Конвертер для преобразования электромагнитной волны в постоянный электрический ток
Настоящее изобретение относится к области электротехники, в частности к конвертеру для преобразования электромагнитной волны в постоянный электрический ток. Технический результат заключается в упрощении конструкции конвертера. Конвертер содержит по меньшей мере одну антенну (1, 1') и по меньшей мере один выпрямитель (2) для преобразования переменного электрического тока в постоянный электрический ток, при этом указанный по меньшей мере один выпрямитель (2) последовательно соединен с указанной антенной. Антенна (1, 1') сконфигурирована для приема электромагнитной волны и резонирования на частоте указанной электромагнитной волны с выработкой переменного электрического тока, имеющего частоту, равную частоте указанной электромагнитной волны, а указанный выпрямитель содержит квантовый диод для выпрямления указанного переменного электрического тока с высокой скоростью. 14 з.п. ф-лы, 12 ил.
Настоящее изобретение относится к конвертеру для преобразования электромагнитной волны в постоянный электрический ток.
Более конкретно, изобретение относится к конструкции указанного конвертера, способного преобразовывать естественные и искусственные электромагнитные волны в постоянный электрический ток, в результате чего можно питать любую нагрузку, которая может быть связана с указанным конвертером.
Термин «электромагнитные волны» относится к электромагнитным волнам с частотами между 250 МГц и 750 ТГц, то есть к электромагнитным волнам с длиной волны между 1 мм и 400 нм (таким образом, этот спектр включает СВЧ, инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые волны).
Другими словами, речь идет об электромагнитных волнах с частотами, относящимися к инфракрасному спектру, электромагнитным волнам с частотами, относящимися к видимому спектру, и электромагнитным волнам с частотами, относящимися к ультрафиолетовому спектру и близкими к частотам, относящимся к видимому спектру.
К естественным электромагнитным волнам относятся электромагнитные волны земного и космического происхождения (включая также электромагнитные волны, идущие от солнца).
Например, свет, идущий от солнца, является смесью электромагнитных волн, у которых, с точки зрения оптического спектра, имеются длины волн, относящиеся к инфракрасному спектру, видимому спектру и к ультрафиолетовому спектру.
Космические электромагнитные волны прибывают из пространства (в частности, от Солнца) и состоят, помимо частиц, из рентгеновских лучей и гамма-лучей, а также электромагнитных волн с частотами от сотен МГц до сотен ТГц.
К искусственным электромагнитным волнам относятся электромагнитные волны, созданные искусственно в виде сигналов на соответствующих несущих, которые предназначены для приема радиотелевизионными устройствами, электронными мобильными устройствами или любым электрическим или электронным оборудованием в жилых помещениях, на промышленных предприятиях и для индивидуального использования.
Уровень техники
В настоящее время не известны конвертеры для преобразования электромагнитных волн в постоянный электрический ток.
В то же время известен электромагнитный коллектор, раскрытый в документе "Kotter et al. "Solar antenna electromagnetic collectors", Proceedings of ES2008, Energy Sustainability 2008, 14 August 2008".
Указанный электромагнитный коллектор способен детектировать излучение с длинами волн электромагнитного спектра и преобразовывать солнечную энергию в электроэнергию.
В частности, указанный конвертер состоит из наноантенн, способных резонировать на заранее заданных длинах волн, и туннельных диодов для выпрямления переменного электрического тока.
Однако указанный электромагнитный коллектор имеет недостатки.
Один из недостатков заключается в том, что электромагнитный коллектор не в состоянии обеспечить постоянный электрический ток, стабильный во времени.
Дополнительный недостаток состоит в том, что конструкция коллектора сложна, что выливается в значительные производственные затраты.
Цель изобретения
Цель настоящего изобретения состоит в преодолении указанных недостатков и создании конвертера для преобразования электромагнитных волн в постоянный электрический ток, имеющего простую конструкцию и низкую стоимость.
Предпочтительно, чтобы указанный конвертер мог питать любую нагрузку, соединенную с ним, постоянным электрическим током, производимым указанным конвертером.
Дополнительная цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы указанный конвертер мог осуществлять выпрямление переменного электрического тока в постоянный электрический ток с высокой скоростью.
Предмет изобретения
Поэтому предметом изобретения является конвертер для преобразования электромагнитных волн длиной от 1 мм до 400 нм в постоянный электрический ток, при этом указанный конвертер содержит:
- по меньшей мере одну антенну, сконфигурированную для приема электромагнитной волны и резонирования на частоте указанной электромагнитной волны с выработкой переменного электрического тока, имеющего частоту, равную частоте указанной электромагнитной волны,
- по меньшей мере один выпрямитель для преобразования указанного переменного электрического тока в постоянный электрический ток, при этом указанный по меньшей мере один выпрямитель последовательно соединен с указанной антенной.
При этом указанная антенна содержит:
диэлектрический слой, толщина которого равна одной четверти длины указанной электромагнитной волны, и
проводящий слой из металлического материала.
При этом указанный выпрямитель содержит квантовый диод, содержащий:
первый диэлектрический слой, содержащий первую поверхность и вторую поверхность, расположенную напротив указанной первой поверхности, при этом толщина первого диэлектрического слоя равна четверти длины волны указанной электромагнитной волны,
первый электрод или катод, выполненный из первого металлического материала, отличающегося от металлического материала проводящего слоя указанной антенны, при этом указанный первый электрод частично находится в контакте с первой поверхностью указанного первого диэлектрического слоя и частично в контакте с указанной антенной; в поперечном сечении указанный первый электрод имеет первую высоту и имеет первую сторону с первым концом, находящемся в контакте с первой поверхностью первого диэлектрического слоя, и вторым концом, противоположным первому концу, вторую сторону с первым концом, находящимся в контакте с первой поверхностью первого диэлектрического слоя, и вторым концом, противоположным первому концу, а также третью сторону, соединяющую второй конец указанной первой стороны со вторым концом указанной второй стороны, при этом указанная третья сторона имеет первый конец, находящийся в контакте со вторым концом указанной первой стороны, так что указанная первая сторона и указанная третья сторона имеют точку контакта,
второй диэлектрический слой, содержащий первую часть, при этом эта первая часть содержит первую секцию, находящуюся в контакте с частью указанной третьей стороны первого электрода, вторую секцию, находящуюся в контакте с указанной первой стороной указанного первого электрода, и третью секцию, находящуюся в контакте с частью первой поверхности указанного первого диэлектрического слоя, и
второй электрод или анод, выполненный из второго металлического материала, идентичного металлическому материалу указанной антенны, и находящийся частично в контакте с первой частью указанного второго диэлектрического слоя, так что указанный второй электрод отделен от указанного первого электрода указанной первой частью второго диэлектрического слоя; при этом в поперечном сечении указанный второй электрод имеет вторую высоту, большую, чем первая высота указанного первого электрода.
В частности, указанная первая сторона и указанная третья сторона расположены так, что формируют угол, больший чем 0° и меньший или равный 90°, так что, когда указанная антенна резонирует на частоте электромагнитной волны, соответствующее количество электронов перемещается с указанного первого электрода на указанный второй электрод, проходя посредством туннельного эффекта через указанный второй диэлектрический слой в указанной точке контакта.
Предпочтительно, указанный угол лежит между 5° и 30°.
Второй электрический слой может иметь толщину в пределах от 1,5 нм до 4 нм, предпочтительно 2 нм.
Кроме того, указанный второй диэлектрический слой может содержать вторую часть, пространственно отделенную от указанной первой части и содержащую первую секцию, находящуюся в контакте с другой частью указанной третьей стороны первого электрода, вторую секцию, находящуюся в контакте с указанной второй стороной указанного первого электрода, и третью секцию, находящуюся в контакте с другой частью первой поверхности указанного первого диэлектрического слоя.
В частности, расстояние между указанной второй частью и указанной первой частью лежит между 70 нм и 100 нм.
Квантовый диод может содержать поддерживающий слой, находящийся в контакте со второй поверхностью указанного первого диэлектрического слоя.
В первом альтернативном варианте указанный поддерживающий слой квантового диода выполнен из материала, выбранного из следующей группы: поликарбонат, полиэтилен, полиэфирная ткань, циклоолефиновые сополимеры, предпочтительно Topas.
Во втором альтернативном варианте указанный поддерживающий слой квантового диода выполнен из материала, выбранного из следующей группы: стекло, плексиглас.
В частности, в квантовом диоде указанный первый диэлектрический слой может быть выполнен из диоксида кремния, указанный первый электрод может быть выполнен из хрома, указанный второй диэлектрический слой может быть выполнен из оксида алюминия или диоксида гафния, а указанный второй электрод может быть изготовлен из золота.
В предложенной антенне диэлектрический слой имеет первую поверхность и вторую поверхность, противоположную указанной первой поверхности. В первом альтернативном варианте антенна может содержать:
упрочняющий слой, находящийся в контакте с первой поверхностью указанного диэлектрического слоя, при этом упрочняющий слой предпочтительно выполнен из хрома; и
поддерживающий слой, находящийся в контакте со второй поверхностью указанного диэлектрического слоя,
при этом указанный проводящий слой находится в контакте с указанным упрочняющим слоем, и указанный проводящий слой предпочтительно выполнен из золота.
Во втором альтернативном варианте указанный проводящий слой находится в контакте с первой поверхностью указанного диэлектрического слоя, при этом указанный проводящий слой предпочтительно выполнен из алюминия или меди.
Указанный поддерживающий слой антенны может быть выполнен из материала, выбранного из следующей группы: поликарбонат, полиэтилен, полиэфирная ткань, циклоолефиновые сополимеры, предпочтительно Topas.
Указанный диэлектрический слой антенны может быть выполнен из диоксида кремния.
Согласно изобретению, указанная антенна может содержать первый диполь и второй диполь и предпочтительно представляет собой плоскую антенну.
Кроме того, согласно изобретению, толщина указанной антенны может лежать между 0,3 мкм и 0,5 мкм, и предпочтительно равна 0,3 мкм.
Список чертежей
Ниже настоящее изобретение описано с целью иллюстрации, а не ограничения согласно вариантам его выполнения и со ссылками на сопровождающие чертежи, где:
на фиг. 1 схематично изображен первый вариант конвертера согласно изобретению, содержащего группу антенн и выпрямитель, последовательно соединенный с указанной группой антенн, при этом антенны указанной группы антенн соединены друг с другом последовательно, и каждая антенна сконфигурирована так, что резонирует на электромагнитной волне, имеющей длину волны, принадлежащую инфракрасному спектру;
на фиг. 2А схематично показана антенна из группы антенн конвертера, изображенного на фиг. 1, при этом указанная антенна имеет форму квадратной спирали и содержит первый диполь и второй диполь, каждый из которых содержит множество частей;
на фиг. 2 В схематично показана антенна из группы антенн конвертера, изображенного на фиг. 1, при этом показаны значения длин каждой части двух диполей, являющихся частями антенны;
на фиг. 2С схематично показана антенна из группы антенн конвертера, изображенного на фиг. 1, при этом показаны значения расстояний между различными частями двух диполей указанной антенны;
на фиг. 3 показано сечение, демонстрирующее слоистую структуру антенны из группы антенн конвертера, показанного на фиг. 1;
на фиг. 4 показан альтернативный вариант структуры слоев антенны из группы антенн конвертера, показанного на фиг. 1;
на фиг. 5 схематично показан выпрямитель конвертера;
на фиг. 6 схематично показан второй вариант конвертера согласно изобретению, содержащего группу антенн и один выпрямитель, последовательно соединенный с указанной группой антенн, при этом антенны из указанной группы антенн соединены друг с другом последовательно и каждая антенна сконфигурирована так, что резонирует на электромагнитной волне, имеющей длину волны, принадлежащую инфракрасному спектру и близкую к длинам волн видимого спектра;
на фиг. 7А схематично показана антенна из группы антенн конвертера, изображенного на фиг. 6, при этом указанная антенна имеет форму эллиптической спирали и содержит первый диполь и второй диполь, при этом показаны расстояние между первым концом первого диполя и первым концом второго диполя, размер второго конца первого диполя и второго конца второго диполя и расстояние между заранее заданной первой точкой первого диполя и заранее заданной второй точкой второго диполя;
на фиг. 7 В схематично показана антенна из группы антенн конвертера, изображенного на фиг. 6, при этом показано, как меняется расстояние между первым диполем и вторым диполем антенны в первом направлении от первого конца первого диполя до второго конца первого диполя, и как меняется расстояние между вторым диполем и первым диполем той же самой антенны во втором направлении от первого конца второго диполя до второго конца второго диполя;
на фиг. 7С схематично показана антенна из группы антенн конвертера, изображенного на фиг. 6, при этом показана ширина некоторых частей первого диполя и ширина некоторых частей второго диполя;
на фиг. 8 схематично показана конвертерная система, содержащая два конвертера, последовательно соединенные друг с другом.
Подробное описание
Повсюду в настоящем описании и в формуле изобретения термин «содержит» взаимозаменяем с термином «состоит из».
Со ссылкой на фиг. 1 описан первый вариант конвертера для преобразования электромагнитных волн в постоянный электрический ток.
Указанный конвертер содержит:
- по меньшей мере одну антенну 1, сконфигурированную для приема электромагнитной волны и резонирования на частоте указанной электромагнитной волны с выработкой переменного электрического тока, имеющего частоту, равную частоте указанной электромагнитной волны,
- по меньшей мере один выпрямитель 2 для преобразования указанного переменного электрического тока в постоянный электрический ток, при этом указанный по меньшей мере один выпрямитель 2 последовательно соединен с указанной антенной.
В частности, в этом варианте выполнения изобретения указанный конвертер содержит множество антенн, последовательно соединенных друг с другом.
Другими словами, указанный конвертер содержит группу антенн, которая может, в свою очередь, содержать одну или большее количество антенн.
Что касается антенн 1, каждая антенна 1 содержит:
диэлектрический слой 110 (показанный на фиг. 3), толщина которого равна одной четверти длины волны указанной электромагнитной волны,
проводящий слой 130, 130' из металлического материала (показан на фиг. 3 и фиг. 4).
В этом варианте выполнения настоящего изобретения указанная группа антенн содержит шестнадцать антенн, расположенных в виде матрицы 4×4, и выпрямитель 2, последовательно соединенный с антенной, который занимает в указанной матрице положение, определенное четвертой строкой и четвертым столбцом.
В частности, каждая антенна содержит первый диполь 1А и второй диполь 1B.
Кроме того, расстояние между антеннами, расположенными в строке указанной матрицы, и антеннами, расположенными в следующей строке указанной матрицы, равно 0,2 мкм.
Однако нет необходимости ни в том, чтобы указанная группа антенн содержала шестнадцать антенн, ни в том, чтобы указанные антенны были расположены в виде матрицы.
Например, в рамках изобретения, указанная группа антенн может содержать множество антенн в любом количестве и расположенных вдоль оси так, чтобы они формировали строку.
Каждая из указанных антенн сконфигурирована для резонирования на электромагнитных волнах, принадлежащих инфракрасному спектру и имеющих длину волны, равную 155,08 мкм (частота равна приблизительно 1,93 ТГц), и вырабатывает переменный электрический ток, имеющий частоту, равную частоте указанных электромагнитных волн.
Такие антенны позволяют принимать электромагнитные волны днем и ночью, потому что инфракрасное излучение присутствует и днем, и ночью.
Кроме того, каждая антенна 1 имеет геометрическую структуру по существу такой формы, что формирует квадратную спираль.
Фактически, как можно видеть, в частности, на фиг 2А, указанный первый диполь 1А и указанный второй диполь 1B выполнены так, что формируют по существу квадратную спираль.
В частности, указанные первый диполь 1А и второй диполь 1B имеют соответственно первую часть S1, S1', вторую часть S2, S2', перпендикулярную к указанной первой части, третью часть S3, S3', перпендикулярную к указанной второй части, четвертую часть S4, S4', перпендикулярную к указанной третьей части, пятую часть S5, S5', перпендикулярную к указанной четвертой части, шестую часть S6, S6', перпендикулярную к указанной пятой части, седьмую часть S7, S7', перпендикулярную к указанной шестой части, и восьмую часть S8, S8', перпендикулярную к указанной седьмой части.
В первом диполе 1А первая часть S1 параллельна третьей части S3, пятой части S5 и седьмой части S7, а вторая часть S2 параллельна четвертой части S4, шестой части S6 и восьмой части S8.
Во втором диполе 1B первая часть S1' параллельна третьей части S3', пятой части S5' и седьмой части S7', а вторая часть S2' параллельна четвертой части S4', шестой части S6' и восьмой части S8'.
Эти два диполя выполнены так, что первая часть S1 первого диполя 1А параллельна первой части S1' второго диполя 1B, а вторая часть S2 первого диполя 1А параллельна второй части S2' второго диполя 1B.
В первом варианте выполнения настоящего изобретения длина каждого диполя равна 19,3887 мкм, а антенна содержит множество слоев (как раскрыто ниже), включая проводящий слой из металлического материала, предпочтительно золота, толщиной 0,3 мкм.
На фиг. 2 В показаны длины каждой части двух диполей антенны 1 из группы антенн.
Все значения на фиг. 2 В выражены в мкм.
В первом диполе 1А длины каждой части равны:
длина первой части S1 1,8508 мкм,
длина второй части S2 4,775 мкм,
длина третьей части S3 3,5258 мкм,
длина четвертой части S4 3,4306 мкм,
длина пятой части S5 2,3696 мкм,
длина шестой части S6 2,1427 мкм,
длина седьмой части S7 1,3757 мкм,
длина восьмой части S8 0,9082 мкм.
Во втором диполе 1B длины каждой части равны:
длина первой части S1' 1,7523 мкм,
длина второй части S2' 4,7273 мкм,
длина третьей части S3' 3,5258 мкм,
длина четвертой части S4' 3,4367 мкм,
длина пятой части S5' 2,3652 мкм,
длина шестой части S6' 2,1414 мкм,
длина седьмой части S7 1,3911 мкм,
длина восьмой части S8' 0,9242 мкм
Ширина каждой части первого диполя составляет 0,3521 мкм и равна ширине каждой части второго диполя.
Кроме того, у первого диполя 1А и второго диполя 1B имеется соответствующий первый конец 11А, 11B и соответствующий второй конец 12А, 12 В.
Первый конец 11А первого диполя 1А связан с первой частью S1 первого диполя, а второй конец 12А первого диполя 1А связан с восьмой частью S8 первого диполя.
Длина первого конца 11А равна 0,9528 мкм (0,6007 мкм + 0,3521 мкм), а ширина первого конца 11А равна 0,5058 мкм.
Первый конец 11B второго диполя 1B связан с первой частью S1' второго диполя, а второй конец 12 В второго диполя 1B связан с восьмой частью S8' второго диполя.
Длина первого конца 11B равна 0,7676 мкм, а ширина первого конца 11B равна 0,5058 мкм.
Второй конец 11B первого диполя 1А антенны обращен ко второму концу 12 В второго диполя 1B той же самой антенны, а первый конец 11B второго диполя 1B указанной антенны соединен с первым концом 11А первого диполя 1А следующей антенны и соединен последовательно с указанной антенной, принадлежащей к той же самой группе антенн.
Расстояние между вторым концом 12А первого диполя 1А и вторым концом 12 В второго диполя 1B равно 0,22 мкм.
На фиг. 2С показаны расстояния между различными параллельными частями двух диполей антенны 1 из группы антенн.
Все численные значения, показанные в фиг. 2С, выражены в мкм.
Расстояния между диполями и толщины диполей выбраны так, чтобы создать диэлектрическую емкость между диполями для оптимизации резонанса самой антенны.
Расстояние между первой частью S1 первого диполя 1А и третьей частью второго диполя 1B равно 0,3108 мкм.
Расстояние между второй частью S2 первого диполя и четвертой частью S4' второго диполя равно 0,7730 мкм.
Расстояние между третьей частью S3 первого диполя 1А и первой частью S1' второго диполя равно 0,3092 мкм.
Расстояние между третьей частью S3 первого диполя 1А и пятой частью S5' второго диполя 1B равно 0,3110 мкм.
Расстояние между четвертой частью S4 первого диполя 1А и второй частью S2' второго диполя 1B равно 0,2750 мкм.
Расстояние между четвертой частью S4 первого диполя 1А и шестой частью S6' второго диполя 1B равно 0,2704 мкм.
Расстояние между пятой частью S5 первого диполя 1А и третьей частью S3' второго диполя 1B равно 0,3106 мкм.
Расстояние между пятой частью S5 первого диполя 1А и седьмой частью S7' второго диполя равно 0,3308 мкм.
Расстояние между шестой частью S6 первого диполя 1А и четвертой частью S4' второго диполя 1B равно 0,2706 мкм.
Расстояние между шестой частью S6 первого диполя 1А и восьмой частью S8' второго диполя 1B равно 0,1370 мкм.
Расстояние между седьмой частью S7 первого диполя 1А и пятой частью S5' второго диполя 1B равно 0,3126 мкм.
Расстояние между восьмой частью S8 первого диполя 1А и шестой частью S6' второго диполя равно 1B 0,1450 мкм.
Расстояние между восьмой частью S8 первого диполя 1А и седьмой частью S7' второго диполя 1B равно 0,3118 мкм.
На фиг. 3 показана многослойная конструкция антенны 1 из группы антенн.
Указанная антенна 1 содержит следующие слои, идущие последовательно от основания до верха:
- поддерживающий слой 100,
- диэлектрический слой 110
- упрочняющий слой 120 из металлического материала, предпочтительно хрома,
- проводящий слой 130 из металлического материала, предпочтительно золота.
В частности, диэлектрический слой 110 имеет первую поверхность 110А и вторую поверхность 110 В, противоположную по отношению к указанной первой поверхности 110А.
Упрочняющий слой 120 из хрома находится в контакте с первой поверхностью 110А диэлектрического слоя 110, а поддерживающий слой 100 находится в контакте со второй поверхностью 110 В диэлектрического слоя.
Проводящий слой 130 выполнен из золота, потому что золото - прекрасный проводник. Однако указанный проводящий слой из золота, если подвергнуть его изгибу, может деформироваться или даже сломаться, что создает риск блокировки пути для электрического тока. Следовательно, конструкция антенны предусматривает наличие упрочняющего слоя 120 из хрома для укрепления указанного проводящего слоя из золота.
Предпочтительно, указанный диэлектрический слой выполнен из диоксида кремния (SiO2).
Кроме того, предпочтительно, чтобы указанный поддерживающий слой 100 был выполнен из полимерного материала, такого как полиэтилен или поликарбонат.
В частности, указанный поддерживающий слой может быть выполнен из материала, выбранного из следующей группы: поликарбонат, полиэтилен, полиэфирная ткань, циклоолефиновые сополимеры, предпочтительно Topas.
Полимерный материал обеспечивает поддерживающему слою заранее заданную степень гибкости и обеспечивает массу указанной антенны.
Что касается упрочняющего слоя 120 и проводящего слоя 130, предпочтительно, чтобы упрочняющий слой 120 был выполнен на диэлектрическом слое 110 с помощью литографии, и проводящий слой 130 был выполнен на упрочняющем слое 120 с помощью литографии.
В альтернативном варианте выполнения настоящего изобретения, показанном на фиг. 4, каждая антенна 1 содержит следующие слои, последовательно идущие от основания до верха:
- поддерживающий слой 100,
- диэлектрический слой 110,
- проводящий слой 130' из металлического материала, предпочтительно алюминия или меди.
В частности, указанный проводящий слой 130' находится в контакте с первой поверхностью 110А указанного диэлектрического слоя 110, а указанный поддерживающий слой 100 находится в контакте со второй поверхностью 110 В указанного диэлектрического слоя 110.
Другими словами, в этом альтернативном варианте выполнения настоящего изобретения проводящий слой 130 из золота и упрочняющий слой 120 из хрома отсутствуют в конструкции антенны и заменены на проводящий слой 130' из алюминия или меди.
Наличие проводящего слоя из алюминия или меди позволяет сократить затраты на изготовление антенны.
Особо предпочтительно, чтобы проводящий слой 130' был выполнен на диэлектрическом слое 110 с помощью литографии.
На фиг. 3 схематично показана конструкция выпрямителя 2, сконфигурированного для преобразования переменного электрического тока, созданного группой антенн, в постоянный электрический ток, который может питать любую нагрузку, связанную с указанным выпрямителем.
Указанный выпрямитель 2 содержит квантовый диод, который содержит:
- первый диэлектрический слой 21, имеющий первую поверхность 21А и вторую поверхность 21B, противоположную указанной первой поверхности 21 А, при этом толщина первого диэлектрического слоя 21 равна четверти длины указанной электромагнитной волны,
- первый электрод или катод 22, изготовленный из первого металлического материала, отличающегося от металлического материала проводящего слоя 130 антенны 1, при этом первый электрод 22 частично находится в контакте с первой поверхностью 21А указанного первого диэлектрического слоя 21 и частично в контакте со указанной антенной 1,1' (в частности, с первым диполем 1А указанной антенны 1); в поперечном сечении указанный первый электрод 22 имеет первую высоту H1 и содержит первую сторону 221 с первым концом, находящемся в контакте с первой поверхностью 21А первого диэлектрического слоя 21, и вторым концом, находящемся напротив указанного первого конца, вторую сторону 222 с первым концом в контакте с первой поверхностью 21А первого диэлектрического слоя 21, и вторым концом, противоположным первому концу, а также третью сторону 223, соединяющую второй конец указанной первой стороны 221 со вторым концом указанной второй стороны 222, при этом указанная третья сторона 223 имеет первый конец, находящийся в контакте со вторым концом указанной первой стороны 221, так что указанная первая сторона и указанная третья сторона имеют точку Р контакта,
- второй диэлектрический слой 23, содержащий первую часть 231, при этом указанная первая часть содержит первую секцию 231 А, находящуюся в контакте с частью указанной третьей стороны 223 указанного первого электрода 22 и с частью указанной антенны 1 (в частности, с первым диполем 1А указанной антенны 1), вторую секцию 231B, находящуюся в контакте с указанной первой стороной 221 указанного первого электрода 22, и третью секцию 231С, находящуюся в контакте с частью первой поверхности 21А указанного первого диэлектрического слоя 21,
- второй электрод или анод 24, изготовленный из второго металлического материала, идентичного металлическому материалу проводящего слоя указанной антенны 1 и частично находящийся в контакте с первой частью указанного второго диэлектрического слоя 23, так что указанный второй электрод 24 отделен от указанного первого электрода 22 первой частью 231 второго диэлектрического слоя 23; причем в поперечном сечении указанный второй электрод 24 имеет вторую высоту Н2, большую, чем первая высота H1 указанного первого электрода 22.
В частности, указанные первая сторона 221 и третья сторона 223 первого электрода 22 выполнены так, что формируют угол, больший, чем 0°, и меньший или равный 90°, так что, когда каждая антенна 1 резонирует на частоте электромагнитной волны, соответствующее количество электронов перемещается от указанного первого электрода 22 к указанному второму электроду 24, проходя, благодаря туннельному эффекту, второй диэлектрический слой 23 в соответствующей точке Р контакта.
Соответственно, этот туннельный эффект представляет собой квантовый туннельный эффект, и указанное количество электронов способно пройти через второй диэлектрический слой 23, достигая второго электрода 24, но не имеет возможности вернуться к первому электроду 22 путем еще одного прохождения через второй диэлектрический слой 23.
На высокой частоте переход указанного количества электронов из первого электрода 22 ко второму электроду 24 имеет место за время Δt (порядка наносекунд), поэтому, как только второй электрод 24 достигнут, указанное количество электронов продолжает свое однонаправленное движение.
Квантовый диод не нагревается и более эффективен с точки зрения энергии по сравнению с диодом на р-n переходе, так как указанный квантовый диод рассеивает такое количество тепла и энергии, которые не существенны по сравнению с диодом на р-n переходе.
Предпочтительно, чтобы указанный угол лежал между 5° и 30°, чтобы способствовать переходу электронов от первого электрода 22 ко второму электроду 24 в единственной точке, то есть в указанной точке Р контакта, и уменьшить рассеяние электронов с целью получения большей эффективности преобразования переменного электрического тока в постоянный электрический ток.
В первом раскрытом варианте выполнения настоящего изобретения первый электрод 22 находится частично в контакте с первым диполем 1А антенны 1, но он мог бы находиться в контакте со вторым диполем 1B антенны 1 без выхода за рамки изобретения.
Кроме того, указанный диэлектрический слой 23 содержит вторую часть 232, пространственно отделенную от первой части 231, при этом указанная вторая часть 232 содержит первую секцию 232А, находящуюся в контакте с другой частью третьей стороны 223 первого электрода 22, вторую секцию 232 В, находящуюся в контакте со второй стороной 222 первого электрода 22, и третью секцию 232С, которая находится в контакте с другой частью первой поверхности 21А первого диэлектрического слоя 21.
Расстояние между второй частью 232 и первой частью 231, в частности расстояние между первой секцией 231А указанной первой части 231 и первой секцией 232А второй части 232 лежит между 70 нм и 100 нм.
Кроме того, в первом раскрытом варианте выполнения настоящего изобретения первый диэлектрический слой 21 выполнен из диоксида кремния (SiO2), первый металлический материал, из которого изготовлен первый электрод 22, представляет собой хром, второй диэлектрический слой 23 изготовлен из оксида алюминия (Al2O3), а второй металлический материал, из которого изготовлен второй электрод 24, представляет собой золото.
В альтернативном варианте выполнения настоящего изобретения во втором диэлектрическом слое 23 оксид алюминия может заменен на диоксид гафния (HfO2), что не выходит за рамки изобретения.
Кроме того, толщина указанного второго диэлектрического слоя выбрана так чтобы препятствовать электронам возвратиться на первый электрод после того, как они, перемещаясь от первого электрода 22 ко второму электроду 24, достигли указанного второго электрода.
Толщина указанного диэлектрического слоя 23 может лежать между 1,5 нм и 4 нм, и предпочтительно составляет 2 нм.
Как сказано выше, выпрямитель 2 содержит квантовый диод для преобразования переменного электрического тока в постоянный электрический ток.
В частности, как сказано выше, указанный диод представляет собой квантовый диод и имеет такую конструкцию, чтобы с высокой скоростью выпрямлять переменный электрический ток с преобразованием его в постоянный электрический ток.
Это обусловлено асимметрией конструкции квантового диода, а асимметрия указанной конструкции обусловлена различием металлического материала первого электрода 22 и второго электрода 24 и различием в высоте первого электрода 22 и второго электрода 24.
Кроме того, указанный квантовый диод содержит поддерживающий слой 20, находящийся в контакте со второй поверхностью 21B указанного первого диэлектрического слоя 21.
В первом альтернативном варианте выполнения настоящего изобретения поддерживающий слой 20 может иметь заранее заданную степень гибкости и может быть выполнен из материала, выбранного из следующей группы: полиэтилен, полиэстер.
Во втором альтернативном варианте выполнения настоящего изобретения указанный поддерживающий слой 20 может иметь заранее заданную степень жесткости и может быть выполнен из материала, выбранного из следующей группы: стекло, плексиглас.
Во втором варианте выполнения конвертера, показанном на фиг. 6 и отличающемся от первого варианта выполнения настоящего изобретения, каждая антенна 1 из группы антенны сконфигурирована так, чтобы резонировать на электромагнитных волнах, принадлежащих к инфракрасному спектру и имеющих длину волны, равную 11,2 мкм (частота приблизительно равна 26 ТГц), при этом указанная длина волны близка к длинам волн видимого спектра.
Во втором варианте выполнения настоящего изобретения группа антенн указанного конвертера содержит тридцать антенн 1', расположенных в виде матрицы 5×6, и выпрямитель 2, последовательно соединенный с антенной, которая занимает в указанной матрице положение, соответствующее пятой строке и шестому столбцу.
Однако нет необходимости, чтобы в указанную группу антенн входило тридцать антенн, или чтобы антенны были расположены в виде матрицы.
Например, в рамках изобретения указанная группа антенн может содержать множество антенн в любом количестве, расположенных вдоль оси с формированием ряда.
Каждая антенна 1' содержит первый диполь 1А' и второй диполь 1B' и имеет геометрическую структуру, по существу формирующую эллиптическую спираль.
Фактически, указанный первый диполь 1А' и указанный второй диполь 1B' искривлены и расположены так, что формируют эллиптическую спираль.
В частности, первый диполь 1А' и второй диполь 1B' имеют соответствующий первый конец 11А', 11B' и соответствующий второй конец 12А', 12 В'.
Второй конец 12 В' второго диполя 1B' антенны 1' обращен к концевой части первого диполя 1А', расположенного вблизи второго конца 12А' первого диполя 1А' той же антенны, а первый конец 11B' второго диполя 1B' указанной антенны соединен с первым концом 11А' первого диполя 1А' следующей антенны, последовательно соединенной с указанной антенной.
На фиг. 7А показаны значения расстояния между первым концом 11А' первого диполя 1А' и первым концом второго диполя 11B', расстояния между вторым концом 12А' первого диполя 1А' и вторым концом 12 В' второго диполя 1B' и расстояния между заранее заданной точкой первого диполя 1А' и заранее заданной точкой второго диполя 1B'.
Все численные значения, показанные на фиг. 7А, даны в мкм.
Как показано на фиг. 7А, расстояние между вторым концом 12А' первого диполя 1А' и вторым концом 12 В' второго диполя 1B' равно 0,2 мкм.
Форма указанной антенны 1' (включая первый диполь 1А' и второй диполь 1B') такова, что они вписаны в прямоугольник с основанием 2,53 мкм и высотой 2,55 мкм.
В частности, первый конец 11А' первого диполя 1А' и первый конец 11B' второго диполя 1B расположены на первой оси А, и расстояние между заранее заданной первой точкой D1 и заранее заданной второй точкой D2, расположенными на второй оси В, перпендикулярной к указанной первой оси А и проходящей через второй конец первого диполя 1А', равно 2,55 мкм.
На фиг. 7 В показано, как меняется расстояние между первым диполем 1А' и вторым диполем 1B' антенны 1' в первом направлении от конца 11А' первого диполя 1А' ко второму концу 12А' первого диполя 1А', и как меняется расстояние между вторым диполем 1B' и первым диполем 1А' той же самой антенны во втором направлении от первого конца 11B' второго диполя 1B' ко второму концу второго диполя 12 В'.
Все численные значения на фиг. 7 В даны в мкм.
Как видно на фиг. 7 В, расстояние между первым диполем 1А' и вторым диполем 1B' растет от первого значения, равного 0,27 мкм, до второго значения, равного 0,40 мкм, в первом направлении от первого конца 11А' первого диполя 1А ко второму концу 12А' первого диполя.
Расстояние между вторым диполем 1B' и первым диполем 1А' растет от первого значения, равного 0,33 мкм, до второго значения, равного 0,40 мкм, во втором направлении от первого конца 11B' второго диполя 1B' ко второму концу 12 В' второго диполя.
На фиг. 7С показана ширина некоторых элементов первого диполя 1А' и ширина некоторых элементов второго диполя 1B' антенны 1'. Все численные значения на фиг. 7С даны в мкм.
Как видно на фиг. 7С, ширина первого диполя 1А' растет от первого конца 11А' до заранее заданной части диполя, а затем постепенно уменьшается ко второму концу 12А' диполя.
Ширина первого диполя 1А' увеличивается от первого значения, равного 0,04 мкм, по существу на втором конце 12А', до второго значения, равного 0,25 мкм, по существу в части диполя, расположенной на расстоянии одной четверти длины первого диполя, а затем от указанного второго значения уменьшается до третьего значения, равного 0,22 мкм, по существу в части диполя, расположенной на расстоянии трех четвертей длины первого диполя, и от указанного третьего значения уменьшается до четвертого значения, равного 0,16 мкм, вблизи первого конца 11B второго диполя 1B'.
Ширина второго диполя 1B' увеличивается от первого значения, равного 0,04 мкм по существу на первом конце 11B', до второго значения, равного 0,25 мкм, по существу в части диполя, расположенной на расстоянии одной четверти длины второго диполя, а затем от указанного второго значения уменьшается до третьего значения, равного 0,15 мкм, по существу в части диполя, расположенной на расстоянии трех четвертей длины второго диполя, и от указанного третьего значения изменяется до четвертого значения, равного 0,16 мкм, вблизи второго конца 12 В' второго диполя 1B'.
В раскрытых вариантах выполнения настоящего изобретения каждая антенна предпочтительно выполнена с помощью нанотехнологий.
Кроме того, предпочтительно, чтобы антенна 1,1' представляла собой плоскую антенну.
Кроме того, толщина каждой антенны может быть между 0,3 мкм и 0,5 мкм, предпочтительно 0,3 мкм, чтобы антенна имела импеданс, превышающий сопротивление квантового диода. В частности, в раскрытых вариантах выполнения настоящего изобретения при такой толщине можно получить импеданс, равный или по существу равный 370 Ом, а у квантового диода, задаваемого диэлектрическим материалом второго диэлектрического слоя, сопротивление лежит между 140 Ом и 180 Ом.
На фиг. 8 показана конвертерная система для преобразования электромагнитной волны в постоянный электрический ток.
Указанная конвертерная система содержит первый конвертер, раскрытый в первом варианте выполнения настоящего изобретения, и второй конвертер, раскрытый во втором варианте выполнения настоящего изобретения, при этом указанный второй конвертер последовательно соединен с выпрямителем первого конвертера.
Однако указанная конвертерная система может содержать любое число конвертеров, связанных друг с другом последовательно, и указанные конвертеры могут также быть одинаковыми с точки зрения формы антенн, являющихся частью соответствующих групп антенн (например, у каждого конвертера может быть группа антенн, антенны в которой имеют геометрическую форму квадратной спирали или геометрическую форму эллиптической спирали, или каждая антенна группы антенн может содержать только один диполь), и может содержать одинаковое или разное количество антенн.
Как уже было указано, конвертер позволяет производить постоянный электрический ток из естественной или искусственной электромагнитной волны, что позволяет питать любую нагрузку, связанную с этим конвертером.
В частности, указанный конвертер позволяет преобразовывать электромагнитные волны с различными частотами в постоянный электрический ток.
Следовательно, и электромагнитные волны, создаваемые высокой температурой любого устройства, способного к генерировать тепло, такие как радиатор или двигатель, могут быть преобразованы в постоянный электрический ток.
Второе преимущество обусловлено тем фактом, что конвертер имеет простую конструкцию и, следовательно, низкую стоимость производства, а также низкую стоимость установки.
Третье преимущество обусловлено тем фактом, что конвертер способен производить постоянный электрический ток независимо от погодных условий и времени суток.
Четвертое преимущество состоит в том, что при использовании во внешней среде нет необходимости специально ориентировать конвертер, и он не нуждается в движущем средстве для его перемещения, например, в зависимости от положения солнца, поскольку достаточно, чтобы конвертер принимал электромагнитные волны.
Дополнительное преимущество обусловлено тем фактом, что конвертер имеет легкую конструкцию и чрезвычайно малую толщину, и поэтому безвреден для окружающей среды.
Настоящее изобретение описано только для иллюстрации, а не с целью ограничения, на примере предпочтительного варианта его выполнения, но очевидно, что специалисты могут сделать изменения и/или модификации без отхода от объема изобретения, который определяется пунктами формулы изобретения.
1. Конвертер для преобразования электромагнитных волн с длиной волны между 1 мм и 400 нм в постоянный электрический ток, содержащий:
- по меньшей мере одну антенну (1,1') сконфигурированную для приема электромагнитной волны и резонирования на частоте указанной электромагнитной волны с выработкой переменного электрического тока, имеющего частоту, равную частоте указанной электромагнитной волны,
- по меньшей мере один выпрямитель (2) для преобразования указанного переменного электрического тока в постоянный электрический ток, при этом указанный по меньшей мере один выпрямитель (2) последовательно соединен с указанной антенной (1,1'),
при этом указанная антенна (1,1') содержит:
диэлектрический слой (110), толщина которого равна одной четверти длины волны указанной электромагнитной волны, и
проводящий слой (130 130') из металлического материала; а указанный выпрямитель (2) содержит квантовый диод, содержащий:
первый диэлектрический слой (21), имеющий первую поверхность (21 А) и вторую поверхность (21 В), противоположную первой поверхности (21 А), при этом толщина первого диэлектрического слоя (21) равна одной четверти длины волны указанной электромагнитной волны,
первый электрод или катод (22), выполненный из первого металлического материала, отличающегося от металлического материала проводящего слоя (130 130') указанной антенны (1,1'), при этом первый электрод (22) частично находится в контакте с первой поверхностью (21 А) указанного первого диэлектрического слоя (21) и частично в контакте с указанной антенной (1,1'); в поперечном сечении первый электрод (22) имеет первую высоту (H1) и имеет первую сторону (221) с первым концом, находящимся в контакте с первой поверхностью (21 А) первого диэлектрического слоя (21), и вторым концом, противоположным первому концу, вторую сторону (222) с первым концом, находящимся в контакте с первой поверхностью (21 А) первого диэлектрического слоя (21), и вторым концом, противоположным первому концу, и третью сторону (223), соединяющую второй конец указанной первой стороны (221) со вторым концом указанной второй стороны (222), при этом указанная третья сторона (223) имеет первый конец, находящийся в контакте со вторым концом указанной первой стороны (221), так что указанная первая сторона и указанная третья сторона имеют точку контакта (Р),
второй диэлектрический слой (23), содержащий первую часть (231), при этом указанная первая часть содержит первую секцию (231 А), находящуюся в контакте с частью указанной третьей стороны (223) первого электрода (22), вторую секцию (231 В), находящуюся в контакте с указанной первой стороной (221) первого электрода (22), и третью секцию (231С), находящуюся в контакте с частью первой поверхности (21 А) указанного первого диэлектрического слоя (21),
второй электрод или анод (24), выполненный из второго металлического материала, идентичного металлическому материалу проводящего слоя (130 130') указанной антенны (1,1'), и находящийся частично в контакте с первой частью указанного второго диэлектрического слоя (23), так что указанный второй электрод (24) отделен от указанного первого электрода (22) указанной первой частью (231) второго диэлектрического слоя (23); при этом в поперечном сечении указанный второй электрод (24) имеет вторую высоту (Н2) большую, чем первая высота (H1) указанного первого электрода (22),
при этом указанная первая сторона (221) и указанная третья сторона (223) расположены так, что формируют угол больший, чем 0°, и меньший или равный 90°, так что каждая антенна (1,1') резонирует на частоте электромагнитной волны, и соответствующее количество электронов перемещается с указанного первого электрода (22) на указанный второй электрод (24), проходя посредством туннельного эффекта указанный второй диэлектрический слой (23) в указанной точке контакта (Р).
2. Конвертер по п. 1, отличающийся тем, что указанный угол лежит между 5° и 30°.
3. Конвертер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что толщина указанного второго диэлектрического слоя (23) составляет от 1,5 нм до 4 нм, предпочтительно 2 нм.
4. Конвертер по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что указанный второй диэлектрический слой (23) содержит вторую часть (232), пространственно отделенную от указанной первой части (231) и содержащую первую секцию (232А), находящуюся в контакте с другой частью указанной третьей стороны (223) первого электрода (22), вторую секцию (232 В), находящуюся в контакте с указанной второй стороной (222) первого электрода (22), и третью секцию (232С), находящуюся в контакте с другой частью первой поверхности (21 А) указанного первого диэлектрического слоя (21).
5. Конвертер по п. 4, отличающийся тем, что расстояние между указанной второй частью (232) и указанной первой частью (231) лежит между 70 нм и 100 нм.
6. Конвертер по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что указанный квантовый диод содержит поддерживающий слой (20), находящийся в контакте со второй поверхностью (21 В) указанного первого диэлектрического слоя (21).
7. Конвертер по п. 6, отличающийся тем, что указанный поддерживающий слой (20) квантового диода выполнен из материала, выбранного из следующей группы: поликарбонат, полиэтилен, полиэфирная ткань, циклоолефиновые сополимеры, предпочтительно Topas.
8. Конвертер по п. 6, отличающийся тем, что указанный поддерживающий слой (20) выполнен из материала, выбранного из следующей группы: стекло, плексиглас.
9. Конвертер по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что
указанный первый диэлектрический слой (21) выполнен из диоксида кремния,
указанный первый электрод (22) выполнен из хрома,
указанный второй диэлектрический слой (23) выполнен из оксида алюминия или диоксида гафния,
указанный второй электрод (24) выполнен из золота.
10. Конвертер по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что
диэлектрический слой (110) указанной антенны (1,1') имеет первую поверхность (110А) и вторую поверхность (110 В), противоположную указанной первой поверхности (110А),
при этом указанная антенна (1,1') содержит:
упрочняющий слой (120), находящийся в контакте с первой поверхностью (110А) указанного диэлектрического слоя (110), при этом упрочняющий слой (120) предпочтительно выполнен из хрома; и
поддерживающий слой (100), находящийся в контакте со второй поверхностью (110 В) указанного диэлектрического слоя (110),
при этом указанный проводящий слой (130) находится в контакте с указанным упрочняющим слоем (120), а указанный проводящий слой (130) предпочтительно выполнен из золота.
11. Конвертер по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что
диэлектрический слой (110) указанной антенны (1,1') имеет первую поверхность (110А) и вторую поверхность (110 В), противоположную указанной первой поверхности (110А),
при этом указанная антенна (1) содержит:
поддерживающий слой (100), находящийся в контакте со второй поверхностью (110 В) указанного диэлектрического слоя (110),
при этом указанный проводящий слой (130') находится в контакте с первой поверхностью (110А) указанного диэлектрического слоя (110), а указанный проводящий слой (130') предпочтительно выполнен из алюминия или меди.
12. Конвертер по п. 10 или 11, отличающийся тем, что указанный поддерживающий слой (100) указанной антенны (1, 1') выполнен из материала, выбранного из следующей группы: поликарбонат, полиэтилен, полиэфирная ткань, циклоолефиновые сополимеры, предпочтительно Topas.
13. Конвертер по любому из пп. 10-12, отличающийся тем, что указанный диэлектрический слой (110) выполнен из диоксида кремния.
14. Конвертер по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что указанная антенна (1,1') содержит первый диполь (1А, 1А') и второй диполь (1B, 1 В') и представляет собой плоскую антенну.
15. Конвертер по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что толщина указанной антенны (1,1') лежит между 0,3 мкм и 0,5 мкм и предпочтительно составляет 0,3 мкм.
