин волн - примерно в 20 раз. Для частиц большего размера величина этого отношения увеличивается еще сильнее.

В качестве приемо-выпрямительного устройства может использоваться, например, диод металл-изолятор-изолятор-металл (MUM), диод металл-изолятор-металл (MIM), диод перехода металл-полупроводник (Шоттки), диод Ганна (например, GaAs или InP), фотодиод, PIN-диод, геометрические диоды, пример которых описан в [патент США №. 201 1/0017284, подана 17 июля 2009 года] и т.д.

В микроволной ректенне могут использоваться, например, кремниевые выпрямительные диоды [Brown W.C. Experimental involving a microwave beam to power and position a helicopter // IEEE Trans. V. AES-5. - 1969. - No.9. 692 р], диоды Шоттки [Brown W.C. The history of power transmission by radio waves // IEEE Trans. 1984. V. MTT-32. - N 9. - P. 1230-1242].

Для работы в оптическом диапазоне волн используются, например, фемтодиоды [Пат. США 4720642], фотодиоды.

Ректенна также может использовать выпрямительную схему любого типа, такую как одношунтовый двухполупериодный выпрямитель [Y. Fujino M. Fujita Saka, T. and N. Kaya. An experiment of a c band rectenna. // Proc. Of SPS’97, 32(9):251-253, 1997; B. Strassner and K. Chang. 5.8-ghz. circularly polarized rectifying antenna for wireless microwave power transmission // IEEE Trans. MTT, 50(8):1870-1876, 2002], двухполупериодный мостовой выпрямитель[N. Shinohara, S. Kunimi, T. Miura, H. Matsumoto, and T. Fujiwara. Open experiment of microwave power experiment with automatically target chasing system (japanese) // IEICE Trans. B-II, J81-B-II(6):657-661, 1998], или другие гибридные выпрямители [T. Ito, Y. Fujino, and M. Fujita. Fundamental experiment of a rectenna array for microwave power reception // IEICE Trans. Commun., E-76-B(12):1508-1513, 1993].

Из технической литературы известны материалы мезоразмерных частиц с относительными показателями преломления от 1,4 до 2,0, например, SiO₂ с коэффициентом преломления 1,538 на длине волны 0,7 мкм, полиэстер, с коэффициентом преломления 1,59 на длине волны 0,532 мкм, различные виды стекол, ситаллы, кварц, полиметилметакрилат, полистирол, поликарбонаты [Справочник конструктора оптико-механ. приборов/Под ред. В.А. Панова. - Л.: Машиностроение, 1980.] с относительными коэффициентами преломления материала лежащего в диапазоне примерно от 1,4 до 1,9. Могут использоваться и другие полимеры и композитные материалы, обеспечивающие пропускание излучение в нужном диапазоне.

В качестве материала мезоразмерной частицы в микроволновом и терагерцовом диапазонах длин волн могут быть использованы, например, [Minin O.V., Minin I.V. Diffractional optics of millimetre waves. - Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing, 2004. - 396 p.]: фторопласт 4 при изменении плотности материала от 0,4 до 2,7 г/см³ имеет показатель преломления от 1,08 до 1,52; композиты с наполнителями из AL₂O₃, TO₂ в матрице из фторопласта 4 позволяет получить показатель преломления до 2; плавленый кварц имеет показатель преломления в миллиметровом диапазоне равный 1,95-2,0 и т.д.

Изготовление мезоразмерных диэлектрических частиц возможно, например, методами электронно-лучевой литографией, фотолитографии [патент РФ №2350996], 3D принтера и т.д. Например, известен метод изготовления кубоидов из кремния с характерными размерами менее 1 мкм [Janne-Mieke Meijer, Dmytro V. Byelov, Laura Rossi, Anatoly Snigirev, Irina Snigireva, Albert P. Philipse and Andrei V. Petukhov. Self-assembly of colloidal hematite cubes: a microradian X-ray diffraction exploration of sedimentary crystals // Soft Matter, 2013, 9, 10729].

Плотноупакованный монослой диэлектрических мезомасштабных частиц может быть нанесен на поверхность, например, при высыхании коллоидного раствора, используя самоорганизующиеся слои диэлектрических микросфер [N.M. Bityurin, A.V. Afanasiev, V.I. Bredikhin, A.V. Pikulin, I.E. Ilyakov, B.V. Shishkin, R.A. Akhmedzhanov, E.N. Gorshkova Surface nanostructuring by bichromatic femtosecond laser pulses through a colloidal particle array // Quantum Electronics 44 (6) 556-562 (2014); Николис Г., Пригожий И. Самоорганизация в неравновесных системах. От диссипативных структур к упорядоченности через флуктуации. - М.: Мир, 1979. 512 с.; П.В. Лебедев-Степанов, Р.М. Кадушников, С.П. Молчанов, А.А. Иванов, В.П. Митрохин, К.О. Власов, Н.И. Рубин, Г.А. Юрасик, В.Г. Назаров, М.В. Алфимов Самосборка наночастиц в микрообъеме коллоидного раствора: физика, моделирование, эксперимент // Российские нанотехнологии, т. 8, №3-4, 2013, с. 5-23.]. Упорядоченные ансамбли формируются из тонких пленок ил и микро капель раствора [Nagayama, K. Two-dimensional self-assembly of colloids in thin liquid films. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 109 (1996) p. 363-374]. При такой технологии можно управлять архитектурой ансамбля, варьируя время испарения, толщину исходного слоя раствора и т.д.

Позиционирование мезоразмерных диэлектрических частичек, формирующих область с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4 может быть выполнено с помощью различных методов самосборки и микроманипуляции, например, с помощью лазерных пинцетов [см., например, Патенты РФ 161207, 160834; Ashkin A. Acceleration and trapping of particles by radiation pressure // Phys. Rev. Lett. 1970. V. 24. P. 156-159; Ashkin A., Dziedzic J.M., Yamane T. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams // Nature. 1987. V. 330. P. 769-771].

После этого мезоразмерные диэлектрические частички фиксируют с использованием клея, эпоксидных смол или, в более общем случае, материалов со способностью затвердевать, фотоотверждаемых материалов, материалов, отверждаемых при температуре, и т.д. или другими подобными способами. В частности, преднамеренная температурная обработка может использоваться для того, чтобы слегка расплавить мягкость материала мезоразмерных диэлектрических частиц или материала смежных слоев, чтобы зафиксировать частички точно над приемо-выпрямительным устройством.

Предлагаемая ректенна обладает низким уровнем диссипативных потерь по сравнению с наиболее известным аналогом благодаря тому, что используются диэлектрические материалы с относительно малым значением показателя преломления, фокусировкой излучения с поперечными размерами менее дифракционного предела и наличием магнитного отклика, то есть возможность работы ректены с источниками излучения магнитного типа.

Claims (1)

1. Ректенна, состоящая из массива наноантенн, общего выпрямителя для преобразования переменного тока в постоянный ток, функционально связанного с наноантенной, отличающаяся тем, что наноантенны выполнены в виде мезоразмерных диэлектрических частиц с характерным размером не менее λ, где λ - длина волны используемого излучения, с относительным коэффициентом преломления материала, лежащим в диапазоне примерно от 1,4 до 2,0, формирующих на их внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4, а приемные устройства расположены непосредственно на теневой поверхности частицы в этой области с повышенной интенсивностью излучения.

Images