1. Johdanto
Radiotaajuinen (RF) energiankeruu (RFEH) ja radioaktiivinen langaton tehonsiirto (WPT) ovat herättäneet suurta kiinnostusta menetelminä akkuvapaiden kestävien langattomien verkkojen aikaansaamiseksi. Rectennat ovat WPT- ja RFEH-järjestelmien kulmakivi ja niillä on merkittävä vaikutus kuormaan toimitettavaan tasavirtaan. Rectennan antennielementit vaikuttavat suoraan keruutehokkuuteen, mikä voi vaihdella kerättyä tehoa useiden suuruusluokkien verran. Tässä artikkelissa tarkastellaan WPT- ja ympäristön RFEH-sovelluksissa käytettyjä antennimalleja. Raportoidut suoraviivat luokitellaan kahden pääkriteerin mukaan: antennin tasasuuntaavan impedanssin kaistanleveys ja antennin säteilyominaisuudet. Kullekin kriteerille määritetään eri sovellusten ansiotaso (FoM) ja sitä tarkastellaan vertailussa.
Tesla ehdotti WPT:tä 1900-luvun alussa menetelmäksi lähettää tuhansia hevosvoimia. Termi rectenna, joka kuvaa antennia, joka on kytketty tasasuuntaajaan RF-tehon keräämiseksi, syntyi 1950-luvulla avaruusmikroaaltovoimansiirtosovelluksiin ja autonomisten droonien käyttämiseen. Monisuuntaista, pitkän kantaman WPT:tä rajoittavat etenemisväliaineen (ilman) fysikaaliset ominaisuudet. Siksi kaupallinen WPT rajoittuu pääasiassa lähikentän ei-säteilylliseen tehonsiirtoon langattomassa kulutuselektroniikan latauksessa tai RFID:ssä.
Puolijohdelaitteiden ja langattomien anturisolmujen virrankulutuksen laskun jatkuessa anturisolmujen tehostaminen ympäristön RFEH-tekniikalla tai hajautetuilla pienitehoisilla monisuuntaisilla lähettimillä on mahdollista. Erittäin vähätehoiset langattomat tehojärjestelmät koostuvat yleensä RF-keräyksen etuosasta, tasavirtatehon ja muistin hallinnasta sekä pienitehoisesta mikroprosessorista ja lähetin-vastaanottimesta.
Kuvassa 1 on esitetty langattoman RFEH-solmun arkkitehtuuri ja yleisesti raportoidut RF-etupään toteutukset. Langattoman tehojärjestelmän päästä päähän -tehokkuus ja synkronoidun langattoman tiedon ja tehonsiirtoverkon arkkitehtuuri riippuvat yksittäisten komponenttien, kuten antennien, tasasuuntaajien ja tehonhallintapiirien, suorituskyvystä. Järjestelmän eri osista on tehty useita kirjallisuusselvityksiä. Taulukossa 1 on yhteenveto tehon muunnosvaiheesta, tehokkaan tehon muuntamisen tärkeimmistä komponenteista ja niihin liittyvistä kirjallisuusselvityksistä jokaiselle osalle. Viimeaikainen kirjallisuus keskittyy tehonmuuntoteknologiaan, tasasuuntaajatopologioihin tai verkkotietoiseen RFEH-tekniikkaan.
Kuva 1
Antennisuunnittelua ei kuitenkaan pidetä RFEH:n kriittisenä komponenttina. Vaikka joissakin kirjallisuudessa tarkastellaan antennin kaistanleveyttä ja tehokkuutta yleisestä näkökulmasta tai tietyn antennin suunnittelun näkökulmasta, kuten pienoisantennit tai puettavat antennit, tiettyjen antenniparametrien vaikutusta tehon vastaanottoon ja muunnostehokkuuteen ei analysoida yksityiskohtaisesti.
Tässä artikkelissa tarkastellaan antennien suunnittelutekniikoita suorasuuntaisissa antenneissa tavoitteena erottaa RFEH- ja WPT-spesifiset antennisuunnittelun haasteet tavallisesta viestintäantennisuunnittelusta. Antenneja verrataan kahdesta näkökulmasta: päästä päähän -impedanssisovitus ja säteilyominaisuudet; kussakin tapauksessa FoM tunnistetaan ja tarkistetaan huipputekniikan (SoA) antenneissa.
2. Kaistanleveys ja vastaavuus: Ei-50Ω RF-verkot
50 Ω:n ominaisimpedanssi on varhainen harkinta vaimennuksen ja tehon välisestä kompromissista mikroaaltotekniikan sovelluksissa. Antenneissa impedanssin kaistanleveys määritellään taajuusalueeksi, jossa heijastusteho on alle 10 % (S11< − 10 dB). Koska matalakohinaiset vahvistimet (LNA:t), tehovahvistimet ja ilmaisimet suunnitellaan tyypillisesti 50 Ω:n tuloimpedanssisovituksella, perinteisesti viitataan 50 Ω:n lähteeseen.
Suorassa antennissa antennin lähtö syötetään suoraan tasasuuntaajaan, ja diodin epälineaarisuus aiheuttaa suuren vaihtelun tuloimpedanssissa kapasitiivinen komponentti hallitsee. Olettaen 50 Ω antennin suurin haaste on suunnitella ylimääräinen RF-sovitusverkko, joka muuntaa tuloimpedanssin tasasuuntaajan impedanssiksi halutulla taajuudella ja optimoida sen tietylle tehotasolle. Tässä tapauksessa tarvitaan päästä-päähän impedanssin kaistanleveys tehokkaan RF-DC-muunnoksen varmistamiseksi. Siksi, vaikka antennit voivat saavuttaa teoreettisesti äärettömän tai erittäin leveän kaistanleveyden käyttämällä jaksollisia elementtejä tai itseään täydentävää geometriaa, tasasuuntaajan sovitusverkko pullonkaa suoran kaistanleveyden.
Useita rectenna-topologioita on ehdotettu yksikaistaisen ja monikaistaisen keräämisen tai WPT:n saavuttamiseksi minimoimalla heijastukset ja maksimoimalla tehonsiirto antennin ja tasasuuntaajan välillä. Kuvassa 2 on esitetty raportoitujen rectenna-topologioiden rakenteet luokiteltuna niiden impedanssisovitusarkkitehtuurin mukaan. Taulukossa 2 on esimerkkejä korkean suorituskyvyn suorista kaistanleveydestä (tässä tapauksessa FoM) kunkin luokan osalta.
Kuva 2 Rectenna-topologiat kaistanleveyden ja impedanssin sovituksen näkökulmasta. (a) Yksikaistainen antenni vakioantennilla. (b) Multiband rectenna (koostuu useista toisiinsa kytketyistä antenneista), jossa on yksi tasasuuntaaja ja vastaava verkko kaistaa kohti. (c) Laajakaistainen suorakanava, jossa on useita RF-portteja ja erilliset sovitusverkot jokaiselle kaistalle. (d) Laajakaistainen antenni laajakaistaantennilla ja laajakaistasovitusverkolla. (e) Yksikaistainen tasasuuntaaja sähköisesti pienellä antennilla, joka on sovitettu suoraan tasasuuntaajaan. (f) Yksikaistainen, sähköisesti suuri antenni, jolla on monimutkainen impedanssi konjugoitavaksi tasasuuntaajan kanssa. (g) Laajakaistainen tasasuuntaaja, jolla on monimutkainen impedanssi konjugoimaan tasasuuntaajan kanssa useilla taajuuksilla.
Vaikka WPT ja ympäristön RFEH erillisestä syötöstä ovat erilaisia rectenna-sovelluksia, päästä päähän -sovitus antennin, tasasuuntaajan ja kuorman välillä on olennaista korkean tehon muunnostehokkuuden (PCE) saavuttamiseksi kaistanleveyden näkökulmasta. Siitä huolimatta WPT rectennat keskittyvät enemmän saavuttamaan korkeamman laatukerroinsovituksen (alempi S11) parantaakseen yksikaistaista PCE:tä tietyillä tehotasoilla (topologiat a, e ja f). Yksikaistaisen WPT:n laaja kaistanleveys parantaa järjestelmän vastustuskykyä virittämistä, valmistusvirheitä ja pakkausloisia vastaan. Toisaalta RFEH-suorat priorisoivat monikaistaista toimintaa ja kuuluvat topologioihin bd ja g, koska yhden kaistan tehospektritiheys (PSD) on yleensä pienempi.
3. Suorakaiteen muotoinen antennirakenne
1. Yksitaajuinen suoraviiva
Yksitaajuisen suoran antennin (topologia A) antennisuunnittelu perustuu pääosin standardiantennisuunnitteluun, kuten lineaaripolarisaatioon (LP) tai ympyräpolarisaatioon (CP) säteilevä patch maatasolla, dipoliantenni ja käänteinen F-antenni. Differentiaalikaista rectenna perustuu DC-yhdistelmäryhmään, joka on konfiguroitu useilla antenniyksiköillä tai useiden patch-yksiköiden sekoitettuun DC- ja RF-yhdistelmään.
Koska monet ehdotetuista antenneista ovat yksitaajuisia antenneja ja täyttävät yksitaajuisen WPT:n vaatimukset, ympäristön monitaajuista RFEH:tä haettaessa useat yksitaajuiset antennit yhdistetään monikaistaisiksi antenneiksi (topologia B), joissa on keskinäinen kytkentävaimennus ja riippumaton DC-yhdistelmä tehonhallintapiirin jälkeen, jotta ne voidaan eristää kokonaan RF-hankinta- ja muunnospiiristä. Tämä vaatii useita tehonhallintapiirejä kullekin kaistalle, mikä voi heikentää tehostusmuuntimen tehokkuutta, koska yhden kaistan tasavirta on alhainen.
2. Monikaistaiset ja laajakaistaiset RFEH-antennit
Ympäristöystävällinen RFEH liittyy usein monitaajuushankintaan; siksi on ehdotettu erilaisia tekniikoita standardiantennirakenteiden kaistanleveyden parantamiseksi ja menetelmiä kaksikaistaisten tai kaistaisten antenniryhmien muodostamiseksi. Tässä osiossa tarkastellaan räätälöityjä antennimalleja RFEH-antenneille sekä klassisia monikaista-antenneja, joita voidaan käyttää suorina antenneina.
Coplanar waveguide (CPW) monopoliantennit vievät vähemmän aluetta kuin mikroliuskapatch-antennit samalla taajuudella ja tuottavat LP- tai CP-aaltoja, ja niitä käytetään usein laajakaistaisiin ympäristösuoraannoihin. Heijastustasoja käytetään lisäämään eristystä ja parantamaan vahvistusta, mikä johtaa patch-antennien kaltaisiin säteilykuvioihin. Rakotettuja koplanaarisia aaltoputkiantenneja käytetään parantamaan impedanssin kaistanleveyksiä useilla taajuuskaistoilla, kuten 1,8–2,7 GHz tai 1–3 GHz. Kytkettysyötettyjä väliantenneja ja patch-antenneja käytetään myös yleisesti monikaistaisissa rectenna-malleissa. Kuvio 3 esittää joitakin raportoituja monikaista-antenneja, jotka käyttävät useampaa kuin yhtä kaistanleveyden parantamistekniikkaa.
Kuva 3
Antenni-tasasuuntaajan impedanssin sovitus
50Ω antennin sovittaminen epälineaariseen tasasuuntaajaan on haastavaa, koska sen tuloimpedanssi vaihtelee suuresti taajuuden mukaan. Topologioissa A ja B (kuva 2) yhteinen sovitusverkko on LC-sovitus, jossa käytetään niputettuja elementtejä; suhteellinen kaistanleveys on kuitenkin yleensä pienempi kuin useimmat viestintäkaistat. Yksikaistaista stub-sovitusta käytetään yleisesti alle 6 GHz:n mikroaalto- ja millimetriaaltokaistoilla, ja raportoidut millimetriaaltosuorat ovat luonnostaan kapea kaistanleveys, koska niiden PCE-kaistanleveyttä pullonkaulaa ulostulon harmoninen vaimennus, mikä tekee niistä erityisen sopivia yksittäisille taajuuksille. WPT-sovellukset 24 GHz:n lisensoimattomalla kaistalla.
Topologioissa C ja D olevilla suorilla on monimutkaisempia sovitusverkkoja. Laajakaistasovitusta varten on ehdotettu täysin hajautettuja linjasovitusverkkoja, joissa on RF-esto/DC-oikosulku (päästösuodatin) lähtöportissa tai DC-estokondensaattori paluuväylänä diodiharmonisille. Tasasuuntaajan komponentit voidaan korvata piirilevyillä (PCB) interdigitoiduilla kondensaattoreilla, jotka syntetisoidaan kaupallisilla elektroniikkasuunnittelun automaatiotyökaluilla. Muissa raportoiduissa laajakaistaisissa rectenna-sovitusverkoissa yhdistyvät niputetut elementit sovittamiseksi alemmille taajuuksille ja hajautetut elementit RF-oikosulun luomiseksi tuloon.
Kuorman havaitseman tuloimpedanssin vaihtelua lähteen kautta (tunnetaan nimellä lähde-pull-tekniikka) on käytetty laajakaistaisen tasasuuntaajan suunnittelussa, jonka suhteellinen kaistanleveys on 57 % (1,25–2,25 GHz) ja 10 % korkeampi PCE verrattuna niputettuihin tai hajautettuihin piireihin. . Vaikka sovitusverkot on tyypillisesti suunniteltu sovittamaan antenneja koko 50 Ω:n kaistanleveydellä, kirjallisuudessa on raportteja, joissa laajakaistaantenneja on kytketty kapeakaistaisiin tasasuuntaajiin.
Hybridi niputettu elementti ja hajautettu elementti sovitusverkkoja on käytetty laajalti topologioissa C ja D, ja sarja induktorit ja kondensaattorit ovat yleisimmin käytettyjä niputettuja elementtejä. Nämä välttävät monimutkaisia rakenteita, kuten interdigitoituja kondensaattoreita, jotka vaativat tarkempaa mallintamista ja valmistusta kuin tavalliset mikroliuskalinjat.
Tasasuuntaajan syöttöteho vaikuttaa tuloimpedanssiin diodin epälineaarisuuden vuoksi. Siksi rectenna on suunniteltu maksimoimaan PCE tietylle tulotehotasolle ja kuormitusimpedanssille. Koska diodit ovat ensisijaisesti kapasitiivisia korkeaimpedanssisia alle 3 GHz:n taajuuksilla, laajakaistaiset suorakanavat, jotka eliminoivat sovitusverkot tai minimoivat yksinkertaistetut sovituspiirit, on keskittynyt taajuuksille Prf > 0 dBm ja yli 1 GHz, koska diodeilla on pieni kapasitiivinen impedanssi ja ne voidaan sovittaa hyvin. antenniin, jolloin vältetään antennien suunnittelu tuloreaktanssilla >1000Ω.
Adaptiivista tai uudelleenkonfiguroitavaa impedanssisovitusta on havaittu CMOS-suoraannoissa, joissa sovitusverkko koostuu sirulla olevista kondensaattoripankeista ja induktoreista. Staattisia CMOS-sovitusverkkoja on ehdotettu myös tavallisille 50 Ω antenneille sekä yhteissuunnitelluille silmukkaantenneille. On raportoitu, että passiivisia CMOS-tehonilmaisimia käytetään ohjaamaan kytkimiä, jotka ohjaavat antennin lähdön eri tasasuuntaajiin ja vastaaviin verkkoihin käytettävissä olevan tehon mukaan. On ehdotettu uudelleenkonfiguroitavaa sovitettavaa sovitusverkkoa, jossa käytetään niputettuja viritettäviä kondensaattoreita, joka viritetään hienosäätämällä samalla kun tuloimpedanssia mitataan vektoriverkkoanalysaattorilla. Uudelleenkonfiguroitavissa mikroliuska-sovitusverkoissa kenttätehostetransistorikytkimiä on käytetty sovituspäiden säätämiseen kaksikaistaisten ominaisuuksien saavuttamiseksi.
Lisätietoja antenneista on osoitteessa:
Postitusaika: 09.08.2024
