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. Rectennas su kamen temeljac WPT i RFEH sustava i imaju značajan utjecaj na istosmjernu snagu isporučenu opterećenju. Antenski elementi rektene izravno utječu na učinkovitost žetve, što može varirati prikupljenu snagu za nekoliko redova veličine. Ovaj rad daje pregled dizajna antena korištenih u WPT i ambijentalnim RFEH aplikacijama. Prijavljene rektene klasificirane su prema dva glavna kriterija: širini pojasa impedancije ispravljanja antene i karakteristikama zračenja antene. Za svaki kriterij utvrđuje se i usporedno pregledava vrijednost vrijednosti (FoM) za različite primjene.
WPT je predložio Tesla početkom 20. stoljeća kao metodu za prijenos tisuća konjskih snaga. Izraz rectenna, koji opisuje antenu spojenu na ispravljač za prikupljanje RF energije, pojavio se 1950-ih za aplikacije svemirskog mikrovalnog prijenosa energije i za napajanje autonomnih dronova. Višesmjerni WPT dugog dometa ograničen je fizičkim svojstvima medija za širenje (zrak). Stoga je komercijalni WPT uglavnom ograničen na prijenos energije bez zračenja u blizini polja za bežično punjenje potrošačke elektronike ili RFID.
Kako se potrošnja energije poluvodičkih uređaja i bežičnih senzorskih čvorova nastavlja smanjivati, postaje izvedivije napajati senzorske čvorove korištenjem ambijentalnog RFEH-a ili korištenjem distribuiranih višesmjernih odašiljača male snage. Bežični energetski sustavi ultra male snage obično se sastoje od prednjeg dijela RF akvizicije, istosmjernog napajanja i upravljanja memorijom te mikroprocesora i primopredajnika male snage.
Slika 1 prikazuje arhitekturu RFEH bežičnog čvora i uobičajeno prijavljene implementacije RF front-enda. Učinkovitost bežičnog energetskog sustava od kraja 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 stupanj pretvorbe energije, ključne komponente za učinkovitu pretvorbu energije i srodne preglede literature za svaki dio. Novija literatura usredotočuje se na tehnologiju pretvorbe energije, topologije ispravljača ili RFEH koji je svjestan mreže.
Slika 1
Međutim, dizajn antene ne smatra se kritičnom komponentom u RFEH. Iako neka literatura razmatra propusnost i učinkovitost antene iz sveukupne 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 daje pregled tehnika dizajna antena u rektenama s ciljem razlikovanja RFEH i WPT specifičnih izazova dizajna antene od standardnog dizajna komunikacijske antene. Antene se uspoređuju iz dvije perspektive: end-to-end usklađivanje impedancije i karakteristike zračenja; u svakom slučaju, FoM se identificira i pregledava u najsuvremenijim (SoA) antenama.
2. Širina pojasa i podudaranje: RF mreže bez 50Ω
Karakteristična impedancija od 50Ω rano je razmatranje kompromisa između prigušenja i snage u aplikacijama mikrovalnog inženjerstva. Kod antena, 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 projektirani s podudaranjem ulazne impedancije od 50 Ω, tradicionalno se navodi izvor od 50 Ω.
U rekteni, izlaz antene izravno se dovodi u ispravljač, a nelinearnost diode uzrokuje velike varijacije u ulaznoj impedanciji, pri čemu kapacitivna komponenta dominira. Uz pretpostavku antene od 50Ω, glavni izazov je dizajnirati dodatnu RF mrežu za usklađivanje za transformaciju ulazne impedancije u impedanciju ispravljača na frekvenciji od interesa i optimizirati je za određenu razinu snage. U ovom slučaju potrebna je propusnost impedancije od kraja do kraja kako bi se osigurala učinkovita pretvorba RF u DC. Stoga, iako antene mogu postići teoretski beskonačnu ili ultra-široku propusnost koristeći periodične elemente ili samokomplementarnu geometriju, propusnost rektenne će biti usko grlo mreže usklađivanja ispravljača.
Predloženo je nekoliko rectenna topologija za postizanje jednopojasnog i višepojasnog sakupljanja ili WPT minimiziranjem refleksija i maksimiziranjem prijenosa snage između antene i ispravljača. Slika 2 prikazuje strukture prijavljenih topologija rektene, kategorizirane prema njihovoj arhitekturi usklađivanja impedancije. Tablica 2 prikazuje primjere rektena visokih performansi s obzirom na propusnost od kraja do kraja (u ovom slučaju, FoM) za svaku kategoriju.
Slika 2 Topologije Rectenne iz perspektive usklađivanja propusnosti i impedancije. (a) Jednopojasna rektena sa standardnom antenom. (b) Višepojasna rektenna (sastavljena od više međusobno povezanih antena) s jednim ispravljačem i odgovarajućom mrežom po pojasu. (c) Širokopojasna rektena s više RF priključaka i odvojenim odgovarajućim mrežama za svaki pojas. (d) Širokopojasna rektenna sa širokopojasnom antenom i širokopojasnom odgovarajućom mrežom. (e) Jednopojasna rektena koja koristi električki malu antenu izravno usklađenu s ispravljačem. (f) Jednopojasna, električki velika antena sa kompleksnom impedancijom za konjugaciju s ispravljačem. (g) Širokopojasna rektenna sa kompleksnom impedancijom za konjugaciju s ispravljačem preko raspona frekvencija.
Dok su WPT i ambijentalni RFEH iz namjenskog napajanja različite rektenne aplikacije, postizanje end-to-end podudaranja između antene, ispravljača i opterećenja temeljno je za postizanje visoke učinkovitosti pretvorbe snage (PCE) iz perspektive propusnosti. Unatoč tome, WPT rektenne više se fokusiraju na postizanje višeg usklađivanja faktora kvalitete (niži S11) kako bi poboljšali jednopojasni PCE na određenim razinama snage (topologije a, e i f). Široka propusnost jednopojasnog WPT-a poboljšava otpornost sustava na odgađanje, nedostatke u proizvodnji i parazite pakiranja. S druge strane, RFEH rektene daju prednost radu s više pojaseva i pripadaju topologijama bd i g, jer je spektralna gustoća snage (PSD) jednog pojasa općenito niža.
3. Dizajn pravokutne 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 ravnini tla, dipolna antena i invertirana F antena. Rektena diferencijalnog pojasa temelji se na DC kombiniranom nizu konfiguriranom s višestrukim antenskim jedinicama ili mješovitoj DC i RF kombinaciji višestrukih spojnih jedinica.
Budući da su mnoge od predloženih antena jednofrekventne antene i ispunjavaju zahtjeve jednofrekventnog WPT-a, kada se traži ekološki višefrekventni RFEH, više jednofrekventnih antena kombinira se u višepojasne rektenne (topologija B) s međusobnim potiskivanjem sprezanja i neovisnu istosmjernu kombinaciju nakon kruga za upravljanje napajanjem kako bi ih potpuno izolirali od kruga za prikupljanje i pretvorbu RF-a. Ovo zahtijeva više strujnih krugova za upravljanje napajanjem za svaki pojas, što može smanjiti učinkovitost pojačanog pretvarača jer je istosmjerna snaga jednog pojasa niska.
2. Višepojasne i širokopojasne RFEH antene
Okolišni RFEH često se povezuje s višepojasnom akvizicijom; stoga su predložene različite tehnike za poboljšanje propusnosti standardnih dizajna antena i metode za formiranje dvopojasnih ili pojasnih antenskih nizova. U ovom odjeljku pregledavamo prilagođene dizajne antena za RFEH, kao i klasične višepojasne antene s potencijalom da se koriste kao rektenne.
Koplanarne valovodne (CPW) monopolne antene zauzimaju manje površine od mikrotrakastih patch antena na istoj frekvenciji i proizvode LP ili CP valove, a često se koriste za širokopojasne ekološke rektene. Refleksijske ravnine koriste se za povećanje izolacije i poboljšanje pojačanja, što rezultira uzorcima zračenja sličnim patch antenama. Koplanarne valovodne antene s prorezima koriste se za poboljšanje propusnosti impedancije za više frekvencijskih pojasa, kao što su 1,8–2,7 GHz ili 1–3 GHz. Utorne antene sa spojenim napajanjem i patch antene također se često koriste u dizajnu višepojasnih rektena. 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 50Ω s nelinearnim ispravljačem je izazovno jer njegova ulazna impedancija uvelike varira s frekvencijom. U topologijama A i B (Slika 2), uobičajena mreža podudaranja je LC podudaranje koje koristi grupirane elemente; međutim, relativna propusnost obično je niža od većine komunikacijskih pojaseva. Jednopojasno usklađivanje obično se koristi u mikrovalnim i milimetarskim valovima ispod 6 GHz, a prijavljene milimetarske rektene imaju inherentno usku propusnost jer je njihova PCE propusnost uska zbog potiskivanja izlaznih harmonika, što ih čini posebno prikladnima za pojedinačne band WPT aplikacije u nelicenciranom pojasu od 24 GHz.
Rektene u topologijama C i D imaju složenije mreže podudaranja. Predložene su potpuno distribuirane mreže za usklađivanje linija za širokopojasno usklađivanje, s RF blokom/istosmjernim kratkim spojem (propusni filtar) na izlaznom priključku ili DC blokirajućim kondenzatorom kao povratnim putem za diodne harmonike. Komponente ispravljača mogu se zamijeniti interdigitalnim kondenzatorima na tiskanoj ploči (PCB), koji su sintetizirani korištenjem komercijalnih alata za automatizaciju elektroničkog dizajna. Druge prijavljene širokopojasne rectenna mreže za usklađivanje kombiniraju skupne elemente za usklađivanje s nižim frekvencijama i distribuirane elemente za stvaranje RF kratkog spoja na ulazu.
Variranje ulazne impedancije opažene opterećenjem kroz izvor (poznato kao tehnika povlačenja izvora) korišteno je za dizajn širokopojasnog ispravljača s 57% relativne širine pojasa (1,25–2,25 GHz) i 10% višim PCE u usporedbi s grupiranim ili distribuiranim krugovima . Iako su mreže za usklađivanje tipično dizajnirane za usklađivanje antena preko cijele propusnosti od 50Ω, u literaturi postoje izvještaji gdje su širokopojasne antene spojene na uskopojasne ispravljače.
Hibridne mreže s grupiranim elementima i mreže s distribuiranim elementima naširoko su korištene u topologijama C i D, pri čemu su serijski induktori i kondenzatori najčešće korišteni skupni elementi. Time se izbjegavaju složene strukture kao što su interdigitalni kondenzatori, koji zahtijevaju točnije modeliranje i izradu nego standardni mikrotrakasti vodovi.
Ulazna snaga u ispravljač utječe na ulaznu impedanciju zbog nelinearnosti diode. Stoga je rektenna dizajnirana da maksimizira PCE za određenu razinu ulazne snage i impedanciju opterećenja. Budući da su diode primarno kapacitivne visoke impedancije na frekvencijama ispod 3 GHz, širokopojasne rektenne koje eliminiraju mreže za usklađivanje ili minimiziraju pojednostavljene sklopove za usklađivanje usmjerene su na frekvencije Prf>0 dBm i iznad 1 GHz, budući da diode imaju nisku kapacitivnu impedanciju i mogu se dobro uskladiti na antenu, čime se izbjegava projektiranje antena s ulaznom reaktancijom >1000Ω.
Prilagodljivo ili rekonfigurabilno usklađivanje impedancije viđeno je u CMOS rektenama, gdje se mreža za usklađivanje sastoji od baterija kondenzatora i induktora na čipu. Statičke CMOS mreže za usklađivanje također su predložene za standardne 50Ω antene kao i ko-dizajnirane petljaste antene. Zabilježeno je da se pasivni CMOS detektori snage koriste za kontrolu prekidača koji usmjeravaju izlaz antene na različite ispravljače i odgovarajuće mreže ovisno o dostupnoj snazi. Predložena je rekonfigurabilna mreža za usklađivanje koja koristi lumped podesive kondenzatore, koja se podešava finim podešavanjem uz mjerenje ulazne impedancije pomoću vektorskog mrežnog analizatora. U rekonfigurabilnim mikrotrakastim mrežama za usklađivanje, tranzistorski prekidači s efektom polja korišteni su za prilagodbu spojnih spojeva za postizanje dvopojasnih karakteristika.
Da biste saznali više o antenama, posjetite:
Vrijeme objave: 9. kolovoza 2024
