1. Wprowadzenie
Zbieranie energii częstotliwości radiowej (RF) (RFEH) i radiacyjny bezprzewodowy przesył mocy (WPT) cieszą się dużym zainteresowaniem jako metody tworzenia zrównoważonych sieci bezprzewodowych bez użycia baterii. Prostowniki stanowią podstawę systemów WPT i RFEH i mają znaczący wpływ na moc prądu stałego dostarczaną do obciążenia. Elementy antenowe prostownika bezpośrednio wpływają na wydajność zbierania energii, co może zmieniać zbieraną moc o kilka rzędów wielkości. W niniejszym artykule dokonano przeglądu konstrukcji anten stosowanych w zastosowaniach WPT i RFEH do zastosowań w otoczeniu. Opisane prostowniki są klasyfikowane według dwóch głównych kryteriów: pasma przenoszenia impedancji prostowniczej anteny oraz charakterystyki promieniowania anteny. Dla każdego kryterium określono i porównano współczynnik dobroci (FoM) dla różnych zastosowań.
Technologia WPT została zaproponowana przez Teslę na początku XX wieku jako metoda przesyłu mocy rzędu tysięcy koni mechanicznych. Termin „rectenna”, opisujący antenę podłączoną do prostownika w celu pozyskania mocy RF, pojawił się w latach 50. XX wieku w zastosowaniach związanych z przesyłem mocy mikrofal kosmicznych oraz zasilaniem autonomicznych dronów. Wielokierunkowa technologia WPT o dużym zasięgu jest ograniczona właściwościami fizycznymi ośrodka propagacji (powietrza). Dlatego komercyjne zastosowanie technologii WPT ogranicza się głównie do bezpromienistego przesyłu mocy w polu bliskim, do bezprzewodowego ładowania urządzeń elektronicznych powszechnego użytku lub RFID.
Wraz ze spadkiem poboru mocy przez urządzenia półprzewodnikowe i bezprzewodowe węzły czujnikowe, coraz bardziej realne staje się zasilanie węzłów czujnikowych za pomocą sygnałów radiowych radiowych (RFEH) lub rozproszonych nadajników dookólnych o niskim poborze mocy. Bezprzewodowe systemy zasilania o ultraniskim poborze mocy zazwyczaj składają się z modułu akwizycji sygnału radiowego (RF), modułu zasilania prądem stałym i zarządzania pamięcią oraz mikroprocesora i nadajnika-odbiornika o niskim poborze mocy.
Rysunek 1 przedstawia architekturę węzła bezprzewodowego RFEH oraz powszechnie zgłaszane implementacje front-endu RF. Kompleksowa wydajność bezprzewodowego systemu zasilania oraz architektura zsynchronizowanej bezprzewodowej sieci przesyłu informacji i energii zależą od wydajności poszczególnych komponentów, takich jak anteny, prostowniki i obwody zarządzania energią. Przeprowadzono szereg przeglądów literatury dla różnych części systemu. Tabela 1 podsumowuje etap konwersji mocy, kluczowe komponenty efektywnej konwersji mocy oraz powiązane przeglądy literatury dla każdej części. Najnowsze publikacje koncentrują się na technologii konwersji mocy, topologiach prostowników lub sieciowych systemach RFEH.
Rysunek 1
Konstrukcja anteny nie jest jednak uważana za kluczowy element w RFEH. Chociaż w niektórych publikacjach szerokość pasma i wydajność anteny są rozpatrywane z perspektywy ogólnej lub z perspektywy konkretnej konstrukcji anteny, takiej jak anteny miniaturyzowane lub noszone, wpływ niektórych parametrów anteny na odbiór mocy i wydajność konwersji nie jest szczegółowo analizowany.
W niniejszym artykule omówiono techniki projektowania anten w antenach prostownikowych, aby odróżnić wyzwania związane z projektowaniem anten RFEH i WPT od standardowych rozwiązań anten komunikacyjnych. Anteny porównano z dwóch perspektyw: dopasowania impedancji od końca do końca oraz charakterystyki promieniowania; w każdym przypadku zidentyfikowano i przeanalizowano FoM w najnowocześniejszych antenach (SoA).
2. Szerokość pasma i dopasowanie: sieci RF inne niż 50Ω
Impedancja charakterystyczna 50 Ω jest wczesnym punktem odniesienia dla kompromisu między tłumieniem a mocą w zastosowaniach inżynierii mikrofalowej. W antenach pasmo impedancji definiuje się jako zakres częstotliwości, w którym moc odbita jest mniejsza niż 10% (S11< − 10 dB). Ponieważ wzmacniacze niskoszumne (LNA), wzmacniacze mocy i detektory są zazwyczaj projektowane z dopasowaniem impedancji wejściowej 50 Ω, tradycyjnie stosuje się źródło 50 Ω.
W antenie prostowniczej (rectenna) sygnał wyjściowy anteny jest bezpośrednio doprowadzany do prostownika, a nieliniowość diody powoduje duże wahania impedancji wejściowej, przy czym dominującą składową jest składowa pojemnościowa. Zakładając antenę 50 Ω, głównym wyzwaniem jest zaprojektowanie dodatkowego układu dopasowującego RF, który przekształci impedancję wejściową na impedancję prostownika przy interesującej częstotliwości i zoptymalizuje ją pod kątem określonego poziomu mocy. W tym przypadku, aby zapewnić wydajną konwersję sygnału RF na prąd stały, wymagane jest szerokie pasmo impedancji od końca do końca. Dlatego też, chociaż anteny mogą teoretycznie osiągnąć nieskończone lub ultraszerokie pasmo przenoszenia przy użyciu elementów okresowych lub geometrii samouzupełniającej, pasmo przenoszenia anteny prostowniczej będzie ograniczone przez układ dopasowujący prostownika.
Zaproponowano kilka topologii anten prostownikowych (rectenna) w celu uzyskania jedno- i wielopasmowego pozyskiwania sygnału (WPT) poprzez minimalizację odbić i maksymalizację transferu mocy między anteną a prostownikiem. Rysunek 2 przedstawia struktury opisanych topologii anten prostownikowych, sklasyfikowanych według architektury dopasowania impedancji. Tabela 2 przedstawia przykłady anten prostownikowych o wysokiej wydajności 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.
Chociaż WPT i RFEH otoczenia z dedykowanego źródła to różne zastosowania prostowników, osiągnięcie pełnego dopasowania między anteną, prostownikiem i obciążeniem jest kluczowe dla osiągnięcia wysokiej sprawności konwersji mocy (PCE) z perspektywy szerokości pasma. Niemniej jednak prostowniki WPT koncentrują się bardziej na osiągnięciu wyższego współczynnika dopasowania (niższy S11), aby poprawić jednopasmową wydajność PCE przy określonych poziomach mocy (topologie a, e i f). Szerokie pasmo jednopasmowego WPT poprawia odporność systemu na rozstrojenie, wady produkcyjne i pasożytnicze obudowy. Z drugiej strony prostowniki RFEH priorytetowo traktują pracę wielopasmową i należą do topologii bd i g, ponieważ gęstość widmowa mocy (PSD) pojedynczego pasma jest generalnie niższa.
3. Prostokątna konstrukcja anteny
1. Prostnica jednoczęstotliwościowa
Konstrukcja anteny jednoczęstotliwościowej anteny prostowniczej (topologia A) opiera się głównie na standardowej konstrukcji anteny, takiej jak antena promieniująca o polaryzacji liniowej (LP) lub kołowej (CP) na płaszczyźnie uziemienia, antena dipolowa i odwrócona antena F. Prostownica różnicowa pasma oparta jest na układzie kombinowanym DC skonfigurowanym z wieloma jednostkami antenowymi lub na mieszanej kombinacji DC i RF wielu jednostek prostowniczych.
Ponieważ wiele z proponowanych anten to anteny jednoczęstotliwościowe i spełniające wymagania jednoczęstotliwościowego WPT, w celu uzyskania wieloczęstotliwościowego RFEH w środowisku, wiele anten jednoczęstotliwościowych jest łączonych w wielopasmowe prostowniki (topologia B) z tłumieniem sprzężenia zwrotnego i niezależną kombinacją DC za obwodem zarządzania mocą, aby całkowicie odizolować je od obwodu akwizycji i konwersji sygnału RF. Wymaga to zastosowania wielu obwodów zarządzania mocą dla każdego pasma, co może obniżyć wydajność przetwornicy podwyższającej napięcie, ponieważ moc DC w jednym paśmie jest niska.
2. Anteny RFEH wielopasmowe i szerokopasmowe
Radiowe sygnały radiowe (RFEH) środowiskowe są często kojarzone z akwizycją wielopasmową. W związku z tym zaproponowano szereg technik poprawy szerokości pasma standardowych konstrukcji anten oraz metod tworzenia dwupasmowych lub pasmowo-pasmowych szyków antenowych. W tej sekcji omawiamy niestandardowe projekty anten dla radiowych sygnałów radiowych (RFEH), a także klasyczne anteny wielopasmowe, które mogą być stosowane jako anteny prostopadłe.
Anteny monopolowe z falowodem koplanarnym (CPW) zajmują mniej powierzchni niż anteny mikropaskowe o tej samej częstotliwości i generują fale LP lub CP. Są często stosowane w szerokopasmowych antenach rektenowych. Płaszczyzny odbicia służą do zwiększenia izolacji i poprawy wzmocnienia, co skutkuje charakterystykami promieniowania podobnymi do anten rektenowych. Szczelinowe anteny koplanarne z falowodem są stosowane w celu poprawy szerokości pasma impedancji dla wielu pasm częstotliwości, takich jak 1,8–2,7 GHz lub 1–3 GHz. Anteny szczelinowe ze sprzężonym zasilaniem i anteny rektenowe są również powszechnie stosowane w wielopasmowych konstrukcjach rektenowych. Rysunek 3 przedstawia niektóre zgłoszone anteny wielopasmowe wykorzystujące 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 w zależności od częstotliwości. W topologiach A i B (rysunek 2) typową siecią dopasowującą jest dopasowanie LC z wykorzystaniem elementów skupionych; jednak względna szerokość pasma jest zazwyczaj niższa niż w większości pasm komunikacyjnych. Dopasowanie jednopasmowe typu stub jest powszechnie stosowane w pasmach mikrofalowych i milimetrowych poniżej 6 GHz, a opisane prostowniki milimetrowe mają z natury wąskie pasmo, ponieważ ich pasmo PCE jest ograniczone przez tłumienie harmonicznych wyjściowych, co czyni je szczególnie odpowiednimi do jednopasmowych zastosowań WPT w nielicencjonowanym paśmie 24 GHz.
Prostowniki w topologiach C i D charakteryzują się bardziej złożonymi sieciami dopasowania. Do dopasowania szerokopasmowego zaproponowano w pełni rozproszone sieci dopasowania liniowego z blokiem RF/zwarciem DC (filtr przepustowy) na wyjściu lub kondensatorem blokującym DC jako ścieżką powrotu dla harmonicznych diody. Elementy prostownika można zastąpić kondensatorami płytkowymi (PCB) z przeplotem, syntetyzowanymi za pomocą komercyjnych narzędzi do automatyzacji projektowania układów elektronicznych. Inne opisane szerokopasmowe sieci dopasowania prostowniczego łączą elementy skupione do dopasowania 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 względnej szerokości pasma 57% (1,25–2,25 GHz) i o 10% wyższym PCE w porównaniu z układami skupionymi lub rozproszonymi. Chociaż sieci dopasowujące są zazwyczaj projektowane tak, aby dopasowywały anteny w całym paśmie 50 Ω, w literaturze istnieją doniesienia o połączeniu anten szerokopasmowych z prostownikami wąskopasmowymi.
Hybrydowe sieci dopasowania elementów skupionych i rozproszonych są szeroko stosowane w topologiach C i D, przy czym najczęściej stosowanymi elementami skupionymi są szeregowe cewki indukcyjne i kondensatory. Pozwala to uniknąć złożonych struktur, takich jak kondensatory przeplatane, które wymagają dokładniejszego modelowania i wytwarzania niż standardowe linie mikropaskowe.
Moc wejściowa prostownika wpływa na impedancję wejściową ze względu na nieliniowość diody. Dlatego też prostowniki zaprojektowano tak, aby maksymalizować PCE dla określonego poziomu mocy wejściowej i impedancji obciążenia. Ponieważ diody charakteryzują się głównie pojemnościową wysoką impedancją 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. Diody charakteryzują się niską impedancją pojemnościową i umożliwiają dobre dopasowanie do anteny, co pozwala uniknąć projektowania anten o reaktancji wejściowej > 1000 Ω.
Adaptacyjne lub rekonfigurowalne dopasowanie impedancji zaobserwowano w prostownikach CMOS, gdzie układ dopasowujący składa się z baterii kondensatorów i cewek indukcyjnych na chipie. Statyczne układy dopasowujące CMOS zostały również zaproponowane dla standardowych anten 50 Ω, a także dla współprojektowanych anten pętlowych. Doniesiono, że pasywne detektory mocy CMOS są używane do sterowania przełącznikami, które kierują wyjście anteny do różnych prostowników i układów dopasowujących w zależności od dostępnej mocy. Zaproponowano rekonfigurowalny układ dopasowujący wykorzystujący skupione kondensatory strojone, który jest dostrajany poprzez precyzyjne dostrojenie z jednoczesnym pomiarem impedancji wejściowej za pomocą wektorowego analizatora obwodów. W rekonfigurowalnych układach dopasowujących mikropaskowych, przełączniki tranzystorów polowych służą do regulacji wyprowadzeń dopasowujących w celu uzyskania charakterystyk dwupasmowych.
Aby dowiedzieć się więcej o antenach, odwiedź stronę:
Czas publikacji: 09.08.2024
