1. Uvod
Prikupljanje radiofrekvencijske (RF) energije (RFEH) i radijacijski bežični prijenos energije (WPT) privukli su veliki interes kao metode za postizanje održivih bežičnih mreža bez baterija. Rektene su temelj WPT i RFEH sustava i imaju značajan utjecaj na istosmjernu snagu koja se isporučuje opterećenju. Antenski elementi rektene izravno utječu na učinkovitost prikupljanja, što može mijenjati prikupljenu snagu za nekoliko redova veličine. Ovaj rad pregledava dizajn antena korištenih u WPT i ambijentalnim RFEH primjenama. Prijavljene rektene klasificiraju se prema dva glavna kriterija: propusnost impedancije ispravljanja antene i karakteristike zračenja antene. Za svaki kriterij određuje se i usporedno pregledava vrijednost (FoM) za različite primjene.
Bežični prijenos energije (WPT) predložio je Tesla početkom 20. stoljeća kao metodu prijenosa tisuća konjskih snaga. Izraz rectenna, koji opisuje antenu spojenu na ispravljač za prikupljanje RF energije, pojavio se 1950-ih za primjene prijenosa svemirske mikrovalne energije i za napajanje autonomnih dronova. Svesmjerni WPT dugog dometa ograničen je fizičkim svojstvima medija širenja (zraka). Stoga je komercijalni WPT uglavnom ograničen na neradijacijski prijenos energije u bliskom polju za bežično punjenje potrošačke elektronike ili RFID.
Kako potrošnja energije poluvodičkih uređaja i bežičnih senzorskih čvorova nastavlja opadati, postaje sve izvedivije napajati senzorske čvorove korištenjem ambijentalnog RFEH-a ili korištenjem distribuiranih svesmjernih odašiljača male snage. Bežični sustavi napajanja ultra male snage obično se sastoje od RF akvizicijskog prednjeg dijela, istosmjernog napajanja i upravljanja memorijom te mikroprocesora i primopredajnika male snage.
Slika 1 prikazuje arhitekturu bežičnog RFEH čvora i uobičajeno prijavljene implementacije RF prednjeg dijela. Učinkovitost bežičnog elektroenergetskog sustava od početka do kraja i arhitektura sinkronizirane bežične mreže za prijenos informacija i energije ovisi o performansama pojedinačnih komponenti, kao što su antene, ispravljači i sklopovi za upravljanje napajanjem. Provedeno je nekoliko istraživanja literature za različite dijelove sustava. Tablica 1 sažima fazu pretvorbe snage, ključne komponente za učinkovitu pretvorbu snage i srodna istraživanja literature za svaki dio. Novija literatura usredotočuje se na tehnologiju pretvorbe snage, topologije ispravljača ili RFEH koji je svjestan mreže.
Slika 1
Međutim, dizajn antene se ne smatra kritičnom komponentom u RFEH-u. Iako neka literatura razmatra propusnost i učinkovitost antene iz opće perspektive ili iz perspektive specifičnog dizajna antene, kao što su minijaturizirane ili nosive antene, utjecaj određenih parametara antene na učinkovitost prijema snage i pretvorbe nije detaljno analiziran.
Ovaj rad pregledava tehnike dizajna antena u rektenama s ciljem razlikovanja specifičnih izazova dizajna antena za RFEH i WPT od standardnog dizajna komunikacijskih antena. Antene se uspoređuju iz dvije perspektive: usklađivanje impedancije od kraja do kraja i karakteristike zračenja; u svakom slučaju, FoM je identificiran i pregledan u najsuvremenijim (SoA) antenama.
2. Propusnost i usklađivanje: RF mreže koje nisu 50Ω
Karakteristična impedancija od 50 Ω je rano razmatranje kompromisa između slabljenja i snage u primjenama mikrovalnog inženjerstva. U antenama, širina pojasa impedancije definirana je kao frekvencijski raspon gdje je reflektirana snaga manja od 10% (S11 < − 10 dB). Budući da su niskošumna pojačala (LNA), pojačala snage i detektori obično dizajnirani s usklađivanjem ulazne impedancije od 50 Ω, tradicionalno se referencira izvor od 50 Ω.
U rektenni, izlaz antene se izravno dovodi u ispravljač, a nelinearnost diode uzrokuje veliku varijaciju ulazne impedancije, pri čemu dominira kapacitivna komponenta. Uz pretpostavku antene od 50Ω, glavni izazov je dizajnirati dodatnu RF mrežu za usklađivanje kako bi se ulazna impedancija transformirala u impedanciju ispravljača na frekvenciji od interesa i optimizirala za određenu razinu snage. U ovom slučaju, potrebna je propusnost impedancije od kraja do kraja kako bi se osigurala učinkovita RF u DC pretvorba. Stoga, iako antene mogu postići teoretski beskonačnu ili ultraširoku propusnost korištenjem periodičnih elemenata ili samokomplementarne geometrije, propusnost rektenne bit će usko grlo mrežom za usklađivanje ispravljača.
Predloženo je nekoliko topologija rektenna za postizanje jednopojasnog i višepojasnog sakupljanja ili WPT-a minimiziranjem refleksija i maksimiziranjem prijenosa snage između antene i ispravljača. Slika 2 prikazuje strukture prijavljenih topologija rektenna, kategoriziranih prema arhitekturi usklađivanja impedancije. Tablica 2 prikazuje primjere visokoučinkovitih rektenna s obzirom na propusnost od kraja do kraja (u ovom slučaju, FoM) za svaku kategoriju.
Slika 2 Topologije rektenne iz perspektive propusnosti i usklađivanja impedancije. (a) Jednopojasna rektenna sa standardnom antenom. (b) Višepojasna rektenna (sastavljena od više međusobno spojenih antena) s jednim ispravljačem i mrežom za usklađivanje po opsegu. (c) Širokopojasna rektenna s više RF portova i odvojenim mrežama za usklađivanje za svaki opseg. (d) Širokopojasna rektenna sa širokopojasnom antenom i mrežom za usklađivanje širokopojasne antene. (e) Jednopojasna rektenna koja koristi električno malu antenu izravno usklađenu s ispravljačem. (f) Jednopojasna, električno velika antena sa složenom impedancijom za konjugaciju s ispravljačem. (g) Širokopojasna rektenna sa složenom impedancijom za konjugaciju s ispravljačem u rasponu frekvencija.
Iako su WPT i ambijentalni RFEH iz namjenskog napajanja različite primjene rektenna, postizanje end-to-end usklađivanja između antene, ispravljača i opterećenja temeljno je za postizanje visoke učinkovitosti pretvorbe snage (PCE) s perspektive propusnosti. Ipak, WPT rektenne se više usredotočuju na postizanje većeg usklađivanja faktora kvalitete (niži S11) kako bi poboljšale PCE jednog pojasa na određenim razinama snage (topologije a, e i f). Široka propusnost jednopojasnog WPT-a poboljšava imunitet sustava na rasklađivanje, proizvodne nedostatke i parazite pakiranja. S druge strane, RFEH rektenne daju prioritet višepojasnom radu i pripadaju topologijama bd i g, jer je spektralna gustoća snage (PSD) jednog pojasa općenito niža.
3. Pravokutni dizajn antene
1. Jednofrekventna rektena
Dizajn antene jednofrekventne rektenne (topologija A) uglavnom se temelji na standardnom dizajnu antene, kao što je linearna polarizacija (LP) ili kružna polarizacija (CP) koja zrači na osnovnoj ravnini, dipolna antena i invertirana F antena. Diferencijalna pojasna rektenna temelji se na kombiniranom nizu istosmjerne struje konfiguriranom s više antenskih jedinica ili mješovitom istosmjernom i RF kombinacijom više antenskih jedinica.
Budući da su mnoge od predloženih antena jednofrekventne antene i zadovoljavaju zahtjeve jednofrekventnog WPT-a, pri traženju višefrekventnog RFEH-a u okolišu, više jednofrekventnih antena kombinira se u višepojasne rektenne (topologija B) s međusobnim potiskivanjem sprege i neovisnom DC kombinacijom nakon kruga za upravljanje snagom kako bi se potpuno izolirale od kruga za akviziciju i pretvorbu RF signala. To zahtijeva više krugova za upravljanje snagom za svaki pojas, što može smanjiti učinkovitost boost pretvarača jer je istosmjerna snaga jednog pojasa niska.
2. Višepojasne i širokopojasne RFEH antene
Okolišni RFEH često se povezuje s višepojasnim snimanjem; stoga je predložen niz tehnika za poboljšanje propusnosti standardnih dizajna antena i metoda za formiranje dvopojasnih ili pojasnih antenskih nizova. U ovom odjeljku pregledavamo prilagođene dizajne antena za RFEH, kao i klasične višepojasne antene s potencijalom za korištenje kao rektene.
Koplanarne valovodne (CPW) monopolne antene zauzimaju manje površine od mikrostripnih patch antena na istoj frekvenciji i proizvode LP ili CP valove te se često koriste za širokopojasne reverzne antene u okolišu. Refleksijske ravnine koriste se za povećanje izolacije i poboljšanje pojačanja, što rezultira dijagramima zračenja sličnim patch antenama. Prorezane koplanarne valovodne antene koriste se za poboljšanje impedancijskih propusnih širina za više frekvencijskih pojaseva, kao što su 1,8–2,7 GHz ili 1–3 GHz. Spregnute napajane prorezne antene i patch antene također se često koriste u višepojasnim rektenama. Slika 3 prikazuje neke prijavljene višepojasne antene koje koriste više od jedne tehnike poboljšanja propusnosti.
Slika 3
Usklađivanje impedancije antene i ispravljača
Usklađivanje antene od 50 Ω s nelinearnim ispravljačem je izazovno jer se njegova ulazna impedancija uvelike mijenja s frekvencijom. U topologijama A i B (slika 2), uobičajena mreža za usklađivanje je LC usklađivanje koje koristi skupljene elemente; međutim, relativna propusnost je obično niža od većine komunikacijskih pojaseva. Jednopojasno stub usklađivanje se obično koristi u mikrovalnim i milimetarskim valnim pojasevima ispod 6 GHz, a prijavljeni milimetarski valni ispravljači imaju inherentno usku propusnost jer je njihova PCE propusnost ograničena potiskivanjem izlaznih harmonika, što ih čini posebno prikladnim za jednopojasne WPT primjene u nelicenciranom pojasu od 24 GHz.
Ispravljačke komponente u topologijama C i D imaju složenije mreže za usklađivanje. Za širokopojasno usklađivanje predložene su potpuno distribuirane mreže za usklađivanje linija, s RF blokom/istosmjernim kratkim spojem (propusnim filtrom) na izlaznom priključku ili istosmjernim blokirajućim kondenzatorom kao povratnim putem za diodne harmonike. Komponente ispravljača mogu se zamijeniti isprepletenim kondenzatorima na tiskanim pločama (PCB), koji se sintetiziraju pomoću komercijalnih alata za automatizaciju elektroničkog dizajna. Druge prijavljene širokopojasne mreže za usklađivanje rektena kombiniraju skupljene elemente za usklađivanje s nižim frekvencijama i distribuirane elemente za stvaranje RF kratkog spoja na ulazu.
Variranje ulazne impedancije koju opaža opterećenje kroz izvor (poznato kao tehnika povlačenja izvora) korišteno je za projektiranje širokopojasnog ispravljača s relativnom propusnošću od 57% (1,25–2,25 GHz) i 10% većim PCE-om u usporedbi s koncentriranim ili distribuiranim krugovima. Iako su mreže za usklađivanje obično dizajnirane za usklađivanje antena preko cijele propusnosti od 50Ω, u literaturi postoje izvješća gdje su širokopojasne antene spojene na uskopojasne ispravljače.
Hibridne mreže za usklađivanje s koncentriranim i distribuiranim elementima široko su korištene u topologijama C i D, pri čemu su serijski induktiviteti i kondenzatori najčešće korišteni koncentrirani elementi. To izbjegava složene strukture poput isprepletenih kondenzatora, koji zahtijevaju točnije modeliranje i izradu od standardnih mikrostripnih linija.
Ulazna snaga ispravljača utječe na ulaznu impedanciju zbog nelinearnosti diode. Stoga je ispravljač dizajniran kako bi se maksimizirala PCE za određenu razinu ulazne snage i impedanciju opterećenja. Budući da su diode prvenstveno kapacitivne i visoke impedancije na frekvencijama ispod 3 GHz, širokopojasni ispravljači koji eliminiraju mreže za usklađivanje ili minimiziraju pojednostavljene sklopove za usklađivanje usmjereni su na frekvencije Prf>0 dBm i iznad 1 GHz, budući da diode imaju nisku kapacitivnu impedanciju i mogu se dobro uskladiti s antenom, čime se izbjegava dizajn antena s ulaznim reaktancijama >1000Ω.
Adaptivno ili rekonfigurabilno usklađivanje impedancije uočeno je u CMOS ispravljačima, gdje se mreža za usklađivanje sastoji od kondenzatorskih baterija i induktora na čipu. Statičke CMOS mreže za usklađivanje također su predložene za standardne antene od 50Ω, kao i za zajednički dizajnirane kružne antene. Izviješteno je da se pasivni CMOS detektori snage koriste za upravljanje prekidačima koji usmjeravaju izlaz antene na različite ispravljače i mreže za usklađivanje ovisno o dostupnoj snazi. Predložena je rekonfigurabilna mreža za usklađivanje koja koristi koncentrirane podesive kondenzatore, a koja se podešava finim podešavanjem uz mjerenje ulazne impedancije pomoću vektorskog analizatora mreže. U rekonfigurabilnim mikrostripnim mrežama za usklađivanje, prekidači s tranzistorima s efektom polja korišteni su za podešavanje spojnica za usklađivanje kako bi se postigle karakteristike dvostrukog pojasa.
Za više informacija o antenama posjetite:
Vrijeme objave: 09.08.2024.
