1. Bevezetés
A rádiófrekvenciás (RF) energiatermelés (RFEH) és a sugárzásos vezeték nélküli teljesítményátvitel (WPT) nagy érdeklődésre tett szert, mint az akkumulátormentes, fenntartható vezeték nélküli hálózatok megvalósításának módszerei. A rectennák a WPT és RFEH rendszerek sarokkövei, és jelentős hatással vannak a terhelésre juttatott egyenáramú teljesítményre. A rectenna antennaelemei közvetlenül befolyásolják a begyűjtési hatékonyságot, ami több nagyságrenddel is befolyásolhatja a begyűjtött teljesítményt. Ez a tanulmány a WPT és a környezeti RFEH alkalmazásokban alkalmazott antennaterveket tekinti át. A bemutatott rectennákat két fő kritérium alapján osztályozzák: az antenna egyenirányító impedanciájának sávszélessége és az antenna sugárzási jellemzői. Minden kritérium esetében meghatározzák és összehasonlítóan áttekintik a különböző alkalmazásokra vonatkozó minőségi tényezőt (FoM).
A vezeték nélküli mikrohullámú teljesítményátvitelt (WPT) Tesla javasolta a 20. század elején több ezer lóerő átvitelének módszereként. A rectenna kifejezés, amely egy egyenirányítóhoz csatlakoztatott antennát jelöl, amely rádiófrekvenciás energiát termel, az 1950-es években jelent meg az űrben használt mikrohullámú teljesítményátviteli alkalmazásokhoz és az autonóm drónok táplálásához. A mindenirányú, nagy hatótávolságú WPT-t a terjedő közeg (levegő) fizikai tulajdonságai korlátozzák. Ezért a kereskedelmi WPT főként a közeli térben történő, nem sugárzó teljesítményátvitelre korlátozódik vezeték nélküli szórakoztatóelektronikai töltéshez vagy RFID-hez.
Ahogy a félvezető eszközök és a vezeték nélküli érzékelőcsomópontok energiafogyasztása folyamatosan csökken, egyre megvalósíthatóbbá válik az érzékelőcsomópontok környezeti RFEH (rádiófrekvenciás hőenergia) vagy elosztott, alacsony fogyasztású, mindenirányú adók használata. Az ultra-alacsony fogyasztású vezeték nélküli energiaellátó rendszerek általában egy RF adatgyűjtő előlapból, egyenáramú tápellátásból és memóriakezelésből, valamint egy 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. A vezeték nélküli energiaellátó rendszer teljes körű hatékonysága és a szinkronizált vezeték nélküli információ- és energiaátviteli hálózat architektúrája az egyes komponensek, például antennák, egyenirányítók és energiagazdálkodási áramkörök teljesítményétől függ. Számos szakirodalmi áttekintést végeztek a rendszer különböző részeire vonatkozóan. Az 1. táblázat összefoglalja a teljesítményátalakítási szakaszt, a hatékony teljesítményátalakítás kulcsfontosságú komponenseit és az egyes részekre vonatkozó kapcsolódó szakirodalmi áttekintéseket. A legújabb szakirodalom a teljesítményátalakítási technológiára, az egyenirányító topológiákra vagy a hálózattudatos RFEH-ra összpontosít.
1. ábra
Az antenna kialakítását azonban nem tekintik kritikus elemnek az RFEH esetében. Bár egyes szakirodalmak az antenna sávszélességét és hatékonyságát átfogóan vagy egy adott antennatervezés, például a miniatürizált vagy viselhető antennák szempontjából vizsgálják, bizonyos antennaparaméterek hatását a vételi teljesítményre és az átalakítási hatékonyságra nem elemzik részletesen.
Ez a tanulmány a rectennák antennatervezési technikáit tekinti át azzal a céllal, hogy megkülönböztesse az RFEH és WPT specifikus antennatervezési kihívásokat a standard kommunikációs antennatervezéstől. Az antennákat két szempontból hasonlítják össze: végponttól végpontig történő impedanciaillesztés és sugárzási jellemzők; mindkét esetben a FoM-et azonosítják és felülvizsgálják a legmodernebb (SoA) antennákban.
2. Sávszélesség és illesztés: Nem 50Ω-os RF hálózatok
Az 50Ω karakterisztikus impedancia egy korai szempont a mikrohullámú alkalmazásokban a csillapítás és a teljesítmény közötti kompromisszum szempontjából. Antennáknál az impedancia sávszélességét úgy definiálják, mint azt a frekvenciatartományt, ahol a visszavert teljesítmény kisebb, mint 10% (S11< −10 dB). Mivel az alacsony zajszintű erősítőket (LNA-kat), teljesítményerősítőket és detektorokat jellemzően 50Ω bemeneti impedanciával tervezik, hagyományosan egy 50Ω-os forrást referenciának tekintenek.
Egy rectenna esetében az antenna kimenete közvetlenül az egyenirányítóba kerül, és a dióda nemlinearitása nagy ingadozást okoz a bemeneti impedanciában, ahol a kapacitív komponens dominál. Egy 50Ω-os antennát feltételezve a fő kihívás egy további RF illesztő hálózat megtervezése, amely a bemeneti impedanciát az egyenirányító impedanciájává alakítja a kérdéses frekvencián, és optimalizálja azt egy adott teljesítményszintre. Ebben az esetben a hatékony RF-DC átalakítás biztosításához végponttól végpontig terjedő impedancia sávszélességre van szükség. Ezért, bár az antennák elméletileg végtelen vagy ultraszéles sávszélességet érhetnek el periodikus elemek vagy önkomplementer geometria használatával, a rectenna sávszélességét az egyenirányító illesztő hálózat szűk keresztmetszetben fogja tartani.
Számos rectenna topológiát javasoltak az egysávos és többsávos betakarítás vagy WPT elérésére a visszaverődések minimalizálásával és az antenna és az egyenirányító közötti teljesítményátvitel maximalizálásával. A 2. ábra a jelentett rectenna topológiák szerkezetét mutatja, impedancia-illesztési architektúrájuk szerint kategorizálva. A 2. táblázat nagy teljesítményű rectennákat mutat be a végponttól végpontig terjedő sávszélesség (jelen esetben FoM) tekintetében az egyes kategóriákban.
2. ábra A rectenna topológiái a sávszélesség és az impedancia illesztés szempontjából. (a) Egysávos rectenna standard antennával. (b) Többsávos rectenna (több kölcsönösen összekapcsolt antennából áll) egy egyenirányítóval és sávonként egy illesztő hálózattal. (c) Szélessávú rectenna több RF porttal és külön illesztő hálózatokkal minden sávhoz. (d) Szélessávú rectenna szélessávú antennával és szélessávú illesztő hálózattal. (e) Egysávos rectenna elektromosan kis antennával, amely közvetlenül az egyenirányítóhoz van illesztve. (f) Egysávos, elektromosan nagy antenna komplex impedanciával, amely az egyenirányítóval konjugálható. (g) Szélessávú rectenna komplex impedanciával, amely az egyenirányítóval egy frekvenciatartományban konjugálható.
Míg a WPT és a dedikált betáplálásból származó környezeti RFEH különböző rectenna alkalmazások, az antenna, az egyenirányító és a terhelés közötti végpont-végpont illesztés alapvető fontosságú a sávszélesség szempontjából a magas teljesítménykonverziós hatásfok (PCE) eléréséhez. Mindazonáltal a WPT rectennák inkább a magasabb minőségi tényező illesztésre (alacsonyabb S11) összpontosítanak, hogy javítsák az egysávos PCE-t bizonyos teljesítményszinteken (a, e és f topológiák). Az egysávos WPT széles sávszélessége javítja a rendszer immunitását az elhangolással, a gyártási hibákkal és a csomagolási parazitákkal szemben. Másrészt az RFEH rectennák a többsávos működést részesítik előnyben, és a bd és g topológiákhoz tartoznak, mivel egyetlen sáv teljesítményspektrum-sűrűsége (PSD) általában alacsonyabb.
3. Téglalap alakú antenna kialakítás
1. Egyfrekvenciás rectenna
Az egyfrekvenciás rectenna (A topológia) antennakialakítása főként a standard antennakialakításon alapul, mint például a lineáris polarizációjú (LP) vagy cirkuláris polarizációjú (CP) sugárzó folt az alaplapon, dipólantenna és invertált F antenna. A differenciálsávú rectenna több antennaegységből vagy több foltegységből álló vegyes DC és RF kombináción alapuló DC kombináció.
Mivel a javasolt antennák közül sok egyfrekvenciás antenna, és megfelel az egyfrekvenciás WPT követelményeinek, a környezeti többfrekvenciás RFEH elérése érdekében több egyfrekvenciás antennát kombinálnak többsávos rectennákba (B topológia), kölcsönös csatoláscsökkentéssel és független egyenáramú kombinációval a teljesítménykezelő áramkör után, hogy teljesen elszigeteljék őket az RF vételi és átalakítási áramkörtől. Ehhez minden sávhoz több teljesítménykezelő áramkörre van szükség, ami csökkentheti a boost konverter hatékonyságát, mivel egyetlen sáv egyenáramú teljesítménye alacsony.
2. Többsávos és szélessávú RFEH antennák
A környezeti RFEH-t gyakran a többsávos jelvétellel hozzák összefüggésbe; ezért számos technikát javasoltak a standard antennatervek sávszélességének javítására, valamint módszereket kétsávos vagy sávos antennatömbök kialakítására. Ebben a részben áttekintjük az RFEH-ekhez készült egyedi antennaterveket, valamint a klasszikus többsávos antennákat, amelyek potenciálisan rectennaként használhatók.
A koplanáris hullámvezető (CPW) monopólantennák kisebb területet foglalnak el, mint a mikrocsíkos patchantennák ugyanazon a frekvencián, és LP vagy CP hullámokat bocsátanak ki, ezért gyakran használják őket szélessávú környezeti rectennáknál. A reflexiós síkokat az izoláció növelésére és az erősítés javítására használják, ami a patchantennákhoz hasonló sugárzási mintázatokat eredményez. A réses koplanáris hullámvezető antennákat több frekvenciasáv, például 1,8–2,7 GHz vagy 1–3 GHz impedancia sávszélességének javítására használják. A csatolt táplálású réses antennákat és a patchantennákat szintén gyakran használják többsávos rectenna kialakításokban. A 3. ábra néhány olyan többsávos antennát mutat be, amelyek egynél több sávszélesség-javító technikát alkalmaznak.
3. ábra
Antenna-egyenirányító impedancia illesztés
Egy 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 illesztőhálózat egy LC illesztés, amely csoportosított elemeket használ; azonban a relatív sávszélesség általában alacsonyabb, mint a legtöbb kommunikációs sávé. Az egysávos ágillesztést általában a 6 GHz alatti mikrohullámú és milliméteres hullámú sávokban használják, és a jelentett milliméteres hullámú egyenirányítók eredendően keskeny sávszélességgel rendelkeznek, mivel PCE sávszélességüket a kimeneti harmonikus elnyomás szűkíti, ami különösen alkalmassá teszi őket az egysávos WPT alkalmazásokhoz a 24 GHz-es nem licencelt sávban.
A C és D topológiákban található rectennák összetettebb illesztő hálózatokkal rendelkeznek. A szélessávú illesztéshez teljesen elosztott vonali illesztő hálózatokat javasoltak, amelyek kimeneti portján RF blokk/DC rövidzárlat (áteresztő szűrő) vagy a diódaharmonikusok visszatérési útvonalaként egy DC blokkoló kondenzátor található. Az egyenirányító alkatrészek nyomtatott áramköri lapon (NYÁK) elhelyezett összefonódó kondenzátorokkal helyettesíthetők, amelyeket kereskedelmi forgalomban kapható elektronikai tervezőautomatizáló eszközökkel szintetizálnak. Más, korábban említett szélessávú rectenna illesztő hálózatok az alacsonyabb frekvenciákhoz való illesztéshez összevont elemeket, a bemeneten pedig elosztott elemeket kombinálnak.
A terhelés által egy forráson keresztül megfigyelt bemeneti impedancia változtatásával (forrás-húzás technikának nevezik) szélessávú egyenirányítót terveztek, amely 57%-os relatív sávszélességgel (1,25–2,25 GHz) és 10%-kal magasabb PCE-vel rendelkezik a csoportos vagy elosztott áramkörökhöz képest. Bár az illesztő hálózatokat jellemzően úgy tervezik, hogy az antennákat a teljes 50Ω-os sávszélességen illesztsék, a szakirodalomban vannak olyan beszámolók, ahol szélessávú antennákat keskeny sávú egyenirányítókhoz csatlakoztattak.
A hibrid, csoportosított és elosztott elemű illesztő hálózatokat széles körben alkalmazzák a C és D topológiákban, a soros induktivitások és kondenzátorok a leggyakrabban használt csoportosított elemek. Ezek elkerülik az olyan összetett struktúrákat, mint az összefonódó kondenzátorok, amelyek pontosabb modellezést és gyártást igényelnek, mint a hagyományos mikrocsíkos vonalak.
Az egyenirányító bemeneti teljesítménye a dióda nemlinearitása miatt befolyásolja a bemeneti impedanciát. Ezért a diódát úgy tervezték, hogy maximalizálja a PCE-t egy adott bemeneti teljesítményszint és terhelési impedancia mellett. Mivel a diódák elsősorban kapacitív, nagy impedanciájúak 3 GHz alatti frekvenciákon, a szélessávú diódák, amelyek kiküszöbölik az illesztési hálózatokat vagy minimalizálják az egyszerűsített illesztési áramköröket, a Prf>0 dBm és 1 GHz feletti frekvenciákra összpontosultak, mivel a diódák alacsony kapacitív impedanciával rendelkeznek, és jól illeszthetők az antennához, így elkerülhető az 1000Ω-nál nagyobb bemeneti reaktanciaértékű antennák tervezése.
Adaptív vagy újrakonfigurálható impedanciaillesztést figyeltek meg CMOS egyenirányítókban, ahol az illesztő hálózat chipre integrált kondenzátorbankokból és induktorokból áll. Statikus CMOS illesztő hálózatokat is javasoltak szabványos 50Ω-os antennákhoz, valamint közösen tervezett hurokantennákhoz. Jelentések szerint passzív CMOS teljesítménydetektorokat használnak olyan kapcsolók vezérlésére, amelyek az antenna kimenetét különböző egyenirányítókhoz és illesztő hálózatokhoz irányítják a rendelkezésre álló teljesítménytől függően. Javasoltak egy újrakonfigurálható illesztő hálózatot, amely csoportos hangolható kondenzátorokat használ, és amelyet finomhangolással hangolnak, miközben a bemeneti impedanciát egy vektorhálózati analizátorral mérik. Az újrakonfigurálható mikrocsíkos illesztő hálózatokban térvezérlésű tranzisztoros kapcsolókat használtak az illesztő csonkok beállítására a kétsávos karakterisztika elérése érdekében.
Az antennákról bővebben itt olvashat:
Közzététel ideje: 2024. augusztus 9.
