1. Introducere
Captarea energiei de radiofrecvență (RFEH) și transferul radiativ de energie fără fir (WPT) au stârnit un mare interes ca metode de realizare a rețelelor fără fir sustenabile fără baterii. Rectenele sunt piatra de temelie a sistemelor WPT și RFEH și au un impact semnificativ asupra puterii de curent continuu furnizate sarcinii. Elementele antenei rectenei afectează direct eficiența captării, care poate varia puterea captată cu câteva ordine de mărime. Această lucrare analizează modelele de antene utilizate în aplicațiile WPT și RFEH ambiental. Rectenele raportate sunt clasificate în funcție de două criterii principale: lățimea de bandă a impedanței de redresare a antenei și caracteristicile de radiație ale antenei. Pentru fiecare criteriu, se determină și se analizează comparativ cifra de merit (FoM) pentru diferite aplicații.
Tehnologia WPT (Window-Transmission Transmission - Transmisia de Putere a Tensiunii Operaționale) a fost propusă de Tesla la începutul secolului al XX-lea ca o metodă de transmitere a miilor de cai putere. Termenul „rectenna”, care descrie o antenă conectată la un redresor pentru a capta puterea RF, a apărut în anii 1950 pentru aplicații de transmisie a energiei prin microunde în spațiu și pentru alimentarea dronelor autonome. WPT omnidirecțional, cu rază lungă de acțiune, este limitat de proprietățile fizice ale mediului de propagare (aerul). Prin urmare, WPT comercial este limitat în principal la transferul de putere neradiativ în câmp apropiat pentru încărcarea wireless a electronicelor de larg consum sau RFID.
Pe măsură ce consumul de energie al dispozitivelor semiconductoare și al nodurilor senzoriale wireless continuă să scadă, devine mai fezabil să se alimenteze nodurile senzoriale folosind RFEH ambiental sau folosind emițătoare omnidirecționale distribuite de putere redusă. Sistemele de alimentare wireless de putere ultra-redusă constau de obicei dintr-un front-end de achiziție RF, alimentare CC și gestionare a memoriei și un microprocesor și un transceiver de putere redusă.
Figura 1 prezintă arhitectura unui nod wireless RFEH și implementările front-end RF raportate în mod obișnuit. Eficiența end-to-end a sistemului de alimentare wireless și arhitectura rețelei sincronizate de informații și transfer de energie wireless depind de performanța componentelor individuale, cum ar fi antenele, redresoarele și circuitele 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 o conversie eficientă a puterii și studiile de 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, designul antenei nu este considerat o componentă critică în RFEH. Deși unele studii de specialitate iau în considerare lățimea de bandă și eficiența antenei dintr-o perspectivă generală sau dintr-o perspectivă specifică a designului antenei, cum ar fi antenele miniaturizate sau purtabile, impactul anumitor parametri ai antenei asupra recepției de putere și a eficienței de conversie nu este analizat în detaliu.
Această lucrare analizează tehnicile de proiectare a antenelor în rețele de antene, cu scopul de a distinge provocările specifice proiectării antenelor RFEH și WPT de proiectarea antenelor standard de comunicații. Antenele sunt comparate din două perspective: adaptarea impedanței end-to-end și caracteristicile radiației; în fiecare caz, FoM este identificat și analizat în cazul antenelor de ultimă generație (SoA).
2. Lățime de bandă și potrivire: Rețele RF non-50Ω
Impedanța caracteristică de 50Ω este o considerație timpurie a compromisului dintre atenuare și putere în aplicațiile inginerești ale microundelor. 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 adaptare a impedanței de intrare de 50Ω, în mod tradițional se folosește ca referință o sursă de 50Ω.
Într-o antenă de tip rectenă, ieșirea antenei este introdusă direct în redresor, iar neliniaritatea diodei provoacă o variație mare a impedanței de intrare, componenta capacitivă fiind dominantă. Presupunând o antenă de 50Ω, principala provocare este de a proiecta o rețea suplimentară de adaptare RF pentru a transforma impedanța de intrare în impedanța redresorului la frecvența de interes și a o optimiza pentru un anumit nivel de putere. În acest caz, este necesară o lățime de bandă a impedanței cap-la-cap pentru a asigura o conversie eficientă de la RF la curent continuu. Prin urmare, deși antenele pot obține teoretic o lățime de bandă infinită sau ultra-largă folosind elemente periodice sau geometrie autocomplementară, lățimea de bandă a rectenei va fi limitată de rețeaua de adaptare a redresorului.
Au fost propuse mai multe topologii de rectenă pentru a realiza recoltarea sau WPT pe o singură bandă și pe mai multe benzi prin minimizarea reflexiilor și maximizarea transferului de putere între antenă și redresor. Figura 2 prezintă structurile topologiilor de rectenă raportate, clasificate după arhitectura lor de adaptare a impedanței. Tabelul 2 prezintă exemple de rectene de înaltă performanță în ceea ce privește lățimea de bandă end-to-end (în acest caz, FoM) pentru fiecare categorie.
Figura 2 Topologii de rectenă din perspectiva adaptării lățimii de bandă și a impedanței. (a) Rectenenă cu o singură bandă cu antenă standard. (b) Rectenenă multibandă (compusă din mai multe antene cuplate reciproc) cu un redresor și o rețea de adaptare per bandă. (c) Rectenenă cu bandă largă cu mai multe porturi RF și rețele de adaptare separate pentru fiecare bandă. (d) Rectenenă cu bandă largă cu antenă cu bandă largă și rețea de adaptare cu bandă largă. (e) Rectenenă cu o singură bandă folosind o antenă mică din punct de vedere electric, 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) Rectenenă cu bandă largă cu impedanță complexă pentru a se conjuga cu redresorul pe o gamă de frecvențe.
Deși WPT și RFEH ambiental de la o alimentare dedicată sunt aplicații diferite ale rectenei, realizarea unei potriviri complete între antenă, redresor și sarcină este fundamentală pentru a obține o eficiență ridicată a conversiei de putere (PCE) din perspectiva lățimii de bandă. Cu toate acestea, recteneele WPT se concentrează mai mult pe obținerea unei potriviri superioare a factorilor de calitate (S11 mai mic) pentru a îmbunătăți PCE pe o singură bandă la anumite niveluri de putere (topologiile a, e și f). Lățimea de bandă largă a WPT pe o singură bandă îmbunătățește imunitatea sistemului la detunare, defecte de fabricație și paraziți ai împachetării. Pe de altă parte, recteneele RFEH prioritizează funcționarea multi-bandă și aparțin topologiilor bd și g, deoarece densitatea spectrală de putere (PSD) a unei singure benzi este în general mai mică.
3. Designul antenei dreptunghiulare
1. Rectană cu o singură frecvență
Designul antenei de tip rectenă cu o singură frecvență (topologia A) se bazează în principal pe designul standard al antenei, cum ar fi polarizarea liniară (LP) sau polarizarea circulară (CP) cu patch radiant pe planul de masă, antena dipol și antena F inversată. Recena cu bandă diferențială se bazează pe o matrice combinată de curent continuu configurată cu mai multe unități de antenă sau o combinație mixtă de curent continuu și RF a mai multor unități de patch.
Întrucât multe dintre antenele propuse sunt antene cu o singură frecvență și îndeplinesc cerințele WPT cu o singură frecvență, atunci când se caută RFEH multifrecvență în mediu, mai multe antene cu o singură frecvență sunt combinate în rectene multibandă (topologia B) cu suprimare a cuplajului reciproc și combinare independentă de curent continuu 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 amplificator deoarece puterea de curent continuu a unei singure benzi este scăzută.
2. Antene RFEH multibandă și de bandă largă
RFEH-urile de mediu sunt adesea asociate cu achiziția multi-bandă; prin urmare, au fost propuse o varietate de tehnici pentru îmbunătățirea lățimii de bandă a antenelor standard și metode pentru formarea unor rețele de antene dual-band sau dual-band. În această secțiune, trecem în revistă modelele de antene personalizate pentru RFEH-uri, precum și antenele clasice multi-bandă cu potențialul de a fi utilizate ca rectene.
Antenele monopolare cu ghid de undă coplanar (CPW) ocupă o suprafață mai mică decât antenele patch microstrip la aceeași frecvență și produc unde LP sau CP, fiind adesea utilizate pentru rectene de mediu în bandă largă. Planurile de reflexie sunt utilizate pentru a crește izolația și a îmbunătăți câștigul, rezultând modele de radiație similare cu antenele patch. Antenele cu ghid de undă coplanar 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 fante alimentate cuplat și antenele patch sunt, de asemenea, utilizate în mod obișnuit în proiectele de rectene multi-bandă. 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-redresor
Adaptarea unei antene de 50Ω la un redresor neliniar este dificilă deoarece impedanța sa de intrare variază foarte mult în funcție de frecvență. În topologiile A și B (Figura 2), rețeaua de adaptare obișnuită este o adaptare LC folosind elemente concentrate; cu toate acestea, lățimea de bandă relativă este de obicei mai mică decât în majoritatea benzilor de comunicație. Adaptarea stub-urilor pe 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 inerent îngustă, deoarece lățimea de bandă PCE a acestora este limitată de suprimarea armonicelor de ieșire, ceea ce le face deosebit de potrivite pentru aplicații WPT pe o singură bandă în banda nelicențiată de 24 GHz.
Rectenele din topologiile C și D au rețele de adaptare mai complexe. Au fost propuse rețele de adaptare liniară complet distribuite pentru adaptarea în bandă largă, cu un bloc RF/scurtcircuit CC (filtru de trecere) la portul de ieșire sau un condensator de blocare CC ca cale de retur pentru armonicele diodelor. Componentele redresorului pot fi înlocuite cu condensatoare interdigitate pe plăci de circuite imprimate (PCB), care sunt sintetizate folosind instrumente comerciale de automatizare a proiectării electronice. Alte rețele de adaptare rectene în bandă largă raportate combină elemente concentrate pentru adaptarea la frecvențe mai joase și elemente distribuite pentru crearea unui scurtcircuit RF la intrare.
Varierea impedanței de intrare observate de sarcină printr-o sursă (cunoscută sub numele de tehnica source-pull) a fost utilizată pentru a proiecta un redresor de bandă largă cu o lățime de bandă relativă de 57% (1,25–2,25 GHz) și o putere de expirare (PCE) cu 10% mai mare în comparație cu circuitele distribuite sau cu lumpe. Deși rețelele de adaptare sunt de obicei proiectate pentru a adapta antenele pe întreaga lățime de bandă de 50 Ω, există rapoarte în literatura de specialitate în care antenele de bandă largă au fost conectate la redresoare de bandă îngustă.
Rețelele hibride de adaptare cu elemente localizate și cu elemente distribuite au fost utilizate pe scară largă în topologiile C și D, inductoarele și condensatoarele serie fiind cele mai frecvent utilizate elemente localizate. Acestea evită structurile complexe, cum ar fi condensatoarele interdigitate, care necesită o modelare și o fabricare mai precisă decât liniile microstrip standard.
Puterea de intrare a redresorului afectează impedanța de intrare datorită neliniarității diodei. Prin urmare, rectena este proiectată pentru a maximiza PCE pentru un anumit nivel de putere de intrare și impedanță de sarcină. Deoarece diodele sunt în principal capacitive cu impedanță ridicată la frecvențe sub 3 GHz, rectenele de bandă largă care elimină rețelele de adaptare sau minimizează circuitele de adaptare simplificate s-au concentrat pe frecvențe Prf>0 dBm și peste 1 GHz, deoarece diodele au o impedanță capacitivă scăzută și pot fi bine adaptate la antenă, evitând astfel proiectarea antenelor cu reactanțe de intrare >1.000 Ω.
Adaptarea impedanței adaptivă sau reconfigurabilă a fost observată în rețelele CMOS, unde rețeaua de adaptare constă din baterii de condensatoare și inductoare integrate în cip. Rețele statice de adaptare CMOS au fost propuse și 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 adaptare, în funcție de puterea disponibilă. A fost propusă o rețea de adaptare reconfigurabilă utilizând condensatoare reglabile grupate, care este reglată prin reglare fină în timp ce se măsoară impedanța de intrare folosind un analizor de rețea vectorială. În rețelele de adaptare microstrip reconfigurabile, s-au utilizat comutatoare cu tranzistoare cu efect de câmp pentru a ajusta stuburile de adaptare pentru a obține caracteristici dual-band.
Pentru a afla mai multe despre antene, vă rugăm să vizitați:
Data publicării: 09 august 2024
