1. Uvod
Izkoriščanje radiofrekvenčne (RF) energije (RFEH) in sevalni brezžični prenos energije (WPT) sta pritegnila veliko zanimanje kot metodi za doseganje trajnostnih brezžičnih omrežij brez baterij. Rektene so temelj sistemov WPT in RFEH ter imajo pomemben vpliv na enosmerno moč, ki se oddaja obremenitvi. Antenski elementi rektne neposredno vplivajo na učinkovitost izkoriščanja, kar lahko spremeni izkoriščeno moč za več velikostnih razredov. Ta članek pregleda zasnove anten, ki se uporabljajo v aplikacijah WPT in ambient RFEH. Predstavljene rektne so razvrščene po dveh glavnih merilih: pasovni širini usmerjevalne impedance antene in sevalnih značilnostih antene. Za vsako merilo je določena in primerjalno pregledana vrednost (FoM) za različne aplikacije.
Brezžično prenosno napajanje (WPT) je Tesla predlagal v začetku 20. stoletja kot metodo za prenos tisočih konjskih moči. Izraz rektena, ki opisuje anteno, povezano z usmernikom za zbiranje radiofrekvenčne energije, se je pojavil v petdesetih letih prejšnjega stoletja za aplikacije prenosa mikrovalovne energije v vesolju in za napajanje avtonomnih dronov. Vsesmerno WPT z dolgim dosegom omejujejo fizikalne lastnosti medija za širjenje (zrak). Zato je komercialno WPT omejeno predvsem na nesevalni prenos energije v bližnjem polju za brezžično polnjenje potrošniške elektronike ali RFID.
Ker se poraba energije polprevodniških naprav in brezžičnih senzorskih vozlišč še naprej zmanjšuje, postaja vse bolj izvedljivo napajati senzorska vozlišča z uporabo ambientalne RFEH ali z uporabo porazdeljenih nizkoenergijskih vsesmernih oddajnikov. Brezžični napajalni sistemi z ultra nizko porabo energije običajno sestavljajo RF zajemalni vhod, enosmerno napajanje in upravljanje pomnilnika ter nizkoenergijski mikroprocesor in oddajnik-sprejemnik.
Slika 1 prikazuje arhitekturo brezžičnega vozlišča RFEH in pogosto opisane implementacije RF sprednjega dela. Učinkovitost brezžičnega napajalnega sistema od začetka do konca in arhitektura sinhroniziranega brezžičnega omrežja za prenos informacij in moči sta odvisni od delovanja posameznih komponent, kot so antene, usmerniki in vezja za upravljanje porabe energije. Za različne dele sistema je bilo izvedenih več pregledov literature. Tabela 1 povzema fazo pretvorbe moči, ključne komponente za učinkovito pretvorbo moči in sorodne preglede literature za vsak del. Novejša literatura se osredotoča na tehnologijo pretvorbe moči, topologije usmernikov ali omrežno ozaveščeni RFEH.
Slika 1
Vendar pa zasnova antene ni obravnavana kot kritična komponenta pri RFEH. Čeprav nekatera literatura obravnava pasovno širino in učinkovitost antene s splošnega vidika ali z vidika specifične zasnove antene, kot so miniaturizirane ali nosljive antene, vpliv določenih parametrov antene na sprejem moči in učinkovitost pretvorbe ni podrobno analiziran.
Ta članek obravnava tehnike načrtovanja anten v rektenah s ciljem razlikovanja med izzivi načrtovanja anten, specifičnimi za RFEH in WPT, in standardnimi komunikacijskimi antenami. Antene so primerjane z dveh vidikov: usklajevanje impedance od konca do konca in sevalne karakteristike; v vsakem primeru je FoM identificiran in pregledan v najsodobnejših (SoA) antenah.
2. Pasovna širina in ujemanje: RF omrežja, ki niso 50 Ω
Karakteristična impedanca 50 Ω je zgodnji dejavnik kompromisa med slabljenjem in močjo v mikrovalovnih inženirskih aplikacijah. Pri antenah je pasovna širina impedance definirana kot frekvenčno območje, kjer je odbita moč manjša od 10 % (S11 < −10 dB). Ker so nizkošumni ojačevalniki (LNA), ojačevalniki moči in detektorji običajno zasnovani z usklajevanjem vhodne impedance 50 Ω, se tradicionalno uporablja vir 50 Ω.
V usmerniku se izhod antene neposredno dovaja v usmernik, nelinearnost diode pa povzroča veliko nihanje vhodne impedance, pri čemer prevladuje kapacitivna komponenta. Ob predpostavki antene z impedanco 50 Ω je glavni izziv zasnova dodatnega RF usklajevalnega omrežja, ki bi pretvorilo vhodno impedanco v impedanco usmernika pri frekvenci, ki nas zanima, in jo optimiziralo za določeno raven moči. V tem primeru je za zagotovitev učinkovite pretvorbe RF v enosmerni tok potrebna pasovna širina impedance od konca do konca. Čeprav lahko antene teoretično dosežejo neskončno ali ultra široko pasovno širino z uporabo periodičnih elementov ali samokomplementarne geometrije, bo pasovna širina usmernika ozko grlo omejena z usklajevalnim omrežjem usmernika.
Za doseganje enopasovnega in večpasovnega zajemanja ali WPT z zmanjšanjem odbojev in maksimiranjem prenosa moči med anteno in usmernikom je bilo predlaganih več topologij rekten. Slika 2 prikazuje strukture opisanih topologij rekten, razvrščenih glede na njihovo arhitekturo usklajevanja impedance. Tabela 2 prikazuje primere visokozmogljivih rekten glede na pasovno širino od konca do konca (v tem primeru FoM) za vsako kategorijo.
Slika 2 Topologije rektene z vidika pasovne širine in usklajevanja impedance. (a) Enopasovna rektena s standardno anteno. (b) Večpasovna rektena (sestavljena iz več medsebojno povezanih anten) z enim usmernikom in usklajevalnim omrežjem na pas. (c) Širokopasovna rektena z več RF vrati in ločenimi usklajevalnimi omrežji za vsak pas. (d) Širokopasovna rektena s širokopasovno anteno in širokopasovnim usklajevalnim omrežjem. (e) Enopasovna rektena z električno majhno anteno, neposredno usklajeno z usmernikom. (f) Enopasovna, električno velika antena s kompleksno impedanco za konjugacijo z usmernikom. (g) Širokopasovna rektena s kompleksno impedanco za konjugacijo z usmernikom v območju frekvenc.
Čeprav se WPT in ambient RFEH iz namenskega napajanja uporabljata v različnih aplikacijah rektumov, je doseganje celovitega ujemanja med anteno, usmernikom in bremenom bistvenega pomena za doseganje visoke učinkovitosti pretvorbe moči (PCE) z vidika pasovne širine. Kljub temu se rektumovi WPT bolj osredotočajo na doseganje višjega ujemanja faktorja kakovosti (nižji S11) za izboljšanje enopasovne PCE pri določenih ravneh moči (topologije a, e in f). Široka pasovna širina enopasovnega WPT izboljša odpornost sistema na razuglasitev, proizvodne napake in parazitske motnje v embalaži. Po drugi strani pa rektumovi RFEH dajejo prednost večpasovnemu delovanju in spadajo v topologije bd in g, saj je spektralna gostota moči (PSD) posameznega pasu na splošno nižja.
3. Pravokotna zasnova antene
1. Enofrekvenčna rektena
Zasnova antene z enofrekvenčno rektenno (topologija A) temelji predvsem na standardni zasnovi antene, kot so sevalni obliž z linearno polarizacijo (LP) ali krožno polarizacijo (CP) na ozemljitveni ravnini, dipolna antena in obrnjena F-antena. Diferencialno pasovna rektenna temelji na kombiniranem nizu enosmernega toka, konfiguriranem z več antenskimi enotami ali mešano kombinacijo enosmernega in radiofrekvenčnega toka iz več obližnih enot.
Ker je veliko predlaganih anten enofrekvenčnih anten in izpolnjujejo zahteve enofrekvenčnega WPT, se pri iskanju večfrekvenčnega RFEH v okolju večfrekvencno združuje več enofrekvenčnih anten v večpasovne rektne (topologija B) z medsebojnim dušenjem sklopitve in neodvisno kombinacijo enosmernega toka za vezjem za upravljanje porabe energije, da se popolnoma izolirajo od vezja za zajemanje 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 antene RFEH
Okoljski RFEH se pogosto povezuje z večpasovnim zajemanjem; zato je bilo predlaganih več tehnik za izboljšanje pasovne širine standardnih zasnov anten in metod za oblikovanje dvopasovnih ali pasovnih antenskih nizov. V tem razdelku bomo pregledali zasnove anten po meri za RFEH, pa tudi klasične večpasovne antene, ki bi se lahko uporabljale kot rektenne.
Monopolne antene s koplanarnim valovodom (CPW) zasedajo manj površine kot mikrotrakaste antene z obliži pri isti frekvenci in proizvajajo LP ali CP valove, zato se pogosto uporabljajo za širokopasovne okoljske rektene. Odbojne ravnine se uporabljajo za povečanje izolacije in izboljšanje ojačanja, kar ima za posledico vzorce sevanja, podobne režnim antenam. Režne koplanarne valovodne antene se uporabljajo za izboljšanje impedančnih pasovnih širin za več frekvenčnih pasov, kot so 1,8–2,7 GHz ali 1–3 GHz. Režne antene s sklopljenim napajanjem in režne antene se pogosto uporabljajo tudi v večpasovnih zasnovah režnih anten. Slika 3 prikazuje nekatere poročane večpasovne antene, ki uporabljajo več kot eno tehniko izboljšanja pasovne širine.
Slika 3
Usklajevanje impedance antene in usmernika
Usklajevanje antene z impedanco 50 Ω z nelinearnim usmernikom je zahtevno, ker se njegova vhodna impedanca močno spreminja s frekvenco. V topologijah A in B (slika 2) je običajno ujemajoče omrežje LC-ujemanje z uporabo koncentriranih elementov; vendar je relativna pasovna širina običajno nižja kot pri večini komunikacijskih pasov. Enopasovno ujemanje s škrbinami se pogosto uporablja v mikrovalovnih in milimetrskih valovnih pasovih pod 6 GHz, poročani milimetrski usmerniki pa imajo že po naravi ozko pasovno širino, ker je njihova pasovna širina PCE ozko grlo zaradi dušenja izhodnih harmonikov, zaradi česar so še posebej primerni za enopasovne aplikacije WPT v nelicenciranem pasu 24 GHz.
Usmerniki v topologijah C in D imajo bolj kompleksna ujemajoča omrežja. Za širokopasovno ujemanje so bila predlagana popolnoma porazdeljena omrežja za ujemanje linij, z RF blokom/enosmernim kratkim stikom (prepustnim filtrom) na izhodu ali enosmernim blokirnim kondenzatorjem kot povratno potjo za diodne harmonike. Komponente usmernika je mogoče nadomestiti s prepletenimi kondenzatorji na tiskanih vezjih (PCB), ki so sintetizirani z uporabo komercialnih orodij za avtomatizacijo elektronskega načrtovanja. Druga opisana širokopasovna omrežja za ujemanje usmernikov združujejo koncentrirane 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 zasnovo 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 omrežja običajno zasnovana tako, da se antene ujemajo preko celotne pasovne širine 50 Ω, obstajajo v literaturi poročila, kjer so bile širokopasovne antene priključene na ozkopasovne usmernike.
Hibridne mreže za usklajevanje z združenimi elementi in porazdeljenimi elementi se pogosto uporabljajo v topologijah C in D, pri čemer so serijske tuljave in kondenzatorji najpogosteje uporabljeni združeni elementi. S tem se izognemo kompleksnim strukturam, kot so prepleteni kondenzatorji, ki zahtevajo natančnejše modeliranje in izdelavo kot standardne mikrotrakaste linije.
Vhodna moč usmernika vpliva na vhodno impedanco zaradi nelinearnosti diode. Zato je usmernik zasnovan tako, da maksimizira PCE za določeno vhodno moč in impedanco obremenitve. Ker so diode predvsem kapacitivne z visoko impedanco pri frekvencah pod 3 GHz, so se širokopasovni usmerniki, ki odpravljajo ujemajoča se omrežja ali minimizirajo poenostavljena ujemajoča se vezja, osredotočili na frekvence Prf > 0 dBm in nad 1 GHz, saj imajo diode nizko kapacitivno impedanco in jih je mogoče dobro uskladiti z anteno, s čimer se izognemo zasnovi anten z vhodnimi reaktancami > 1000 Ω.
Prilagodljivo ali rekonfigurabilno ujemanje impedance je bilo opaženo v CMOS usmernikih, kjer ujemalno omrežje sestavljajo kondenzatorske baterije in induktorji na čipu. Za standardne 50Ω antene, pa tudi za sočasno zasnovane zančne antene, so bila predlagana tudi statična CMOS ujemalna omrežja. Poročali so, da se pasivni CMOS detektorji moči uporabljajo za krmiljenje stikal, ki usmerjajo izhod antene v različne usmernike in ujemalna omrežja, odvisno od razpoložljive moči. Predlagano je bilo rekonfigurabilno ujemalno omrežje z uporabo koncentriranih nastavljivih kondenzatorjev, ki se uglašuje s fino nastavitvijo med merjenjem vhodne impedance z vektorskim analizatorjem omrežja. V rekonfigurabilnih mikrotrakastih ujemalnih omrežjih so bila za prilagajanje ujemalnih odvodov za doseganje dvopasovnih karakteristik uporabljena stikala s poljskimi tranzistorji.
Če želite izvedeti več o antenah, obiščite:
Čas objave: 9. avg. 2024
