1.Introducere
Recoltarea energiei prin radiofrecvență (RF) (RFEH) și transferul radiativ de putere fără fir (WPT) au atras un mare interes ca metode de a realiza rețele fără fir durabile fără baterii. Rectenele sunt piatra de temelie a sistemelor WPT și RFEH și au un impact semnificativ asupra puterii DC furnizate sarcinii. Elementele de antenă ale rectenei afectează în mod direct eficiența recoltării, care poate varia puterea recoltată cu mai multe ordine de mărime. Această lucrare trece în revistă modelele de antene utilizate în aplicațiile WPT și RFEH ambientale. Rectenele raportate sunt clasificate în funcție de două criterii principale: lățimea de bandă a impedanței de rectificare a antenei și caracteristicile de radiație ale antenei. Pentru fiecare criteriu, cifra de merit (FoM) pentru diferite aplicații este determinată și revizuită comparativ.
WPT a fost propus de Tesla la începutul secolului al XX-lea ca metodă de transmitere a mii de cai putere. Termenul rectennă, care descrie o antenă conectată la un redresor pentru a colecta puterea RF, a apărut în anii 1950 pentru aplicațiile spațiale de transmisie a puterii cu microunde și pentru a alimenta dronele autonome. WPT omnidirecțional, pe distanță lungă, este constrâns de proprietățile fizice ale mediului de propagare (aer). Prin urmare, WPT comercial se limitează în principal la transferul de putere neradiativă în câmp apropiat pentru încărcarea electronică de consum fără fir sau RFID.
Pe măsură ce consumul de energie al dispozitivelor semiconductoare și al nodurilor senzori wireless continuă să scadă, devine mai fezabil să alimentați nodurile senzorilor folosind RFEH ambiental sau folosind transmițătoare omnidirecționale distribuite de putere redusă. Sistemele de alimentare fără fir cu putere ultra-scăzută constau, de obicei, dintr-un front end de achiziție RF, alimentare DC și gestionarea memoriei și un microprocesor și transceiver de putere redusă.
Figura 1 prezintă arhitectura unui nod fără fir RFEH și implementările front-end RF raportate în mod obișnuit. Eficiența de la capăt la capăt a sistemului de alimentare fără fir și arhitectura rețelei de transfer de energie și informații fără fir sincronizate depind de performanța componentelor individuale, cum ar fi antene, redresoare și circuite de gestionare a energiei. Au fost efectuate mai multe studii de literatură pentru diferite părți ale sistemului. Tabelul 1 rezumă etapa de conversie a puterii, componentele cheie pentru conversia eficientă a puterii și studiile din literatură aferente pentru fiecare parte. Literatura recentă se concentrează pe tehnologia de conversie a puterii, topologiile redresoarelor sau RFEH conștient de rețea.
Figura 1
Cu toate acestea, proiectarea antenei nu este considerată o componentă critică în RFEH. Deși unele literaturi iau în considerare lățimea de bandă și eficiența antenei dintr-o perspectivă de ansamblu sau dintr-o perspectivă specifică de proiectare a antenei, cum ar fi antenele miniaturizate sau portabile, impactul anumitor parametri ai antenei asupra recepției puterii și eficienței conversiei nu este analizat în detaliu.
Această lucrare analizează tehnicile de proiectare a antenei în rectenne cu scopul de a distinge provocările specifice de proiectare a antenei RFEH și WPT de proiectarea standard a antenei de comunicație. Antenele sunt comparate din două perspective: potrivirea impedanței de la capăt la capăt și caracteristicile radiației; în fiecare caz, FoM este identificat și revizuit în antenele de ultimă generație (SoA).
2. Lățime de bandă și potrivire: Rețele RF fără 50Ω
Impedanța caracteristică de 50Ω este o considerație timpurie a compromisului dintre atenuare și putere în aplicațiile de inginerie cu microunde. În antene, lățimea de bandă a impedanței este definită ca intervalul de frecvență în care puterea reflectată este mai mică de 10% (S11< − 10 dB). Deoarece amplificatoarele cu zgomot redus (LNA), amplificatoarele de putere și detectoarele sunt de obicei proiectate cu o potrivire a impedanței de intrare de 50Ω, se face referire în mod tradițional la o sursă de 50Ω.
Într-o rectennă, ieșirea antenei este alimentată direct în redresor, iar neliniaritatea diodei provoacă o variație mare a impedanței de intrare, dominand componenta capacitivă. Presupunând o antenă de 50Ω, principala provocare este de a proiecta o rețea suplimentară de potrivire RF pentru a transforma impedanța de intrare în impedanța redresorului la frecvența de interes și pentru a o optimiza pentru un anumit nivel de putere. În acest caz, este necesară lățimea de bandă de impedanță de la capăt la capăt pentru a asigura o conversie eficientă RF în DC. Prin urmare, deși antenele pot atinge teoretic lățime de bandă infinită sau ultra-largă folosind elemente periodice sau geometrie auto-complementară, lățimea de bandă a rectenei va fi blocată de rețeaua de potrivire a redresorului.
Au fost propuse mai multe topologii de rectennă pentru a realiza recoltarea cu o singură bandă și multi-bandă sau WPT prin minimizarea reflexiilor și maximizarea transferului de putere între antenă și redresor. Figura 2 prezintă structurile topologiilor de rectenna raportate, clasificate după arhitectura lor de potrivire a impedanței. Tabelul 2 prezintă exemple de rectenne de înaltă performanță în ceea ce privește lățimea de bandă de la capăt la capăt (în acest caz, FoM) pentru fiecare categorie.
Figura 2 Topologii Rectenna din perspectiva potrivirii lățimii de bandă și a impedanței. (a) Rectennă cu o singură bandă cu antenă standard. (b) Rectennă multibandă (compusă din mai multe antene cuplate reciproc) cu un redresor și rețea corespunzătoare pe bandă. (c) Rectennă de bandă largă cu mai multe porturi RF și rețele de potrivire separate pentru fiecare bandă. (d) Rectennă de bandă largă cu antenă de bandă largă și rețea de potrivire în bandă largă. (e) Rectenă cu o singură bandă care utilizează o antenă electrică mică, adaptată direct la redresor. (f) Antenă cu o singură bandă, mare din punct de vedere electric, cu impedanță complexă pentru a se conjuga cu redresorul. (g) Rectennă de bandă largă cu impedanță complexă pentru a se conjuga cu redresorul pe o gamă de frecvențe.
În timp ce WPT și RFEH ambiental de la alimentarea dedicată sunt aplicații de rectennă diferite, realizarea unei potriviri end-to-end între antenă, redresor și sarcină este fundamentală pentru a obține o eficiență ridicată a conversiei puterii (PCE) din perspectiva lățimii de bandă. Cu toate acestea, rectenele WPT se concentrează mai mult pe realizarea potrivirii factorilor de calitate superioară (S11 mai scăzut) pentru a îmbunătăți PCE cu o singură bandă la anumite niveluri de putere (topologii a, e și f). Lățimea de bandă largă a WPT cu o singură bandă îmbunătățește imunitatea sistemului la dezacordare, defecte de fabricație și paraziți de ambalare. Pe de altă parte, rectenele RFEH prioritizează operarea cu mai multe benzi și aparțin topologiilor bd și g, deoarece densitatea spectrală de putere (PSD) a unei singure benzi este în general mai mică.
3. Design de antenă dreptunghiulară
1. Rectennă cu o singură frecvență
Proiectarea antenei rectenei cu o singură frecvență (topologia A) se bazează în principal pe designul antenei standard, cum ar fi polarizarea liniară (LP) sau polarizarea circulară (CP) pe planul de masă, antena dipol și antena F inversată. Rectena de bandă diferențială se bazează pe o matrice combinată DC configurată cu mai multe unități de antenă sau combinație mixtă DC și RF de mai multe unități de patch.
Deoarece multe dintre antene propuse sunt antene cu o singură frecvență și îndeplinesc cerințele WPT cu o singură frecvență, atunci când se caută RFEH cu mai multe frecvențe de mediu, mai multe antene cu o singură frecvență sunt combinate în rectenne cu mai multe benzi (topologia B) cu suprimare reciprocă a cuplării și combinație independentă de CC după circuitul de gestionare a puterii pentru a le izola complet de circuitul de achiziție și conversie RF. Acest lucru necesită mai multe circuite de gestionare a puterii pentru fiecare bandă, ceea ce poate reduce eficiența convertorului de amplificare, deoarece puterea DC a unei singure benzi este scăzută.
2. Antene RFEH multi-bandă și în bandă largă
RFEH de mediu este adesea asociat cu achiziția multi-bandă; prin urmare, au fost propuse o varietate de tehnici pentru îmbunătățirea lățimii de bandă a proiectelor standard de antene și metode de formare a rețelelor de antene cu bandă duală sau bandă. În această secțiune, trecem în revistă modelele de antene personalizate pentru RFEH-uri, precum și antenele clasice cu mai multe benzi cu potențialul de a fi utilizate ca rectenne.
Antenele monopolare cu ghid de undă coplanar (CPW) ocupă o suprafață mai mică decât antenele cu patch cu microstrip la aceeași frecvență și produc unde LP sau CP și sunt adesea folosite pentru rectenele de mediu în bandă largă. Planurile de reflexie sunt folosite pentru a crește izolarea și pentru a îmbunătăți câștigul, rezultând modele de radiație similare cu antenele patch. Antenele cu ghid de undă coplanare cu fante sunt utilizate pentru a îmbunătăți lățimile de bandă de impedanță pentru mai multe benzi de frecvență, cum ar fi 1,8–2,7 GHz sau 1–3 GHz. Antenele cu slot cu alimentare cuplată și antenele patch sunt, de asemenea, utilizate în mod obișnuit în modelele de rectennă cu mai multe benzi. Figura 3 prezintă câteva antene multi-bandă raportate care utilizează mai mult de o tehnică de îmbunătățire a lățimii de bandă.
Figura 3
Potrivirea impedanței antenă-redresoare
Potrivirea unei antene de 50Ω cu un redresor neliniar este o provocare, deoarece impedanța sa de intrare variază foarte mult în funcție de frecvență. În topologiile A și B (Figura 2), rețeaua de potrivire comună este o potrivire LC care utilizează elemente concentrate; cu toate acestea, lățimea de bandă relativă este de obicei mai mică decât majoritatea benzilor de comunicație. Potrivirea stub cu o singură bandă este utilizată în mod obișnuit în benzile de microunde și unde milimetrice sub 6 GHz, iar rectenele cu unde milimetrice raportate au o lățime de bandă în mod inerent îngustă, deoarece lățimea lor de bandă PCE este blocată de suprimarea armonică de ieșire, ceea ce le face deosebit de potrivite pentru unică. aplicații WPT de bandă în banda de 24 GHz fără licență.
Rectenele din topologiile C și D au rețele de potrivire mai complexe. Au fost propuse rețele de potrivire de linie complet distribuite pentru potrivirea în bandă largă, cu un scurtcircuit bloc RF/DC (filtru de trecere) la portul de ieșire sau un condensator de blocare DC ca cale de întoarcere pentru armonicile diodei. Componentele redresorului pot fi înlocuite cu condensatoare interdigitate pe plăci de circuit imprimat (PCB), care sunt sintetizate folosind instrumente comerciale de automatizare a designului electronic. Alte rețele de potrivire cu rectennă de bandă largă raportate combină elemente concentrate pentru potrivirea la frecvențe inferioare și elemente distribuite pentru a crea un scurtcircuit RF la intrare.
Varierea impedanței de intrare observată de sarcină printr-o sursă (cunoscută sub numele de tehnica de tragere sursă) a fost utilizată pentru a proiecta un redresor de bandă largă cu 57% lățime de bandă relativă (1,25–2,25 GHz) și PCE cu 10% mai mare în comparație cu circuitele concentrate sau distribuite. . Deși rețelele de potrivire sunt în mod obișnuit concepute pentru a se potrivi cu antenele pe întreaga lățime de bandă de 50Ω, există rapoarte în literatură în care antenele de bandă largă au fost conectate la redresoare de bandă îngustă.
Rețelele hibride de potrivire cu elemente concentrate și elemente distribuite au fost utilizate pe scară largă în topologiile C și D, inductoarele și condensatorii în serie fiind cele mai frecvent utilizate elemente concentrate. Acestea evită structurile complexe, cum ar fi condensatoarele interdigitate, care necesită modelare și fabricare mai precise decât liniile microbande standard.
Puterea de intrare a redresorului afectează impedanța de intrare datorită neliniarității diodei. Prin urmare, rectenna este proiectată pentru a maximiza PCE pentru un anumit nivel de putere de intrare și impedanță de sarcină. Deoarece diodele sunt în principal capacitive de impedanță înaltă la frecvențe sub 3 GHz, rectenele de bandă largă care elimină rețelele de potrivire sau minimizează circuitele de potrivire simplificate s-au concentrat pe frecvențe Prf>0 dBm și peste 1 GHz, deoarece diodele au impedanță capacitivă scăzută și pot fi bine adaptate. la antenă, evitându-se astfel proiectarea antenelor cu reactanțe de intrare >1.000Ω.
Potrivirea impedanței adaptive sau reconfigurabile a fost observată în rectenele CMOS, unde rețeaua de potrivire constă din bănci de condensatoare și inductori pe cip. Rețelele de potrivire CMOS statice au fost, de asemenea, propuse pentru antene standard de 50Ω, precum și pentru antene în buclă proiectate în comun. S-a raportat că detectoarele de putere CMOS pasive sunt utilizate pentru a controla comutatoarele care direcționează ieșirea antenei către diferite redresoare și rețele de potrivire în funcție de puterea disponibilă. A fost propusă o rețea de potrivire reconfigurabilă folosind condensatoare reglabile concentrate, care este reglată prin reglare fină în timp ce se măsoară impedanța de intrare folosind un analizor de rețea vectorială. În rețelele de potrivire microstrip reconfigurabile, comutatoarele cu tranzistori cu efect de câmp au fost folosite pentru a regla stub-urile de potrivire pentru a obține caracteristici de bandă duală.
Pentru a afla mai multe despre antene, vă rugăm să vizitați:
Ora postării: Aug-09-2024
