1. Wprowadzenie
Pozyskiwanie energii za pomocą częstotliwości radiowej (RF) (RFEH) i radiacyjne bezprzewodowe przesyłanie mocy (WPT) cieszą się dużym zainteresowaniem jako metody tworzenia zrównoważonych sieci bezprzewodowych bez baterii. Rectenny są kamieniem węgielnym systemów WPT i RFEH i mają znaczący wpływ na moc prądu stałego dostarczaną do obciążenia. Elementy anteny prostownika bezpośrednio wpływają na wydajność zbierania, która może zmieniać zebraną moc o kilka rzędów wielkości. W artykule dokonano przeglądu konstrukcji anten stosowanych w zastosowaniach WPT i RFEH w warunkach otoczenia. Zgłoszone prostowniki są klasyfikowane według dwóch głównych kryteriów: szerokości pasma impedancji prostowniczej anteny i charakterystyki promieniowania anteny. Dla każdego kryterium określa się wartość zasługi (FoM) dla różnych zastosowań i poddaje się ją porównawczej ocenie.
WPT została zaproponowana przez Teslę na początku XX wieku jako metoda przesyłania tysięcy koni mechanicznych. Termin rectenna, który opisuje antenę podłączoną do prostownika w celu gromadzenia energii o częstotliwości radiowej, pojawił się w latach pięćdziesiątych XX wieku do zastosowań w kosmicznym przesyłaniu energii mikrofalowej i do zasilania autonomicznych dronów. Wielokierunkowy WPT dalekiego zasięgu jest ograniczony właściwościami fizycznymi ośrodka propagacyjnego (powietrza). Dlatego komercyjne WPT ograniczają się głównie do niepromienistego przesyłania mocy w bliskim polu do bezprzewodowego ładowania elektroniki użytkowej lub RFID.
Ponieważ zużycie energii przez urządzenia półprzewodnikowe i bezprzewodowe węzły czujników stale maleje, coraz bardziej realne staje się zasilanie węzłów czujników za pomocą RFEH otoczenia lub rozproszonych nadajników dookólnych małej mocy. Bezprzewodowe systemy zasilania o bardzo małej mocy zwykle składają się z modułu akwizycji sygnału RF, zasilania prądem stałym i zarządzania pamięcią oraz mikroprocesora i urządzenia nadawczo-odbiorczego o małej mocy.
Rysunek 1 przedstawia architekturę węzła bezprzewodowego RFEH i często zgłaszane implementacje front-endu RF. Całkowita wydajność bezprzewodowego systemu zasilania oraz architektura zsynchronizowanej bezprzewodowej sieci przesyłania informacji i zasilania zależy od wydajności poszczególnych komponentów, takich jak anteny, prostowniki i obwody zarządzania energią. Przeprowadzono kilka przeglądów literatury dotyczących różnych części systemu. Tabela 1 podsumowuje etap konwersji mocy, kluczowe elementy efektywnej konwersji mocy oraz przegląd literatury powiązanej dla każdej części. Najnowsza literatura koncentruje się na technologii konwersji mocy, topologiach prostowników lub RFEH obsługującym sieć.
Rysunek 1
Jednakże konstrukcja anteny nie jest uważana za kluczowy element w RFEH. Chociaż w niektórych publikacjach rozpatrywana jest szerokość pasma i wydajność anteny z perspektywy ogólnej lub z perspektywy konkretnego projektu anteny, np. anten zminiaturyzowanych lub do noszenia, wpływ niektórych parametrów anteny na odbiór mocy i wydajność konwersji nie jest szczegółowo analizowany.
W artykule dokonano przeglądu technik projektowania anten w prostownikach w celu odróżnienia wyzwań związanych z projektowaniem anten specyficznych dla RFEH i WPT od standardowych projektów anten komunikacyjnych. Anteny porównuje się z dwóch perspektyw: kompleksowego dopasowania impedancji i charakterystyki promieniowania; w każdym przypadku FoM jest identyfikowany i przeglądany w najnowocześniejszych antenach (SoA).
2. Przepustowość i dopasowanie: Sieci RF inne niż 50 Ω
Impedancja charakterystyczna wynosząca 50 Ω jest wczesnym rozważaniem kompromisu między tłumieniem a mocą w zastosowaniach inżynierii mikrofalowej. W antenach szerokość pasma 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 zwykle projektowane z impedancją wejściową dopasowaną do 50 Ω, tradycyjnie mówi się o źródle 50 Ω.
W prostowniku wyjście anteny jest podawane bezpośrednio do prostownika, a nieliniowość diody powoduje duże zmiany impedancji wejściowej, z dominacją składowej pojemnościowej. Zakładając, że antena ma rezystancję 50 Ω, głównym wyzwaniem jest zaprojektowanie dodatkowej sieci dopasowującej RF, która przekształci impedancję wejściową na impedancję prostownika przy interesującej Cię częstotliwości i zoptymalizuje ją dla określonego poziomu mocy. W tym przypadku wymagana jest szerokość pasma impedancji od końca do końca, aby zapewnić efektywną konwersję częstotliwości RF na prąd stały. Dlatego chociaż anteny mogą teoretycznie osiągnąć nieskończoną lub bardzo szeroką szerokość pasma przy użyciu elementów okresowych lub samouzupełniającej się geometrii, szerokość pasma prostownika będzie ograniczona przez sieć dopasowującą prostownik.
Zaproponowano kilka topologii rectenny w celu uzyskania jednopasmowego i wielopasmowego zbierania sygnału, czyli WPT, poprzez minimalizację odbić i maksymalizację przenoszenia mocy pomiędzy anteną a prostownikiem. Rysunek 2 przedstawia struktury zgłoszonych topologii odbytnicy, podzielone na kategorie według architektury dopasowania impedancji. Tabela 2 przedstawia przykłady prostych anten o wysokiej wydajności pod względem przepustowości typu end-to-end (w tym przypadku FoM) dla każdej kategorii.
Rysunek 2 Topologie Rectenny z punktu widzenia dopasowania szerokości pasma i impedancji. (a) Prostnica jednopasmowa ze standardową anteną. (b) Prostownik wielopasmowy (złożony z wielu wzajemnie sprzężonych anten) z jednym prostownikiem i siecią dopasowującą na każde pasmo. (c) Szerokopasmowa antena prosta z wieloma portami RF i oddzielnymi sieciami dopasowującymi dla każdego pasma. (d) Szerokopasmowa antena prosta z anteną szerokopasmową i szerokopasmową siecią dopasowującą. (e) Prostownik jednopasmowy wykorzystujący małą elektrycznie antenę dopasowaną bezpośrednio do prostownika. (f) Jednopasmowa, elektrycznie duża antena o złożonej impedancji do sprzężenia z prostownikiem. (g) Prostownik szerokopasmowy o złożonej impedancji do sprzężenia z prostownikiem w pewnym zakresie częstotliwości.
Chociaż WPT i RFEH otoczenia z dedykowanego zasilania to różne zastosowania w antenach prostych, osiągnięcie kompleksowego dopasowania pomiędzy anteną, prostownikiem i obciążeniem ma fundamentalne znaczenie dla osiągnięcia wysokiej wydajności konwersji mocy (PCE) z punktu widzenia przepustowości. Niemniej jednak, proste anteny WPT skupiają się bardziej na osiągnięciu wyższego dopasowania współczynników jakości (niższe S11) w celu poprawy jednopasmowego PCE przy pewnych poziomach mocy (topologie a, e i f). Szerokie pasmo jednopasmowego WPT poprawia odporność systemu na odstrojenie, wady produkcyjne i pasożyty opakowaniowe. Z drugiej strony, prostowniki RFEH traktują priorytetowo pracę wielopasmową i należą do topologii bd i g, ponieważ widmowa gęstość mocy (PSD) pojedynczego pasma jest generalnie niższa.
3. Prostokątna konstrukcja anteny
1. Prostownik jednoczęstotliwościowy
Konstrukcja anteny jednoczęstotliwościowej (topologia A) opiera się głównie na standardowej konstrukcji anteny, takiej jak plama promieniująca z polaryzacją liniową (LP) lub polaryzacją kołową (CP) w płaszczyźnie uziemienia, antena dipolowa i antena z odwróconą anteną F. Prostokątna antena różnicowa oparta jest na układzie kombinacji DC skonfigurowanym z wieloma jednostkami antenowymi lub mieszanej kombinacji DC i RF wielu jednostek krosowych.
Ponieważ wiele z proponowanych anten to anteny jednoczęstotliwościowe i spełniają wymagania WPT jednoczęstotliwościowe, przy poszukiwaniu środowiskowych wieloczęstotliwościowych anten RFEH, wiele anten jednoczęstotliwościowych łączy się w wielopasmowe prostowniki (topologia B) z tłumieniem wzajemnych sprzężeń i niezależną kombinację prądu stałego za obwodem zarządzania energią, aby całkowicie odizolować je od obwodu akwizycji i konwersji częstotliwości radiowej. Wymaga to wielu obwodów zarządzania energią dla każdego pasma, co może zmniejszyć wydajność konwertera podwyższającego, ponieważ moc prądu stałego w pojedynczym paśmie jest niska.
2. Anteny wielopasmowe i szerokopasmowe RFEH
Środowiskowy RFEH jest często kojarzony z akwizycją wielopasmową; dlatego zaproponowano różnorodne techniki poprawy szerokości pasma standardowych konstrukcji anten i metod tworzenia dwuzakresowych lub pasmowych układów antenowych. W tej sekcji przeglądamy niestandardowe projekty anten dla RFEH, a także klasyczne anteny wielopasmowe, które można wykorzystać jako proste anteny.
Anteny jednobiegunowe ze współpłaszczyznowym falowodem (CPW) zajmują mniej powierzchni niż anteny mikropaskowe na tej samej częstotliwości i wytwarzają fale LP lub CP i są często używane w szerokopasmowych prostownikach środowiskowych. Płaszczyzny odbicia służą do zwiększenia izolacji i poprawy wzmocnienia, co daje wzorce promieniowania podobne do anten krosowych. Anteny ze szczelinowymi współpłaszczyznowymi falowodami służą do poprawy szerokości pasma impedancji dla wielu pasm częstotliwości, takich jak 1,8–2,7 GHz lub 1–3 GHz. Anteny szczelinowe i anteny krosowe z zasilaniem sprzężonym są również powszechnie stosowane w wielopasmowych konstrukcjach anten prostych. Rysunek 3 przedstawia niektóre zgłoszone anteny wielopasmowe, które wykorzystują więcej niż jedną technikę poprawy przepustowości.
Rysunek 3
Dopasowanie impedancji anteny i prostownika
Dopasowanie anteny 50 Ω do prostownika nieliniowego jest trudne, ponieważ jej impedancja wejściowa zmienia się znacznie wraz z częstotliwością. W topologiach A i B (rysunek 2) typową siecią dopasowującą jest dopasowanie LC wykorzystujące elementy skupione; jednakże względna szerokość pasma jest zwykle niższa niż w przypadku większości pasm komunikacyjnych. Jednopasmowe dopasowywanie końcówek jest powszechnie stosowane w pasmach mikrofal i fal milimetrowych poniżej 6 GHz, a zgłaszane prostownice fal milimetrowych mają z natury wąską szerokość pasma, ponieważ ich szerokość pasma PCE jest wąskim gardłem ze względu na tłumienie harmonicznych wyjściowych, co czyni je szczególnie odpowiednimi dla pojedynczych pasmo Aplikacje WPT w nielicencjonowanym paśmie 24 GHz.
Prostokąty w topologiach C i D mają bardziej złożone sieci dopasowywania. Do dopasowania szerokopasmowego zaproponowano w pełni rozproszone sieci dopasowujące linie, z blokiem RF/zwarciem DC (filtrem przepustowym) na porcie wyjściowym lub kondensatorem blokującym DC jako ścieżką powrotną dla harmonicznych diody. Elementy prostownika można zastąpić kondensatorami międzycyfrowymi na płytce drukowanej (PCB), które są syntetyzowane przy użyciu komercyjnych narzędzi do automatyzacji projektowania elektroniki. Inne zgłoszone szerokopasmowe sieci dopasowujące do prostych anten łączą elementy skupione w celu dopasowania do niższych częstotliwości i elementy rozproszone w celu utworzenia zwarcia RF na wejściu.
Zmieniającą się impedancję wejściową obserwowaną przez obciążenie przez źródło (znaną jako technika przyciągania źródła) wykorzystano do zaprojektowania prostownika szerokopasmowego o względnej szerokości pasma wynoszącej 57% (1,25–2,25 GHz) i o 10% wyższym współczynniku PCE w porównaniu z obwodami skupionymi lub rozproszonymi . Chociaż sieci dopasowujące są zwykle projektowane tak, aby pasowały do anten w całym paśmie 50 Ω, w literaturze pojawiają się doniesienia, w których anteny szerokopasmowe zostały podłączone do prostowników wąskopasmowych.
Hybrydowe sieci dopasowujące z elementami skupionymi i elementami rozproszonymi są szeroko stosowane w topologiach C i D, przy czym najczęściej stosowanymi elementami skupionymi są cewki szeregowe i kondensatory. Pozwalają one uniknąć skomplikowanych struktur, takich jak kondensatory międzypalcowe, które wymagają dokładniejszego modelowania i produkcji niż standardowe linie mikropaskowe.
Moc wejściowa prostownika wpływa na impedancję wejściową ze względu na nieliniowość diody. Dlatego też prostownicę zaprojektowano tak, aby maksymalizować PCE dla określonego poziomu mocy wejściowej i impedancji obciążenia. Ponieważ diody mają głównie pojemnościową wysoką impedancję przy częstotliwościach poniżej 3 GHz, szerokopasmowe prostowniki eliminujące sieci dopasowujące lub minimalizujące uproszczone obwody dopasowujące, skupiły się na częstotliwościach Prf> 0 dBm i powyżej 1 GHz, ponieważ diody mają niską impedancję pojemnościową i można je dobrze dopasować do anteny, unikając w ten sposób projektowania anten o reaktancjach wejściowych > 1000 Ω.
Adaptacyjne lub rekonfigurowalne dopasowanie impedancji zaobserwowano w prostownikach CMOS, gdzie sieć dopasowująca składa się z wbudowanych w chip baterii kondensatorów i cewek indukcyjnych. Zaproponowano także statyczne sieci dopasowujące CMOS dla standardowych anten 50 Ω, a także wspólnie zaprojektowane anteny pętlowe. Donoszono, że pasywne detektory mocy CMOS służą do sterowania przełącznikami, które kierują sygnał wyjściowy anteny do różnych prostowników i dopasowujących sieci w zależności od dostępnej mocy. Zaproponowano rekonfigurowalną sieć dopasowującą wykorzystującą skupione przestrajalne kondensatory, którą dostraja się poprzez dostrajanie podczas pomiaru impedancji wejściowej za pomocą wektorowego analizatora sieci. W rekonfigurowalnych sieciach dopasowujących mikropaski zastosowano przełączniki tranzystorów polowych w celu dostosowania pasujących końcówek w celu uzyskania charakterystyki dwupasmowej.
Więcej informacji na temat anten można znaleźć na stronie:
Czas publikacji: 09 sierpnia 2024 r
