1. Uvod
Radiofrekvenčno (RF) zbiranje energije (RFEH) in sevalni brezžični prenos energije (WPT) sta pritegnila veliko zanimanja kot metode za doseganje trajnostnih brezžičnih omrežij brez baterij. Rectennas so temelj sistemov WPT in RFEH in imajo pomemben vpliv na enosmerno moč, dovedeno bremenu. Antenski elementi rektenne neposredno vplivajo na učinkovitost žetve, ki lahko spremeni pridobljeno moč za več vrst velikosti. Ta članek obravnava zasnove anten, ki se uporabljajo v aplikacijah WPT in RFEH v okolju. Prijavljene rektene so razvrščene glede na dva glavna merila: pasovno širino usmerniške impedance antene in značilnosti sevanja antene. Za vsak kriterij se določi in primerjalno pregleda vrednost vrednosti (FoM) za različne aplikacije.
WPT je predlagal Tesla v začetku 20. stoletja kot metodo za prenos na tisoče konjskih moči. Izraz rectenna, ki opisuje anteno, povezano z usmernikom za pridobivanje RF moči, se je pojavil v petdesetih letih 20. stoletja za uporabo v vesoljskem mikrovalovnem prenosu energije in za napajanje avtonomnih dronov. Vsesmerni WPT velikega dosega je omejen s fizikalnimi lastnostmi medija za razmnoževanje (zrak). Zato je komercialni WPT v glavnem omejen na prenos energije brez sevanja v bližnjem polju za brezžično polnjenje potrošniške elektronike ali RFID.
Ker se poraba energije polprevodniških naprav in brezžičnih senzorskih vozlišč še naprej zmanjšuje, postaja senzorska vozlišča bolj izvedljiva za napajanje z ambientalnim RFEH ali z uporabo porazdeljenih vsesmernih oddajnikov nizke moči. Brezžični napajalni sistemi z izjemno nizko porabo so običajno sestavljeni iz sprednjega dela RF zajemanja, enosmernega napajanja in upravljanja pomnilnika ter mikroprocesorja in oddajnika-sprejemnika z nizko porabo.
Slika 1 prikazuje arhitekturo brezžičnega vozlišča RFEH in RF čelne izvedbe, o katerih se pogosto poroča. Učinkovitost brezžičnega napajalnega sistema od konca do konca in arhitektura sinhroniziranega brezžičnega omrežja za prenos informacij in moči je odvisna od delovanja posameznih komponent, kot so antene, usmerniki in vezja za upravljanje porabe energije. Za različne dele sistema je bilo izvedenih več raziskav literature. Tabela 1 povzema stopnjo pretvorbe moči, ključne komponente za učinkovito pretvorbo energije in ustrezne preglede literature za vsak del. Novejša literatura se osredotoča na tehnologijo pretvorbe moči, topologije usmernikov ali RFEH, ki se zaveda omrežja.
Slika 1
Vendar se zasnova antene ne šteje za kritično komponento v RFEH. Čeprav nekatera literatura obravnava pasovno širino in učinkovitost antene s splošnega vidika ali z vidika posebne zasnove antene, kot so miniaturne ali nosljive antene, vpliv nekaterih parametrov antene na učinkovitost sprejema moči in pretvorbe ni podrobno analiziran.
Ta članek pregleduje tehnike načrtovanja anten v rektenah s ciljem razlikovanja izzivov pri načrtovanju RFEH in WPT specifičnih anten od standardnega dizajna komunikacijske antene. Antene primerjamo z dveh vidikov: ujemanje impedance od konca do konca in značilnosti sevanja; v vsakem primeru se FoM identificira in pregleda v najsodobnejših (SoA) antenah.
2. Pasovna širina in ujemanje: RF omrežja brez 50 Ω
Karakteristična impedanca 50Ω je zgodnja obravnava kompromisa med slabljenjem in močjo v aplikacijah mikrovalovne tehnike. Pri antenah je impedančna pasovna širina opredeljena kot frekvenčno območje, kjer je odbita moč manjša od 10 % (S11< − 10 dB). Ker so nizkošumni ojačevalniki (LNA), močnostni ojačevalniki in detektorji običajno zasnovani z ujemanjem vhodne impedance 50 Ω, se tradicionalno uporablja vir 50 Ω.
Pri rekteni se izhod antene napaja neposredno v usmernik, nelinearnost diode pa povzroči veliko variacijo vhodne impedance, pri čemer prevladuje kapacitivna komponenta. Ob predpostavki antene 50 Ω je glavni izziv oblikovati dodatno RF-usklajevalno omrežje za pretvorbo vhodne impedance v impedanco usmernika pri frekvenci, ki nas zanima, in jo optimizirati za določeno raven moči. V tem primeru je potrebna pasovna širina impedance od konca do konca, da se zagotovi učinkovita pretvorba RF v DC. Zato, čeprav lahko antene dosežejo teoretično neskončno ali ultra široko pasovno širino z uporabo periodičnih elementov ali samokomplementarne geometrije, bo pasovna širina rektenne ozko grlo usmerjevalnega omrežja.
Predlaganih je bilo več topologij rektene za doseganje enopasovnega in večpasovnega zbiranja ali WPT z zmanjšanjem odbojev in maksimiranjem prenosa moči med anteno in usmernikom. Slika 2 prikazuje strukture prijavljenih topologij rectenna, kategorizirane glede na njihovo arhitekturo za ujemanje impedance. Tabela 2 prikazuje primere visoko zmogljivih rekten v zvezi s pasovno širino od konca do konca (v tem primeru FoM) za vsako kategorijo.
Slika 2 Topologije Rectenna z vidika ujemanja pasovne širine in impedance. (a) Enopasovna rektenna s standardno anteno. (b) Večpasovna rektenna (sestavljena iz več medsebojno sklopljenih anten) z enim usmernikom in ustreznim omrežjem na pas. (c) Širokopasovna rektenna z več RF vrati in ločenimi ujemajočimi se omrežji za vsak pas. (d) Širokopasovna rektenna s širokopasovno anteno in širokopasovnim ustreznim omrežjem. (e) Enopasovna rektenna, ki uporablja električno majhno anteno, neposredno usklajeno z usmernikom. (f) Enopasovna, električno velika antena s kompleksno impedanco za konjugijo z usmernikom. (g) Širokopasovna rektena s kompleksno impedanco za konjugijo z usmernikom v razponu frekvenc.
Medtem ko sta WPT in ambientalni RFEH iz namenskega vira različni aplikaciji rectenna, je doseganje ujemanja od konca do konca med anteno, usmernikom in obremenitvijo bistveno za doseganje visoke učinkovitosti pretvorbe moči (PCE) z vidika pasovne širine. Kljub temu se rektene WPT bolj osredotočajo na doseganje višjega ujemanja faktorja kakovosti (nižji S11) za izboljšanje enopasovnega PCE pri določenih ravneh moči (topologije a, e in f). Široka pasovna širina enopasovnega WPT izboljša odpornost sistema na razglasitve, proizvodne napake in parazite pri pakiranju. Po drugi strani imajo rektene RFEH prednost večpasovno delovanje in pripadajo topologijama bd in g, saj je spektralna gostota moči (PSD) enega pasu na splošno nižja.
3. Pravokotna zasnova antene
1. Enofrekvenčna rektena
Zasnova antene enofrekvenčne rektenne (topologija A) temelji predvsem na standardni zasnovi antene, kot je linearna polarizacija (LP) ali krožna polarizacija (CP) sevalna zaplata na ozemljitveni ravnini, dipolna antena in obrnjena F antena. Diferencialna pasovna rektena temelji na enosmernem kombiniranem nizu, konfiguriranem z več antenskimi enotami ali mešani enosmerni in RF kombinaciji več enot za povezovanje.
Ker je veliko predlaganih anten enofrekvenčnih anten in izpolnjujejo zahteve enofrekvenčnega WPT, se pri iskanju okoljskega večfrekvenčnega RFEH več enofrekvenčnih anten združi v večpasovne rektenne (topologija B) z medsebojnim dušenjem sklopitve in neodvisno kombinacijo enosmernega toka po vezju za upravljanje napajanja, da jih popolnoma izolirate od vezja za pridobivanje in pretvorbo RF. To zahteva več vezij za upravljanje porabe energije za vsak pas, kar lahko zmanjša učinkovitost ojačevalnega pretvornika, ker je enosmerna moč enega pasu nizka.
2. Večpasovne in širokopasovne RFEH antene
Okoljski RFEH je pogosto povezan z večpasovnim pridobivanjem; zato so bile predlagane različne tehnike za izboljšanje pasovne širine standardnih zasnov anten in metod za oblikovanje dvopasovnih ali pasovnih antenskih nizov. V tem razdelku pregledamo zasnove anten po meri za RFEH, pa tudi klasične večpasovne antene s potencialom za uporabo kot rektenne.
Monopolne antene s koplanarnim valovodom (CPW) zavzemajo manj površine kot mikrotrakaste antene z zaplatami pri isti frekvenci in proizvajajo valove LP ali CP ter se pogosto uporabljajo za širokopasovne okoljske rektenne. Odbojne ravnine se uporabljajo za povečanje izolacije in izboljšanje ojačanja, kar ima za posledico vzorce sevanja, podobne patch antenam. Koplanarne valovodne antene z režami se uporabljajo za izboljšanje pasovnih širin impedance za več frekvenčnih pasov, kot je 1,8–2,7 GHz ali 1–3 GHz. Antene z režami s povezanim napajanjem in antene z zaplatami se pogosto uporabljajo tudi v večpasovnih oblikah rekten. Slika 3 prikazuje nekatere poročane večpasovne antene, ki uporabljajo več kot eno tehniko za izboljšanje pasovne širine.
Slika 3
Ujemanje impedance antene in usmernika
Ujemanje 50Ω antene z nelinearnim usmernikom je zahtevno, ker se njegova vhodna impedanca močno spreminja s frekvenco. V topologijah A in B (slika 2) je skupno ujemanje omrežje LC ujemanje z uporabo strnjenih elementov; vendar je relativna pasovna širina običajno nižja od večine komunikacijskih pasov. Enopasovno usklajevanje se običajno uporablja v pasovih mikrovalovnih in milimetrskih valov pod 6 GHz, poročane rektene z milimetrskimi valovi pa imajo samo po sebi ozko pasovno širino, ker je njihova pasovna širina PCE ozka zaradi dušenja izhodnih harmonikov, zaradi česar so posebej primerne za enojne pasu WPT aplikacije v nelicenciranem pasu 24 GHz.
Rektene v topologijah C in D imajo bolj zapletena ujemajoča se omrežja. Za širokopasovno ujemanje so bila predlagana popolnoma porazdeljena omrežja za usklajevanje linij z RF blokom/kratkim stikom enosmernega toka (prepustni filter) na izhodnih vratih ali blokirnim kondenzatorjem enosmernega toka kot povratno potjo za diodne harmonike. Komponente usmernika je mogoče nadomestiti s tiskanimi vezji (PCB) interdigitalnimi kondenzatorji, ki so sintetizirani z uporabo komercialnih orodij za avtomatizacijo elektronskega načrtovanja. Druga poročana širokopasovna omrežja za ujemanje rectenna združujejo združene elemente za ujemanje z nižjimi frekvencami in porazdeljene elemente za ustvarjanje RF kratkega stika na vhodu.
Spreminjanje vhodne impedance, ki jo opazuje obremenitev skozi vir (znano kot tehnika vlečenja vira), je bilo uporabljeno za načrtovanje širokopasovnega usmernika s 57 % relativno pasovno širino (1,25–2,25 GHz) in 10 % višjim PCE v primerjavi z združenimi ali porazdeljenimi vezji . Čeprav so ujemajoča se omrežja običajno zasnovana tako, da ujemajo antene v celotni pasovni širini 50 Ω, obstajajo poročila v literaturi, kjer so bile širokopasovne antene povezane z ozkopasovnimi usmerniki.
Hibridna omrežja za ujemanje združenih elementov in porazdeljenih elementov so bila pogosto uporabljena v topologijah C in D, pri čemer so zaporedni induktorji in kondenzatorji najpogosteje uporabljeni združeni elementi. S tem se izognete zapletenim strukturam, kot so interdigitalni kondenzatorji, ki zahtevajo natančnejše modeliranje in izdelavo kot standardne mikrotrakaste linije.
Vhodna moč v usmernik vpliva na vhodno impedanco zaradi nelinearnosti diode. Zato je rektenna zasnovana tako, da poveča PCE za določeno raven vhodne moči in impedanco obremenitve. Ker so diode primarno kapacitivne z visoko impedanco pri frekvencah pod 3 GHz, so bile širokopasovne rektenne, ki odpravljajo ujemajoča se omrežja ali minimizirajo poenostavljena ujemajoča vezja, osredotočene na frekvence Prf>0 dBm in nad 1 GHz, saj imajo diode nizko kapacitivno impedanco in jih je mogoče dobro uskladiti. na anteno, s čimer se izognemo oblikovanju anten z vhodnimi reaktanci > 1.000 Ω.
Prilagodljivo ali rekonfigurabilno ujemanje impedance je bilo opaženo v CMOS rektenah, kjer je ujemajoča mreža sestavljena iz kondenzatorskih baterij in induktorjev na čipu. Predlagana so bila tudi statična ujemajoča se omrežja CMOS za standardne 50Ω antene kot tudi sooblikovana zankasta antena. Poročali so, da se pasivni detektorji moči CMOS uporabljajo za krmiljenje stikal, ki usmerjajo izhod antene na različne usmernike in ustrezna omrežja, odvisno od razpoložljive moči. Predlagano je bilo rekonfigurabilno ujemalno omrežje z uporabo pavšalnih nastavljivih kondenzatorjev, ki je uglašeno s fino nastavitvijo med merjenjem vhodne impedance z vektorskim analizatorjem omrežja. V rekonfigurabilnih mikrotrakastih ujemajočih se omrežjih so bila uporabljena tranzistorska stikala s poljskim učinkom za prilagoditev ujemajočih se števcev za doseganje dvopasovnih karakteristik.
Če želite izvedeti več o antenah, obiščite:
Čas objave: 9. avgust 2024
