\qquad 本文讨论我们为什么真的可以拥有一个运行在5G上的无线电网。全文分五节：首节是导言；第2节说明5G网络发射的毫米波和允许的高辐射功率如何提供了实现微瓦级无线电网的潜力；随后两节简介新近出现的一种基于Rotman-透镜的5G能量采集系统；末节展望5G无线电网的应用前景。

1. 导言

\qquad 拥有一个运行在5G上的无线电网的想法并不新颖，但美国乔治亚理工大学和其他大学在2021年前后的宣布，正式确认了这一概念。

\qquad 这些研究人员研发了一种利用5G网络过剩电量的创新方法，能够将其转变成为物联网(Internet of Things, IoT)设备供电的“无线电网”。这一突破利用了一种基于Rotman-透镜（俗称“狼蛛”透镜）的整流天线（俗称“狼蛛”整流天线），可以在28 GHz的频率下采集来自各个方向的毫米波。

\qquad 他们实现的毫米波能量采集系统，在5G允许的最高发射功率(75 dBm EIRP)和室外城市宏观视线条件下，原则上，能够在5G网络的任何一点，用一张面积小至1-平方厘米的高科技柔性贴纸，采集到数微瓦的直流功率。

\qquad 这样的5G无线电网如果得以实用，你的手机供应商只要开始发射电力，就能为各种小型电子产品供电，从无人机到“智能仓库”中托盘的跟踪标签。这种可能性真的是无穷无尽，它将让我们永远告别小功率电池。

图1. 5G也是一种能源（图片来自：文献[2]）

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2. 5G高电磁辐射为无线电网提供了能量

\qquad 我们的时代见证了毫米波和IoT技术领域的快速发展，预计到2025年将安装超过400亿台IoT设备。这将导致大量电池需要不断充电和更换。因此，设计和实现能源自主的自供电系统，即永久IoT，是非常可取的。

\qquad 实现这一目标的一种潜在方法是采集电磁能量。过剩电磁采集的一个强大来源是毫米波能量，存在于第五代(5G)移动通信的FR2频段（24 GHz以上），其中美国联邦通信委员会(FCC)法规规定的有效各向同性辐射功率(EIRP)发射限制超过了其低频的对应限制，允许最大达到75 dBm。

\qquad 根据第三代合作伙伴项目技术报告(3GPP TR 38.901)中针对室外城市宏观视线条件(UMa LOS)定义的路径损耗模型，对于一个75 dBm EIRP的发射功率，预期在28 GHz下和在距离发射器100米处接收到的功率密度为28 μW cm-2，即每平方厘米面积上可接收到的辐射功率为28 微瓦。这充分说明5G赋予了产生一个完全可用的微瓦级无线电网的潜力。

\qquad 下面对不同量级耗电设备作个粗略比较：

瓦(W)：2G基站的天线发射功率为2瓦，手机等移动设备需要接近1瓦的电量；
毫瓦(mW)：蓝牙设备多数需要毫瓦级的供电，如：蓝牙耳机、鼠标等；蓝牙信号的发射功率小至1毫瓦；
微瓦(μW)：医用植入物可以用几十微瓦来供电；低功耗IoT设备只需消耗微瓦级的电量，如：图2中可帮助你跟踪钱包、钥匙等易失物品的蓝牙信标；
纳瓦(nW)：体内纳米网正常运转只需纳瓦级电量。

图2. 可跟踪易失物品的蓝牙信标（图片来自：www.mobileandgadgets.com）

3. 用“狼蛛”透镜吸收各个方向的辐射

\qquad 5G网络除了具有高发射功率优势外，它的毫米波电磁辐射还能更好地聚焦能量，允许用模块化的天线阵列而非仅仅单个元件来接收，因此能够做到精细地缩放它们的天线孔径，从而可以通过在高路径损耗频率上加入超大增益来施加更多的补偿。

\qquad 然而，大增益天线伴随着一个局限，它们无法提供大角度覆盖。对于信号源和接收器相对方向未知的情形，大孔径毫米波采集器也是如此。不过，由小型天线元件组成的单个整流天线可以通过直流（合路）组合在一起。这种方法不会加大整个整流天线系统的开启灵敏度，前提是在此之前完成射频合成。

\qquad 这就是美国乔治亚理工学院ATHENA实验室的研究人员提出的利用5G网络过剩电量的创新方案，如图3所示。这一方案依赖于在天线和整流器之间安装一个Rotman-透镜。这种印刷的柔性毫米波透镜允许在超过20 GHz的增益和大角度的覆盖上实现稳健和弯曲-弹性的操作。

图3. 在天线和整流器之间使用Rotman-透镜来实现(RF + DC)合成（图片来自：文献[1]）

\qquad Rotman-透镜是一种成熟的技术，引入于20世纪60年代，是波束形成网络最常见和最具成本效益的设计之一。你可以看到Rotman-透镜如何在军事应用中发挥作用，比如雷达监视系统，它可以识别各个方向的目标，而无需实际移动天线。它不同于你在眼镜或显微镜中看到的镜头，它是一种带有金属背衬的柔性透镜，参见图4。

图4. 能采集多方向能量的Rotman-透镜（图片来自：文献[1]）

\qquad Rotman-透镜有一个可怕的俗称：“狼蛛”透镜。“摄像机中的镜头从任何方向采集所有光波并将其组合到一个点……以创建图像，这正是这种透镜的工作原理。”“这种透镜就像一只狼蛛……因为狼蛛有六只眼睛，我们的系统也可以朝六个不同方向看。” 实际上，有的狼蛛的眼睛不只六只，如下图所示的墨西哥红膝狼蛛的背上就有八只眼睛。

图5. 墨西哥红膝狼蛛（图片来自：www.veer.com）

4. 用“狼蛛”整流天线输出微瓦级电力

\qquad 有了能够吸收来自各个方向5G电磁辐射的Rotman-透镜，再相继将天线子阵列、整流器、直流合路器添加到该方案中，就可完整实现一个Rotman-整流天线（俗称“狼蛛”整流天线）。

\qquad 据文献[1]报告，乔治亚理工学院ATHENA实验室的研究人员完整实现了一种基于Rotman-透镜的5G毫米波能量采集系统，并进行了实验。它是全柔性的，具有高增益和大角度覆盖的特点。对于IoT应用而言，制造出可与环境中任何表面（如墙壁、车身、飞行器等）共形配合的超薄轮廓设备是一种优势。实际上，由于使用了毫米波，可以轻松设计和制造出具有此类特征的天线，参见图6。

\qquad 他们的实验结果表明，这种采集系统，对于5G毫米波的当前发射功率配置（发射功率25 dBm，对应的EIRP约54 dBm），具有高达2.83米的采集能力；对于75 dBm EIRP的发射功率，如果使用最先进的整流器，能够在超过180米的条件下获得数微瓦的直流功率（180米处约6微瓦）。

图6. 基于Rotman-透镜的全柔性整流天线（图片来自：文献[1]）

5. 5G微瓦级无线电网的应用前景

\qquad 随着5G网络及其允许的高EIRP的出现，以及5G频率下先进整流二极管得以实用，完全可以在180米处获得数微瓦的直流功率。这些特性将会触发IoT中5G供电节点的出现，以及远程无源毫米波射频标签(RFIDs)的出现。

\qquad Rotman-透镜的大角度覆盖保证了：即使你把射频标签贴在一架飞行中的无人机上，它仍然可以可靠地采集来自整个城市的5G基站能量。

\qquad 乔治亚理工学院柔性电子学教授Tentzeris博士说，他们正在寻找资金，并渴望与电信公司合作。这是有道理的，这些公司可以在城市周围集成基于Rotman-透镜的整流天线贴纸（参见图7），以增强他们已经在建的5G网络。最终的结果可能是一种新时代的手机计划。

\qquad 目前，这样的整流天线贴纸还无法采集大量电能，只能从180米外采集到约6微瓦电能，或者勉强为一些小型IoT设备供电。但在实验室测试中，采集系统已经能够采集多很多倍的能量。

\qquad 此外，由于这样的系统完全可以印制，生产一个单元只需几美分。考虑到这一点，因此可以将整流天线贴纸嵌入可穿戴设备中，甚至可以将其缝合到衣服中。

\qquad 我们知道，最初的大部分纳米机器是由人体电力驱动的，因此其能力非常有限。展望未来，5G可以为真正的纳米机器人提供动力。

图7. 微型5G能量采集贴纸（图片来自：文献[2]）

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参考文献

[1] Aline Eid , Jimmy G. D. Hester, Manos M. Tentzeris, “5G as a wireless power grid” in Scientific Reports | (2021) 11:636 | https://doi.org/10.1038/s41598-020-79500-x.

[2] Silviu “Silview” Costinescu, “BOMBSHELL! 5G Network to Wirelessly Power Devices”, 2021. Available from the web page: https://silview.media/2021/05/08/bombshell-5g-network-to-wirelessly-power-devices-guess-what-it-can-do-to-nanotech-darpa-financed/.

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