1.Bevezetés
A rádiófrekvenciás (RF) energiagyűjtés (RFEH) és a sugárzó vezeték nélküli energiaátvitel (WPT) nagy érdeklődést váltott ki az akkumulátor nélküli, fenntartható vezeték nélküli hálózatok megvalósításának módszereiként. A rectennák a WPT és RFEH rendszerek sarokkövei, és jelentős hatással vannak a terheléshez szállított egyenáramra. A rectenna antennaelemei közvetlenül befolyásolják a betakarítási hatékonyságot, ami több nagyságrenddel változtathatja a betakarított teljesítményt. Ez a cikk áttekinti a WPT és környezeti RFEH alkalmazásokban alkalmazott antennakialakításokat. A közölt rectennákat két fő kritérium szerint osztályozzák: az antenna egyenirányító impedancia sávszélessége és az antenna sugárzási jellemzői. Minden egyes kritérium esetében meghatározzák és összehasonlítják a különböző pályázatokhoz tartozó érdemi adatokat (FoM).
A WPT-t a Tesla javasolta a 20. század elején, mint módszert több ezer lóerő átvitelére. A rectenna kifejezés, amely egy egyenirányítóhoz csatlakoztatott antennát ír le a rádiófrekvenciás energiát gyűjteni, az 1950-es években jelent meg az űrben használt mikrohullámú energiaátviteli alkalmazások és az autonóm drónok táplálására. A mindenirányú, nagy hatótávolságú WPT-t a terjedési közeg (levegő) fizikai tulajdonságai korlátozzák. Ezért a kereskedelmi WPT főként a közeli, nem sugárzó teljesítményátvitelre korlátozódik vezeték nélküli fogyasztói elektronikai töltéshez vagy RFID-hez.
Ahogy a félvezető eszközök és a vezeték nélküli érzékelőcsomópontok energiafogyasztása folyamatosan csökken, megvalósíthatóbbá válik az érzékelőcsomópontok áramellátása környezeti RFEH vagy elosztott, kis teljesítményű mindenirányú adók használatával. Az ultra-alacsony fogyasztású vezeték nélküli energiaellátó rendszerek általában egy rádiófrekvenciás adatgyűjtő előtérből, egyenáramú tápellátás- és memóriakezelésből, valamint alacsony fogyasztású mikroprocesszorból és adó-vevőből állnak.
Az 1. ábra egy RFEH vezeték nélküli csomópont architektúráját és a gyakran jelentett RF front-end implementációkat mutatja be. A vezeték nélküli energiaellátó rendszer végpontok közötti hatékonysága és a szinkronizált vezeték nélküli információs és energiaátviteli hálózat architektúrája az egyes alkatrészek, például antennák, egyenirányítók és energiagazdálkodási áramkörök teljesítményétől függ. Számos szakirodalmi felmérés készült a rendszer különböző részeire vonatkozóan. Az 1. táblázat összefoglalja a teljesítményátalakítási szakaszt, a hatékony energiaátalakítás kulcsfontosságú összetevőit, valamint az egyes részekre vonatkozó szakirodalmi felméréseket. A legújabb szakirodalom a teljesítményátalakítási technológiára, az egyenirányító topológiákra vagy a hálózattudatos RFEH-re összpontosít.
1. ábra
Az antenna kialakítását azonban nem tekintik kritikus elemnek az RFEH-ben. Bár egyes szakirodalom az antenna sávszélességét és hatékonyságát általános perspektívából vagy egy adott antenna tervezési perspektívából vizsgálja, mint például a miniatürizált vagy hordható antennák, bizonyos antennaparaméterek hatását a teljesítmény vételére és az átalakítási hatékonyságra nem elemzik részletesen.
Ez a cikk áttekinti a rectennák antennatervezési technikáit azzal a céllal, hogy megkülönböztesse az RFEH- és WPT-specifikus antennatervezési kihívásokat a szabványos kommunikációs antennatervezéstől. Az antennákat két szempontból hasonlítják össze: végpontok közötti impedancia illesztés és sugárzási jellemzők; minden esetben a FoM azonosítása és felülvizsgálata a legmodernebb (SoA) antennákban történik.
2. Sávszélesség és illesztés: Nem 50Ω RF hálózatok
Az 50Ω-os karakterisztikus impedancia a csillapítás és a teljesítmény közötti kompromisszum korai megfontolása a mikrohullámú mérnöki alkalmazásokban. Az antennáknál az impedancia sávszélessége az a frekvenciatartomány, ahol a visszavert teljesítmény kisebb, mint 10% (S11< − 10 dB). Mivel az alacsony zajszintű erősítőket (LNA-k), a teljesítményerősítőket és az érzékelőket általában 50 Ω-os bemeneti impedancia-illesztéssel tervezték, hagyományosan 50 Ω-os forrást használnak.
A rectennában az antenna kimenete közvetlenül az egyenirányítóba kerül, és a dióda nemlinearitása nagy eltérést okoz a bemeneti impedanciában, a kapacitív komponens dominál. 50Ω-os antennát feltételezve a fő kihívás egy további RF illesztő hálózat tervezése, amely a bemeneti impedanciát az egyenirányító impedanciájává alakítja a kívánt frekvencián, és optimalizálja azt egy adott teljesítményszinthez. Ebben az esetben végpontok közötti impedancia sávszélességre van szükség a hatékony RF-DC konverzió biztosításához. Ezért, bár az antennák elméletileg végtelen vagy ultraszéles sávszélességet érhetnek el periodikus elemek vagy önkiegészítő geometria használatával, a rectenna sávszélességét az egyenirányító illesztő hálózat szűkíti.
Számos rectenna topológiát javasoltak az egysávos és többsávos begyűjtés vagy WPT eléréséhez a visszaverődések minimalizálásával és az antenna és az egyenirányító közötti teljesítményátvitel maximalizálásával. A 2. ábra a közölt rectenna topológiák struktúráit mutatja, impedanciaillesztési architektúra szerint kategorizálva. A 2. táblázat példákat mutat be a nagy teljesítményű rectennákra a végpontok közötti sávszélesség (ebben az esetben FoM) tekintetében az egyes kategóriákban.
2. ábra Rectenna topológiák a sávszélesség és impedancia illesztés szempontjából. (a) Egysávos rectenna szabványos antennával. b) Többsávos rectenna (több, egymással összekapcsolt antennából áll), sávonként egy egyenirányítóval és megfelelő hálózattal. (c) Szélessávú rectenna több RF porttal és minden sávhoz külön megfelelő hálózattal. d) Szélessávú antenna szélessávú antennával és szélessávú megfelelő hálózattal. (e) Egysávos egyenirányító elektromosan kisméretű, közvetlenül az egyenirányítóhoz illesztett antennával. f) Egysávos, elektromosan nagy antenna komplex impedanciával az egyenirányítóhoz való konjugáláshoz. (g) Szélessávú egyenirányító komplex impedanciával, amely az egyenirányítóval konjugálható frekvenciatartományban.
Míg a dedikált betáplálásból származó WPT és az ambient RFEH különböző rectenna alkalmazások, az antenna, az egyenirányító és a terhelés közötti végpontok közötti egyeztetés alapvető fontosságú a nagy teljesítményátalakítási hatékonyság (PCE) eléréséhez a sávszélesség szempontjából. Mindazonáltal a WPT rectennák jobban összpontosítanak a magasabb minőségi faktorillesztésre (alacsonyabb S11), hogy javítsák az egysávos PCE-t bizonyos teljesítményszinteken (a, e és f topológia). Az egysávos WPT széles sávszélessége javítja a rendszer immunitását a hangolással, a gyártási hibákkal és a csomagolási parazitákkal szemben. Másrészt az RFEH rectennák előnyben részesítik a többsávos működést, és a bd és g topológiákhoz tartoznak, mivel egyetlen sáv teljesítményspektrális sűrűsége (PSD) általában alacsonyabb.
3. Téglalap alakú antenna kialakítás
1. Egyfrekvenciás rectenna
Az egyfrekvenciás rectenna (A topológia) antennakialakítása főként a szabványos antennakialakításon alapul, például lineáris polarizáción (LP) vagy körpolarizáción (CP) az alapsíkon sugárzó folt, dipólus antenna és fordított F antenna. A differenciálsávú rectenna több antennaegységgel konfigurált DC kombinációs tömbön vagy több patch egység vegyes DC és RF kombinációján alapul.
Mivel a javasolt antennák közül sok egyfrekvenciás antenna, és megfelel az egyfrekvenciás WPT követelményeinek, a környezeti többfrekvenciás RFEH keresésekor több egyfrekvenciás antennát kombinálnak többsávos antennákká (B topológia), kölcsönös csatoláselnyomással és független egyenáramú kombináció az energiagazdálkodási áramkör után, hogy teljesen elszigetelje őket az RF gyűjtő és átalakító áramkörtől. Ez több energiagazdálkodási áramkört igényel minden sávhoz, ami csökkentheti a fokozó konverter hatékonyságát, mivel egyetlen sáv egyenáramú teljesítménye alacsony.
2. Többsávos és szélessávú RFEH antennák
A környezetvédelmi RFEH gyakran társul többsávos beszerzéshez; ezért számos technikát javasoltak a szabványos antennatervek sávszélességének javítására, valamint a kétsávos vagy sávos antennatömbök kialakítására szolgáló módszereket. Ebben a részben áttekintjük az RFEH-k egyedi antennaterveit, valamint a klasszikus többsávos antennákat, amelyek antennaként is használhatók.
A koplanáris hullámvezető (CPW) monopólus antennák kisebb területet foglalnak el, mint az azonos frekvenciájú mikroszalagos patch antennák, és LP vagy CP hullámokat produkálnak, és gyakran használják szélessávú környezeti antennákhoz. A reflexiós síkokat az izoláció növelésére és az erősítésre használják, ami a patch antennákhoz hasonló sugárzási mintákat eredményez. A réses koplanáris hullámvezető antennákat több frekvenciasáv, például 1,8–2,7 GHz vagy 1–3 GHz impedanciasávszélességének javítására használják. A csatolt táplálású résantennákat és patch-antennákat is gyakran használják a többsávos rectenna kialakításokban. A 3. ábra néhány jelentett többsávos antennát mutat be, amelyek egynél több sávszélesség-javító technikát alkalmaznak.
3. ábra
Antenna-egyenirányító impedancia illesztés
Az 50Ω-os antenna nemlineáris egyenirányítóhoz való illesztése kihívást jelent, mivel a bemeneti impedanciája nagymértékben változik a frekvencia függvényében. Az A és B topológiákban (2. ábra) a közös illesztési hálózat egy LC illesztés, amely csomózott elemeket használ; azonban a relatív sávszélesség általában kisebb, mint a legtöbb kommunikációs sáv. Az egysávos csonkillesztést általában a 6 GHz alatti mikrohullámú és milliméteres hullámsávokban használják, és a közölt milliméteres rectennák eleve szűk sávszélességűek, mivel a PCE sávszélességet szűk keresztmetszetet okoz a kimeneti harmonikus elnyomás, ami különösen alkalmassá teszi őket egy- sávú WPT alkalmazások a 24 GHz-es licenc nélküli sávban.
A C és D topológiák rectennái bonyolultabb illeszkedő hálózatokkal rendelkeznek. Teljesen elosztott vonalillesztő hálózatokat javasoltak a szélessávú illesztéshez, RF blokk/DC rövidzárlattal (áteresztő szűrő) a kimeneti porton, vagy egy egyenáramú blokkoló kondenzátorral a dióda harmonikusok visszatérési útjaként. Az egyenirányító alkatrészei nyomtatott áramköri lapon (PCB) interdigitált kondenzátorokkal helyettesíthetők, amelyeket kereskedelmi elektronikai tervezési automatizálási eszközökkel szintetizálnak. Más jelentett szélessávú rectenna illesztő hálózatok egyesítik az összeillesztett elemeket az alacsonyabb frekvenciákhoz való illesztéshez és az elosztott elemeket, hogy RF rövidzárlatot hozzanak létre a bemeneten.
A terhelés által egy forráson keresztül megfigyelt bemeneti impedancia változtatását (forrás-húzó technikának hívják) használták egy szélessávú egyenirányító tervezésére, amely 57%-os relatív sávszélességgel (1,25–2,25 GHz) és 10%-kal magasabb PCE-vel rendelkezik, mint az összegyűjtött vagy elosztott áramkörökhöz képest. . Bár az illesztő hálózatokat általában úgy tervezték, hogy az antennákat a teljes 50 Ω-os sávszélességen illesszék, a szakirodalomban vannak olyan beszámolók, ahol szélessávú antennákat csatlakoztattak keskeny sávú egyenirányítókhoz.
A C és D topológiákban széles körben alkalmazzák a hibrid csomózott elemű és elosztott elemű illesztő hálózatokat, ahol a soros induktorok és kondenzátorok a leggyakrabban használt csomózott elemek. Ezek elkerülik az olyan összetett szerkezeteket, mint például az interdigitális kondenzátorok, amelyek pontosabb modellezést és gyártást igényelnek, mint a szabványos mikroszalagos vonalak.
Az egyenirányító bemeneti teljesítménye befolyásolja a bemeneti impedanciát a dióda nemlinearitása miatt. Ezért a rectennát úgy tervezték, hogy maximalizálja a PCE-t egy adott bemeneti teljesítményszinthez és terhelési impedanciához. Mivel a diódák elsősorban kapacitív, nagy impedanciájúak 3 GHz alatti frekvenciákon, a szélessávú rectennák, amelyek kiküszöbölik az illeszkedő hálózatokat vagy minimalizálják az egyszerűsített illesztési áramköröket, a Prf>0 dBm és 1 GHz feletti frekvenciákra összpontosítottak, mivel a diódák kapacitív impedanciája alacsony és jól illeszthetők. az antennához, így elkerülhető a bemeneti reaktanciájú antennák kialakítása >1000Ω.
Adaptív vagy újrakonfigurálható impedanciaillesztést észleltek a CMOS rectennákban, ahol az illesztési hálózat chipen lévő kondenzátor bankokból és induktorokból áll. Statikus CMOS-illesztő hálózatokat is javasoltak szabványos 50Ω-os antennákhoz, valamint közös tervezésű hurokantennákhoz. Beszámoltak arról, hogy a passzív CMOS teljesítményérzékelőket olyan kapcsolók vezérlésére használják, amelyek az antenna kimenetét a rendelkezésre álló teljesítménytől függően különböző egyenirányítókhoz és megfelelő hálózatokhoz irányítják. Egy csomópontos hangolható kondenzátorokat használó újrakonfigurálható illesztőhálózatot javasoltak, amelyet finomhangolással, miközben a bemeneti impedanciát vektoros hálózati elemzővel mérik. Az újrakonfigurálható mikroszalagos illesztési hálózatokban térhatású tranzisztoros kapcsolókat használtak az illesztő csonkok beállítására a kétsávos jellemzők elérése érdekében.
Ha többet szeretne megtudni az antennákról, látogasson el a következő oldalra:
Feladás időpontja: 2024-09-09
