1. Johdanto
Radiotaajuinen (RF) energiankeruu (RFEH) ja säteily langaton tehonsiirto (WPT) ovat herättäneet suurta kiinnostusta menetelminä akkuvapaiden kestävien langattomien verkkojen saavuttamiseksi. Suoraantennit ovat WPT- ja RFEH-järjestelmien kulmakivi ja niillä on merkittävä vaikutus kuormaan syötettyyn tasavirtaan. Suoraantennin antennielementit vaikuttavat suoraan keruutehokkuuteen, mikä voi vaihdella kerättyä tehoa useilla suuruusluokilla. Tässä artikkelissa tarkastellaan WPT- ja ympäristön RFEH-sovelluksissa käytettyjä antennirakenteita. Raportoidut suoraantennit luokitellaan kahden pääkriteerin mukaan: antennin tasasuuntausimpedanssin kaistanleveys ja antennin säteilyominaisuudet. Kullekin kriteerille määritetään ja vertaillaan eri sovellusten hyötysuhdetta (FoM).
Tesla ehdotti langatonta tehonsiirtoa (WPT) 1900-luvun alussa menetelmäksi tuhansien hevosvoimien siirtämiseksi. Termi rectenna, joka kuvaa tasasuuntaajaan kytkettyä antennia radiotaajuustehon keräämiseksi, syntyi 1950-luvulla avaruuskäyttöön tarkoitettuihin mikroaaltotehon siirtosovelluksiin ja autonomisten dronejen voimanlähteeksi. Monisuuntaista, pitkän kantaman WPT:tä rajoittavat etenemisväliaineen (ilman) fysikaaliset ominaisuudet. Siksi kaupallinen WPT rajoittuu pääasiassa lähikentän ei-säteilevään tehonsiirtoon langattomassa kulutuselektroniikan latauksessa tai RFID:ssä.
Puolijohdelaitteiden ja langattomien anturiverkkojen virrankulutuksen laskiessa anturiverkkojen virransyöttö ympäristön radiotaajuisesta sähköheijasta (RFEH) tai hajautetuista pienitehoisista monisuuntaisista lähettimistä on entistä mahdollisempaa. Erittäin pienitehoiset langattomat virransyöttöjärjestelmät koostuvat yleensä radiotaajuisen tiedonkeruun etuosasta, tasavirta- ja muistinhallinnasta sekä pienitehoisesta mikroprosessorista ja lähetin-vastaanottimesta.
Kuva 1 esittää langattoman RFEH-solmun arkkitehtuuria ja yleisesti raportoituja RF-etupään toteutuksia. Langattoman virtajärjestelmän kokonaisvaltainen hyötysuhde ja synkronoidun langattoman tiedon- ja tehonsiirtoverkon arkkitehtuuri riippuvat yksittäisten komponenttien, kuten antennien, tasasuuntaajien ja virranhallintapiirien, suorituskyvystä. Järjestelmän eri osille on tehty useita kirjallisuustutkimuksia. Taulukossa 1 on yhteenveto tehonmuunnosvaiheesta, tehokkaan tehonmuunnoksen keskeisistä komponenteista ja kullekin osalle liittyvistä kirjallisuustutkimuksista. Viimeaikainen kirjallisuus keskittyy tehonmuunnostekniikkaan, tasasuuntaajatopologioihin tai verkkotietoiseen RFEH:iin.
Kuva 1
Antennin suunnittelua ei kuitenkaan pidetä kriittisenä osana radiotaajuisessa energiatehokkuudessa (RFEH). Vaikka joissakin tutkimuksissa antennin kaistanleveyttä ja hyötysuhdetta tarkastellaan kokonaisuutena tai tietyn antennisuunnittelun, kuten miniatyyri- tai puettavien antennien, näkökulmasta, tiettyjen antenniparametrien vaikutusta tehon vastaanottoon ja muuntotehokkuuteen ei ole analysoitu yksityiskohtaisesti.
Tässä artikkelissa tarkastellaan suorakaiteen muotoisten antennien suunnittelutekniikoita tavoitteena erottaa RFEH- ja WPT-spesifiset antennisuunnittelun haasteet tavanomaisesta tietoliikenneantennien suunnittelusta. Antenneja verrataan kahdesta näkökulmasta: päästä päähän -impedanssin sovitus ja säteilyominaisuudet; kummassakin tapauksessa FoM tunnistetaan ja tarkastellaan huippuluokan (SoA) antenneissa.
2. Kaistanleveys ja sovitus: Ei-50Ω RF-verkot
50 Ω:n ominaisimpedanssi on varhainen huomioon otettava asia vaimennuksen ja tehon välisen kompromissin kannalta mikroaaltotekniikan sovelluksissa. Antenneissa impedanssin kaistanleveys määritellään taajuusalueeksi, jolla heijastunut teho on alle 10 % (S11 < −10 dB). Koska pienikohinaiset vahvistimet (LNA:t), tehovahvistimet ja ilmaisimet on tyypillisesti suunniteltu 50 Ω:n tuloimpedanssisovituksella, perinteisesti referenssinä käytetään 50 Ω:n lähdettä.
Suorakaiteessa antennin lähtö syötetään suoraan tasasuuntaajaan, ja diodin epälineaarisuus aiheuttaa suuren vaihtelun tuloimpedanssissa, jossa kapasitiivinen komponentti on hallitseva. Olettaen 50 Ω:n antennin, suurin haaste on suunnitella ylimääräinen RF-sovitusverkko, joka muuntaa tuloimpedanssin tasasuuntaajan impedanssiksi kiinnostuksen kohteena olevalla taajuudella ja optimoi sen tietylle tehotasolle. Tässä tapauksessa tehokkaan RF-DC-muunnoksen varmistamiseksi tarvitaan päästä päähän -impedanssin kaistanleveyttä. Siksi, vaikka antennit voivat teoriassa saavuttaa äärettömän tai erittäin laajan kaistanleveyden käyttämällä jaksollisia elementtejä tai itsekomplementaarista geometriaa, tasasuuntaajan sovitusverkko muodostaa pullonkaulan suorakaiteen kaistanleveydelle.
Useita suorakaiteen muotoisia topologioita on ehdotettu yksikaistaisen ja monikaistaisen tiedonkeruun eli WPT:n saavuttamiseksi minimoimalla heijastukset ja maksimoimalla tehonsiirto antennin ja tasasuuntaajan välillä. Kuva 2 esittää raportoitujen suorakaiteen muotoisten topologioiden rakenteita luokiteltuina niiden impedanssinsovitusarkkitehtuurin mukaan. Taulukko 2 esittää esimerkkejä tehokkaista suorakaiteista suhteessa päästä päähän -kaistanleveyteen (tässä tapauksessa FoM) kullekin luokalle.
Kuva 2. Suorakaiteen topologiat kaistanleveyden ja impedanssin sovituksen näkökulmasta. (a) Yksikaistainen suorakaiteen muotoinen antenni standardiantennilla. (b) Monikaistainen suorakaiteen muotoinen antenni (koostuu useista keskenään kytketyistä antenneista), jossa on yksi tasasuuntaaja ja sovitusverkko kaistaa kohden. (c) Laajakaistainen suorakaiteen muotoinen antenni useilla RF-porteilla ja erillisillä sovitusverkoilla kullekin kaistalle. (d) Laajakaistainen suorakaiteen muotoinen antenni laajakaista-antennilla ja laajakaistan sovitusverkolla. (e) Yksikaistainen suorakaiteen muotoinen antenni, jossa käytetään sähköisesti pientä antennia, joka on suoraan sovitettu tasasuuntaajaan. (f) Yksikaistainen, sähköisesti suuri antenni, jonka kompleksinen impedanssi konjugoidaan tasasuuntaajan kanssa. (g) Laajakaistainen suorakaiteen muotoinen antenni, jonka kompleksinen impedanssi konjugoidaan tasasuuntaajan kanssa useilla taajuusalueilla.
Vaikka langansuuntaajan tehospektri ja erillisestä syötöstä tuleva ympäristön RFEH ovat eri tasasuuntaajasovelluksia, antennin, tasasuuntaajan ja kuorman välinen päästä päähän -sovitus on olennaista korkean tehomuunnoshyötysuhteen (PCE) saavuttamiseksi kaistanleveyden näkökulmasta. Langansuuntaajan tasasuuntaajat keskittyvät kuitenkin enemmän korkeamman laatutekijän sovituksen (alhaisempi S11) saavuttamiseen parantaakseen yksikaistaista PCE:tä tietyillä tehotasoilla (topologiat a, e ja f). Yksikaistaisen langansuuntaajan laaja kaistanleveys parantaa järjestelmän vastustuskykyä epäviritykseen, valmistusvirheisiin ja pakkausloisiin. Toisaalta RFEH-tasasuuntaajat priorisoivat monikaistatoimintaa ja kuuluvat topologioihin bd ja g, koska yksittäisen kaistan tehospektritiheys (PSD) on yleensä alhaisempi.
3. Suorakulmainen antennirakenne
1. Yksitaajuinen suorakulmio
Yksitaajuisen suorakaiteen (topologia A) antennin suunnittelu perustuu pääasiassa standardiantennisuunnitteluun, kuten lineaariseen polarisaatioon (LP) tai ympyräpolarisaatioon (CP) perustuvaan maatasoon säteilevään laastariin, dipoliantenniin ja käänteiseen F-antenniin. Differentiaalikaistainen suorakaiteen antenni perustuu useista antenniyksiköistä koostuvaan tasavirtayhdistelmäryhmään tai useiden laastarien DC- ja RF-yhdistelmiin.
Koska monet ehdotetuista antenneista ovat yksitaajuisia antenneja ja täyttävät yksitaajuisen langattoman verkon tehon (WPT) vaatimukset, ympäristön monitaajuista RFEH-teknologiaa haettaessa useita yksitaajuisia antenneja yhdistetään monikaistaisiksi suorakaiteiksi (topologia B), joissa on keskinäiskytkentävaimennus ja itsenäinen tasavirtayhdistely virranhallintapiirin jälkeen, jotta ne voidaan eristää kokonaan RF-signaalin hankinta- ja muunnospiiristä. Tämä vaatii useita virranhallintapiirejä kutakin kaistaa kohden, mikä voi heikentää tehostusmuuntimen hyötysuhdetta, koska yksittäisen kaistan tasavirtateho on alhainen.
2. Monikaistaiset ja laajakaistaiset RFEH-antennit
Ympäristöllinen RFEH yhdistetään usein monikaistaiseen tiedonkeruuseen; siksi on ehdotettu useita tekniikoita standardiantennirakenteiden kaistanleveyden parantamiseksi ja menetelmiä kaksikaistaisten tai kaista-antenniryhmien muodostamiseksi. Tässä osiossa tarkastelemme räätälöityjä RFEH-antennirakenteita sekä klassisia monikaista-antenneja, joita voidaan käyttää suorakaiteina.
Koplanaariset aaltojohtoantennit (CPW) vievät vähemmän pinta-alaa kuin samalla taajuudella toimivat mikroliuskapatch-antennit ja tuottavat LP- tai CP-aaltoja, ja niitä käytetään usein laajakaistaisissa ympäristön suorakaitaantenneissa. Heijastustasoja käytetään eristyksen lisäämiseen ja vahvistuksen parantamiseen, mikä johtaa patch-antennien kaltaisiin säteilykuvioihin. Uritettuja koplanaarisia aaltojohtoantenneja käytetään parantamaan impedanssin kaistanleveyksiä useilla taajuusalueilla, kuten 1,8–2,7 GHz tai 1–3 GHz. Kytkettyjä rakoantenneja ja patch-antenneja käytetään myös yleisesti monikaistaisissa suorakaitaantenneissa. Kuva 3 esittää joitakin raportoituja monikaista-antenneja, jotka hyödyntävät useampaa kuin yhtä kaistanleveyden parantamistekniikkaa.
Kuva 3
Antennin ja tasasuuntaajan impedanssin sovitus
50Ω:n antennin sovittaminen epälineaariseen tasasuuntaajaan on haastavaa, koska sen tuloimpedanssi vaihtelee suuresti taajuuden mukaan. Topologioissa A ja B (kuva 2) yleinen sovitusverkko on LC-sovitus, jossa käytetään kokonaisia elementtejä; suhteellinen kaistanleveys on kuitenkin yleensä pienempi kuin useimmilla tietoliikennekaistoilla. Yksikaistaista tynkäsovitusta käytetään yleisesti mikroaalto- ja millimetriaaltokaistoilla alle 6 GHz:n taajuusalueilla, ja raportoiduilla millimetriaaltotasasuuntaajilla on luonnostaan kapea kaistanleveys, koska niiden PCE-kaistanleveys on pullonkaulan päässä lähtöharmonisten vaimennuksesta, mikä tekee niistä erityisen sopivia yksikaistaisille WPT-sovelluksille 24 GHz:n luvattomalla kaistalla.
Topologioiden C ja D suorakaiteilla on monimutkaisempia sovitusverkkoja. Laajakaistaiseen sovitukseen on ehdotettu täysin hajautettuja linjasovitusverkkoja, joissa on RF-lohko/DC-oikosulku (päästösuodatin) lähtöportissa tai DC-estokondensaattori diodiharmonisten paluureitinä. Tasasuuntaajakomponentit voidaan korvata piirilevyllä (PCB) valmistetuilla lomitetuilla kondensaattoreilla, jotka syntetisoidaan kaupallisilla elektroniikkasuunnittelun automaatiotyökaluilla. Muissa raportoiduissa laajakaistaisissa suorakaiteisissa sovitusverkoissa yhdistyvät niputetut elementit alempien taajuuksien sovitusta varten ja hajautetut elementit RF-oikosulun luomiseksi tulossa.
Kuorman lähteen kautta havaitseman tuloimpedanssin vaihtelua (tunnetaan nimellä lähde-vetotekniikka) on käytetty laajakaistaisen tasasuuntaajan suunnitteluun, jonka suhteellinen kaistanleveys on 57 % (1,25–2,25 GHz) ja PCE 10 % korkeampi verrattuna kokonais- tai hajautettuihin piireihin. Vaikka sovitusverkot on tyypillisesti suunniteltu sovittamaan antennit koko 50 Ω:n kaistanleveydelle, kirjallisuudessa on raportteja, joissa laajakaistaisia antenneja on kytketty kapeakaistaisiin tasasuuntaajiin.
Hybridejä, joissa on yhdistetty elementti ja hajautettu elementti, on käytetty laajalti topologioissa C ja D, ja sarjaan kytketyt induktorit ja kondensaattorit ovat yleisimmin käytettyjä yhdistettyjä elementtejä. Näillä vältetään monimutkaisia rakenteita, kuten lomitettuja kondensaattoreita, jotka vaativat tarkempaa mallinnusta ja valmistusta kuin tavalliset mikroliuskajohdot.
Tasasuuntaajan syöttöteho vaikuttaa tuloimpedanssiin diodin epälineaarisuuden vuoksi. Siksi tasasuuntaaja on suunniteltu maksimoimaan PCE tietyllä tulotehotasolla ja kuormitusimpedanssilla. Koska diodit ovat pääasiassa kapasitiivisia ja niillä on korkea impedanssi alle 3 GHz:n taajuuksilla, laajakaistaiset tasasuuntaajat, jotka eliminoivat sovitusverkot tai minimoivat yksinkertaistetut sovituspiirit, ovat keskittyneet taajuuksille Prf > 0 dBm ja yli 1 GHz, koska diodeilla on alhainen kapasitiivinen impedanssi ja ne voidaan sovittaa hyvin antenniin, jolloin vältetään antennien suunnittelu, joiden tuloreaktanssi on yli 1 000 Ω.
Adaptiivista tai uudelleenkonfiguroitavaa impedanssin sovitusta on havaittu CMOS-tasasuuntaajissa, joissa sovitusverkko koostuu sirulle sijoitetuista kondensaattoriparistoista ja induktoreista. Staattisia CMOS-sovitusverkkoja on ehdotettu myös tavallisille 50Ω-antenneille sekä yhteissuunnitelluille silmukka-antenneille. On raportoitu, että passiivisia CMOS-tehonilmaisimia käytetään ohjaamaan kytkimiä, jotka ohjaavat antennin lähtöä eri tasasuuntaajiin ja sovitusverkkoihin käytettävissä olevan tehon mukaan. On ehdotettu uudelleenkonfiguroitavaa sovitusverkkoa, joka käyttää keskitettyjä viritettäviä kondensaattoreita, ja jota hienosäädetään samalla, kun tuloimpedanssi mitataan vektoriverkkoanalysaattorilla. Uudelleenkonfiguroitavissa mikroliuskasovitusverkoissa kenttätransistorikytkimiä on käytetty sovitusotsikoiden säätämiseen kaksikaistaisten ominaisuuksien saavuttamiseksi.
Lisätietoja antenneista saat osoitteesta:
Julkaisun aika: 09.08.2024
