1.Wprowadzenie
Zbieranie energii częstotliwości radiowej (RF) (RFEH) i radiacyjny bezprzewodowy transfer mocy (WPT) wzbudziły duże zainteresowanie jako metody uzyskiwania bezbateryjnych, zrównoważonych sieci bezprzewodowych. Rectennas są podstawą systemów WPT i RFEH i mają znaczący wpływ na moc DC dostarczaną do obciążenia. Elementy antenowe rectennas bezpośrednio wpływają na wydajność zbierania, co może zmieniać zebraną moc o kilka rzędów wielkości. W tym artykule omówiono projekty anten stosowane w zastosowaniach WPT i RFEH otoczenia. Zgłoszone rectennas są klasyfikowane według dwóch głównych kryteriów: pasma impedancji prostującej anteny i charakterystyki promieniowania anteny. Dla każdego kryterium określa się współczynnik dobroci (FoM) dla różnych zastosowań i porównuje się go.
WPT zostało zaproponowane przez Teslę na początku XX wieku jako metoda przesyłania tysięcy koni mechanicznych. Termin rectenna, który opisuje antenę podłączoną do prostownika w celu zbierania mocy RF, pojawił się w latach 50. XX wieku w zastosowaniach do przesyłu mocy mikrofal kosmicznych i zasilania autonomicznych dronów. Wielokierunkowy, dalekosiężny WPT jest ograniczony przez właściwości fizyczne ośrodka propagacji (powietrza). Dlatego komercyjny WPT jest głównie ograniczony do bliskiego pola bezpromieniowego przesyłu mocy do bezprzewodowego ładowania elektroniki użytkowej lub RFID.
Ponieważ zużycie energii przez urządzenia półprzewodnikowe i bezprzewodowe węzły czujnikowe nadal spada, coraz bardziej wykonalne staje się zasilanie węzłów czujnikowych za pomocą RFEH otoczenia lub za pomocą rozproszonych niskonapięciowych nadajników dookólnych. Ultraniskonapięciowe bezprzewodowe systemy zasilania zazwyczaj składają się z przedniego końca akwizycji RF, zasilania DC i zarządzania pamięcią oraz niskonapięciowego mikroprocesora i transceivera.
Rysunek 1 przedstawia architekturę węzła bezprzewodowego RFEH i powszechnie zgłaszane implementacje front-endu RF. Całościowa wydajność bezprzewodowego systemu zasilania i architektura zsynchronizowanej bezprzewodowej sieci informacji i przesyłu mocy zależą od wydajności poszczególnych komponentów, takich jak anteny, prostowniki i obwody zarządzania energią. Przeprowadzono kilka przeglądów literatury dla różnych części systemu. Tabela 1 podsumowuje etap konwersji mocy, kluczowe komponenty wydajnej konwersji mocy i powiązane przeglądy literatury dla każdej części. Najnowsza literatura koncentruje się na technologii konwersji mocy, topologiach prostowników lub RFEH z uwzględnieniem sieci.
Rysunek 1
Jednakże projekt anteny nie jest uważany za krytyczny element w RFEH. Chociaż niektóre publikacje rozważają szerokość pasma anteny i wydajność z ogólnej perspektywy lub z perspektywy konkretnej konstrukcji anteny, takiej jak anteny miniaturowe lub przenośne, wpływ niektórych parametrów anteny na odbiór mocy i wydajność konwersji nie jest analizowany szczegółowo.
W tym artykule omówiono techniki projektowania anten w rectennas, mając na celu odróżnienie wyzwań związanych z projektowaniem anten RFEH i WPT od standardowych projektów anten komunikacyjnych. Anteny porównano z dwóch perspektyw: dopasowania impedancji od końca do końca i charakterystyki promieniowania; w każdym przypadku FoM jest identyfikowany i omawiany w najnowocześniejszych antenach (SoA).
2. Szerokość pasma i dopasowanie: sieci RF inne niż 50Ω
Charakterystyczna impedancja 50Ω jest wczesnym rozważaniem kompromisu między tłumieniem a mocą w zastosowaniach inżynierii mikrofalowej. W antenach szerokość pasma impedancji jest definiowana jako zakres częstotliwości, w którym odbita moc jest mniejsza niż 10% (S11< − 10 dB). Ponieważ wzmacniacze niskoszumowe (LNA), wzmacniacze mocy i detektory są zwykle projektowane z dopasowaniem impedancji wejściowej 50Ω, tradycyjnie odwołuje się do źródła 50Ω.
W prostowniku wyjście anteny jest bezpośrednio podawane do prostownika, a nieliniowość diody powoduje duże wahania impedancji wejściowej, przy czym dominującym elementem jest składowa pojemnościowa. Zakładając antenę 50Ω, głównym wyzwaniem jest zaprojektowanie dodatkowej sieci dopasowującej RF w celu przekształcenia impedancji wejściowej na impedancję prostownika przy częstotliwości zainteresowania i zoptymalizowania jej pod kątem określonego poziomu mocy. W tym przypadku wymagana jest szerokość pasma impedancji od końca do końca, aby zapewnić wydajną konwersję RF na DC. Dlatego też, chociaż anteny mogą osiągnąć teoretycznie nieskończoną lub ultraszeroką szerokość pasma przy użyciu elementów okresowych lub geometrii samouzupełniającej, szerokość pasma prostownika będzie ograniczona przez sieć dopasowującą prostownika.
Zaproponowano kilka topologii rectenna, aby osiągnąć jednopasmowe i wielopasmowe zbieranie lub WPT poprzez minimalizację odbić i maksymalizację transferu mocy między anteną a prostownikiem. Rysunek 2 przedstawia struktury zgłoszonych topologii rectenna, skategoryzowane według ich architektury dopasowania impedancji. Tabela 2 przedstawia przykłady wysokowydajnych rectenna w odniesieniu do szerokości pasma od końca do końca (w tym przypadku FoM) dla każdej kategorii.
Rysunek 2 Topologie anteny prostowniczej z perspektywy dopasowania szerokości pasma i impedancji. (a) Antena jednopasmowa ze standardową anteną. (b) Antena wielopasmowa (złożona z wielu wzajemnie sprzężonych anten) z jednym prostownikiem i siecią dopasowującą na pasmo. (c) Antena szerokopasmowa z wieloma portami RF i oddzielnymi sieciami dopasowującymi dla każdego pasma. (d) Antena szerokopasmowa z anteną szerokopasmową i siecią dopasowującą szerokopasmową. (e) Antena jednopasmowa wykorzystująca elektrycznie małą antenę bezpośrednio dopasowaną do prostownika. (f) Antena jednopasmowa, elektrycznie duża o złożonej impedancji do sprzężenia z prostownikiem. (g) Antena szerokopasmowa o złożonej impedancji do sprzężenia z prostownikiem w zakresie częstotliwości.
Podczas gdy WPT i RFEH otoczenia z dedykowanego zasilania to różne aplikacje rectenna, osiągnięcie dopasowania typu end-to-end między anteną, prostownikiem i obciążeniem jest fundamentalne dla osiągnięcia wysokiej wydajności konwersji mocy (PCE) z perspektywy szerokości pasma. Niemniej jednak rectenna WPT bardziej skupiają się na osiągnięciu wyższego współczynnika dopasowania (niższy S11), aby poprawić jednopasmową PCE przy określonych poziomach mocy (topologie a, e i f). Szerokie pasmo jednopasmowego WPT poprawia odporność systemu na rozstrojenie, wady produkcyjne i pasożyty w opakowaniu. Z drugiej strony rectenna RFEH priorytetowo traktują działanie wielopasmowe i należą do topologii bd i g, ponieważ gęstość widmowa mocy (PSD) pojedynczego pasma jest ogólnie niższa.
3. Prostokątna konstrukcja anteny
1. Prostnica jednoczęstotliwościowa
Projekt anteny jednoczęstotliwościowej rectenny (topologia A) opiera się głównie na standardowej konstrukcji anteny, takiej jak liniowa polaryzacja (LP) lub kołowa polaryzacja (CP) promieniująca łatka na płaszczyźnie uziemienia, antena dipolowa i odwrócona antena F. Różnicowa rectenna opiera się na matrycy kombinacji DC skonfigurowanej z wieloma jednostkami antenowymi lub mieszanej kombinacji DC i RF wielu jednostek patch.
Ponieważ wiele z proponowanych anten to anteny jednoczęstotliwościowe i spełniają wymagania jednoczęstotliwościowego WPT, podczas poszukiwania wieloczęstotliwościowego RFEH środowiskowego, wiele anten jednoczęstotliwościowych jest łączonych w wielopasmowe prostowniki (topologia B) z tłumieniem wzajemnego sprzężenia i niezależną kombinacją DC po obwodzie zarządzania mocą, aby całkowicie odizolować je od obwodu akwizycji i konwersji RF. Wymaga to wielu obwodów zarządzania mocą dla każdego pasma, co może zmniejszyć wydajność przetwornicy podwyższającej, ponieważ moc DC pojedynczego pasma jest niska.
2. Anteny RFEH wielopasmowe i szerokopasmowe
RFEH środowiskowe często jest kojarzone z akwizycją wielopasmową; dlatego zaproponowano wiele technik w celu poprawy szerokości pasma standardowych projektów anten i metod formowania dwupasmowych lub pasmowo-pasmowych układów antenowych. W tej sekcji omawiamy niestandardowe projekty anten dla RFEH, a także klasyczne anteny wielopasmowe z potencjałem do wykorzystania jako anteny rektenowe.
Anteny monopolowe z falowodem współpłaszczyznowym (CPW) zajmują mniej miejsca niż anteny mikropaskowe o tej samej częstotliwości i wytwarzają fale LP lub CP, a często są używane do szerokopasmowych anten rektenowych. Płaszczyzny odbicia są używane do zwiększenia izolacji i poprawy wzmocnienia, co skutkuje wzorcami promieniowania podobnymi do anten rektenowych. Szczelinowe anteny falowodowe współpłaszczyznowe są używane do poprawy szerokości pasma impedancji dla wielu pasm częstotliwości, takich jak 1,8–2,7 GHz lub 1–3 GHz. Anteny szczelinowe zasilane sprzężeniem i anteny rektenowe są również powszechnie używane w wielopasmowych projektach rektenowych. Rysunek 3 przedstawia niektóre zgłoszone anteny wielopasmowe, które wykorzystują więcej niż jedną technikę poprawy szerokości pasma.
Rysunek 3
Dopasowanie impedancji anteny i prostownika
Dopasowanie anteny 50Ω do prostownika nieliniowego jest trudne, ponieważ jego impedancja wejściowa znacznie zmienia się wraz z częstotliwością. W topologiach A i B (rysunek 2) typową siecią dopasowującą jest dopasowanie LC przy użyciu elementów skupionych; jednak względna szerokość pasma jest zwykle niższa niż w większości pasm komunikacyjnych. Dopasowanie pojedynczego pasma jest powszechnie stosowane w pasmach mikrofalowych i milimetrowych poniżej 6 GHz, a zgłaszane prostowniki milimetrowe mają z natury wąską szerokość pasma, ponieważ ich szerokość pasma PCE jest ograniczona przez tłumienie harmonicznych wyjściowych, co czyni je szczególnie odpowiednimi do zastosowań WPT jednopasmowych w paśmie nielicencjonowanym 24 GHz.
Rectennas w topologiach C i D mają bardziej złożone sieci dopasowujące. W pełni rozproszone sieci dopasowujące linie zostały zaproponowane do szerokopasmowego dopasowywania, z blokiem RF/zwarciem DC (filtr przepustowy) na porcie wyjściowym lub kondensatorem blokującym DC jako ścieżką powrotną dla harmonicznych diody. Elementy prostownika można zastąpić kondensatorami interdigitated na płytce drukowanej (PCB), które są syntetyzowane przy użyciu komercyjnych narzędzi do automatyzacji projektowania elektronicznego. Inne zgłoszone szerokopasmowe sieci dopasowujące rectenna łączą elementy skupione do dopasowywania do niższych częstotliwości i elementy rozproszone do tworzenia zwarcia RF na wejściu.
Zmiana impedancji wejściowej obserwowanej przez obciążenie za pośrednictwem źródła (znana jako technika source-pull) została wykorzystana do zaprojektowania prostownika szerokopasmowego o 57% względnej szerokości pasma (1,25–2,25 GHz) i o 10% wyższym PCE w porównaniu do obwodów skupionych lub rozproszonych. Chociaż sieci dopasowujące są zazwyczaj projektowane tak, aby dopasowywać anteny na całej szerokości pasma 50Ω, w literaturze istnieją doniesienia, w których anteny szerokopasmowe zostały podłączone do prostowników wąskopasmowych.
Sieci hybrydowe dopasowujące elementy skupione i rozproszone są szeroko stosowane w topologiach C i D, przy czym najczęściej używanymi elementami skupionymi są szeregowe induktory i kondensatory. Unikają one złożonych struktur, takich jak kondensatory interdigitated, które wymagają dokładniejszego modelowania i wytwarzania niż standardowe linie mikropaskowe.
Moc wejściowa do prostownika wpływa na impedancję wejściową ze względu na nieliniowość diody. Dlatego też prostownik jest zaprojektowany tak, aby zmaksymalizować PCE dla określonego poziomu mocy wejściowej i impedancji obciążenia. Ponieważ diody są przede wszystkim pojemnościowe o wysokiej impedancji przy częstotliwościach poniżej 3 GHz, szerokopasmowe prostowniki, które eliminują sieci dopasowujące lub minimalizują uproszczone obwody dopasowujące, zostały skoncentrowane na częstotliwościach Prf>0 dBm i powyżej 1 GHz, ponieważ diody mają niską impedancję pojemnościową i mogą być dobrze dopasowane do anteny, unikając w ten sposób projektowania anten o reaktancjach wejściowych >1000Ω.
Adaptacyjne lub rekonfigurowalne dopasowanie impedancji zaobserwowano w prostownikach CMOS, gdzie sieć dopasowująca składa się z banków kondensatorów na chipie i cewek indukcyjnych. Statyczne sieci dopasowujące CMOS zostały również zaproponowane dla standardowych anten 50Ω, jak również współprojektowanych anten pętlowych. Zgłoszono, że pasywne detektory mocy CMOS są używane do sterowania przełącznikami, które kierują wyjście anteny do różnych prostowników i sieci dopasowujących w zależności od dostępnej mocy. Zaproponowano rekonfigurowalną sieć dopasowującą wykorzystującą skupione strojone kondensatory, która jest dostrajana przez dokładne dostrajanie podczas pomiaru impedancji wejściowej za pomocą wektorowego analizatora sieci. W rekonfigurowalnych sieciach dopasowujących mikropaskowych przełączniki tranzystorów polowych zostały użyte do regulacji dopasowanych króćców w celu uzyskania charakterystyk dwupasmowych.
Więcej informacji na temat anten znajdziesz na stronie:
Czas publikacji: 09-08-2024
