1.Вовед
Собирањето енергија на радиофреквенцијата (RF) и радијативниот безжичен пренос на енергија (WPT) привлекоа голем интерес како методи за постигнување одржливи безжични мрежи без батерии. Ректените се камен-темелник на системите WPT и RFEH и имаат значително влијание врз DC моќноста што се доставува до товарот. Антенските елементи на ректената директно влијаат на ефикасноста на бербата, што може да ја менува собраната моќност за неколку реда на големина. Овој труд ги разгледува дизајните на антените употребени во WPT и амбиенталните RFEH апликации. Пријавените ректени се класифицирани според два главни критериуми: пропусниот опсег на импедансата за исправување на антената и карактеристиките на зрачење на антената. За секој критериум, бројката на заслуги (FoM) за различни апликации се одредува и споредбено се разгледува.
WPT беше предложен од Тесла на почетокот на 20 век како метод за пренос на илјадници коњски сили. Терминот rectenna, кој опишува антена поврзана со исправувач за собирање RF моќ, се појави во 1950-тите за апликации за пренос на енергија од вселенски микробранови и за напојување на автономни дронови. Семонасочниот WPT со долг дострел е ограничен од физичките својства на медиумот за размножување (воздух). Затоа, комерцијалниот WPT е главно ограничен на пренос на енергија без радијација во близина на поле за безжично полнење на потрошувачка електроника или RFID.
Како што потрошувачката на енергија на полупроводничките уреди и безжичните сензорски јазли продолжува да се намалува, станува поизводливо да се напојуваат сензорските јазли користејќи амбиентален RFEH или со користење на дистрибуирани семонасочни предаватели со ниска моќност. Безжичните системи за напојување со ултра ниска моќност обично се состојат од преден дел за аквизиција на RF, управување со еднонасочна енергија и меморија и микропроцесор и примопредавател со мала моќност.
Слика 1 ја прикажува архитектурата на безжичниот јазол RFEH и најчесто пријавените RF предни имплементации. Ефикасноста од крај до крај на безжичниот систем за напојување и архитектурата на синхронизираната мрежа за безжична информација и пренос на енергија зависи од перформансите на поединечните компоненти, како што се антени, исправувачи и кола за управување со енергија. Спроведени се неколку истражувања на литературата за различни делови од системот. Табела 1 ја сумира фазата на конверзија на моќноста, клучните компоненти за ефикасна конверзија на моќноста и поврзаните литературни истражувања за секој дел. Неодамнешната литература се фокусира на технологијата за конверзија на моќност, топологии на исправувачи или RFEH свесни за мрежата.
Слика 1
Сепак, дизајнот на антената не се смета за критична компонента во RFEH. Иако одредена литература ги разгледува пропусниот опсег и ефикасноста на антената од севкупна перспектива или од специфична перспектива на дизајнот на антената, како што се минијатуризирани или антени што можат да се носат, влијанието на одредени параметри на антената врз приемот на енергија и ефикасноста на конверзијата не е детално анализирано.
Овој труд ги разгледува техниките за дизајнирање на антени во ректени со цел да се разликуваат предизвиците за дизајнирање на антената RFEH и WPT од стандардниот дизајн на антената за комуникација. Антените се споредуваат од две перспективи: совпаѓање на импедансата од крај до крај и карактеристики на зрачење; во секој случај, ФОМ се идентификува и се прегледува во најсовремените (SoA) антени.
2. Пропусен опсег и совпаѓање: RF мрежи без 50Ω
Карактеристичната импеданса од 50Ω е рано разгледување на компромисот помеѓу слабеењето и моќноста во апликациите за инженерство во микробранова печка. Во антените, пропусниот опсег на импедансата се дефинира како опсег на фреквенција каде што рефлектираната моќност е помала од 10% (S11< - 10 dB). Бидејќи засилувачите со низок шум (LNA), засилувачите на моќност и детекторите обично се дизајнирани со совпаѓање на влезната импеданса од 50Ω, традиционално се референцира извор од 50Ω.
Во ректената, излезот на антената директно се внесува во исправувачот, а нелинеарноста на диодата предизвикува голема варијација во влезната импеданса, со доминација на капацитивната компонента. Претпоставувајќи антена од 50Ω, главниот предизвик е да се дизајнира дополнителна мрежа за совпаѓање со RF за да се трансформира влезната импеданса во импедансата на исправувачот на интересната фреквенција и да се оптимизира за одредено ниво на моќност. Во овој случај, потребен е пропусен опсег на импеданса од крај до крај за да се обезбеди ефикасна конверзија од RF во DC. Затоа, иако антените може да постигнат теоретски бесконечен или ултра-широк пропусен опсег користејќи периодични елементи или самокомплементарна геометрија, пропусниот опсег на ректената ќе биде тесно грло од мрежата што одговара на исправувачот.
Предложени се неколку ректенски топологии за да се постигне собирање со еден опсег и повеќе опсег или WPT со минимизирање на рефлексиите и максимизирање на преносот на моќност помеѓу антената и исправувачот. Слика 2 ги прикажува структурите на пријавените ректенски топологии, категоризирани според нивната архитектура на совпаѓање на импедансата. Табелата 2 покажува примери на ректени со високи перформанси во однос на пропусниот опсег од крај до крај (во овој случај, FoM) за секоја категорија.
Слика 2 Ректена топологии од перспектива на совпаѓање на пропусниот опсег и импедансата. (а) Ректена со еден опсег со стандардна антена. (б) Повеќепојасна ректена (составена од повеќе меѓусебно поврзани антени) со еден исправувач и соодветна мрежа по опсег. (в) Широкопојасен ректена со повеќе RF порти и одделни соодветни мрежи за секој опсег. (г) Широкопојасна ректена со широкопојасна антена и мрежа за појавување на широкопојасен интернет. (д) Еднопојасна ректена која користи електрично мала антена директно усогласена со исправувачот. (ѓ) Еднопојасна, електрично голема антена со сложена импеданса за конјугирање со исправувачот. (е) Широкопојасна ректена со сложена импеданса за да се конјугира со исправувачот во опсег на фреквенции.
Додека WPT и амбиенталниот RFEH од посветен довод се различни апликации за ректена, постигнувањето на усогласување од крај до крај помеѓу антената, исправувачот и оптоварувањето е од фундаментално значење за да се постигне висока ефикасност на конверзија на енергија (PCE) од перспектива на пропусниот опсег. Сепак, WPT ректените повеќе се фокусираат на постигнување на поквалитетно совпаѓање на факторот (понизок S11) за подобрување на PCE со еден опсег на одредени нивоа на моќност (топологии a, e и f). Широкиот пропусен опсег на WPT со единечна лента го подобрува имунитетот на системот на детонирање, дефекти во производството и паразити на пакувањето. Од друга страна, ректените RFEH даваат приоритет на работењето со повеќе опсег и припаѓаат на топологиите bd и g, бидејќи спектралната густина на моќноста (PSD) на една лента е генерално помала.
3. Дизајн на правоаголна антена
1. Еднофреквентна ректена
Дизајнот на антената на еднофреквентната ректена (топологија А) главно се заснова на стандарден дизајн на антената, како што е линеарна поларизација (LP) или кружна поларизација (CP) што зрачи на рамнината на земјата, диполна антена и превртена F антена. Ректената на диференцијалната лента се заснова на DC комбинирана низа конфигурирана со повеќе единици на антена или мешана DC и RF комбинација на повеќекратни лепенки.
Бидејќи многу од предложените антени се еднофреквентни антени и ги задоволуваат барањата на еднофреквентен WPT, кога се бара еколошки мултифреквентен RFEH, повеќе еднофреквентни антени се комбинираат во ректени со повеќе опсег (топологија Б) со меѓусебно потиснување на спојување и независна DC комбинација по колото за управување со енергија за целосно да ги изолира од колото за стекнување и конверзија на RF. Ова бара повеќе кола за управување со енергија за секој опсег, што може да ја намали ефикасноста на конверторот за засилување бидејќи DC моќноста на една лента е мала.
2. Многопојасни и широкопојасни RFEH антени
Еколошкиот RFEH често се поврзува со стекнување со повеќе опсег; затоа, предложени се разновидни техники за подобрување на пропусниот опсег на стандардните дизајни на антени и методи за формирање низи со двоопсежен или опсег на антени. Во овој дел, ги разгледуваме сопствените дизајни на антени за RFEH, како и класичните антени со повеќе опсег со потенцијал да се користат како ректени.
Монополните антени со копланарни брановидни водичи (CPW) заземаат помала површина од антените со микроленти со иста фреквенција и произведуваат LP или CP бранови, и често се користат за широкопојасни еколошки ректени. Рефлексивните рамнини се користат за да се зголеми изолацијата и да се подобри засилувањето, што резултира со модели на зрачење слични на антените за закрпи. Антените со слотови компланарни брановоди се користат за подобрување на пропусните опсег на импеданса за повеќе фреквенциски опсези, како што се 1,8-2,7 GHz или 1-3 GHz. Слот антени со поврзано напојување и закрпени антени исто така најчесто се користат во дизајните на ректени со повеќе опсег. Слика 3 покажува некои пријавени повеќепојасни антени кои користат повеќе од една техника за подобрување на пропусниот опсег.
Слика 3
Поклопување на импедансата на антена-исправувач
Усогласувањето на антена од 50Ω со нелинеарен исправувач е предизвик бидејќи нејзината влезна импеданса многу варира во зависност од фреквенцијата. Во топологиите А и Б (слика 2), вообичаената мрежа за појавување е LC совпаѓање со помош на збирни елементи; сепак, релативниот пропусен опсег е обично помал од повеќето комуникациски опсези. Усогласувањето на никулците со еден опсег најчесто се користи во опсези на микробранови и милиметарски бранови под 6 GHz, а пријавените ректени со милиметарски бранови имаат инхерентно тесен опсег бидејќи нивниот пропусен опсег PCE е тесно грло со потиснување на излезната хармонија, што ги прави особено погодни за единечни опсег WPT апликации во нелиценциран опсег од 24 GHz.
Ректените во топологиите C и D имаат посложени мрежи за појавување. Целосно дистрибуирани мрежи за усогласување на линиите се предложени за совпаѓање на широкопојасен интернет, со RF блок/DC краток спој (прооден филтер) на излезната порта или кондензатор за блокирање DC како повратна патека за диодни хармоници. Компонентите на исправувачот може да се заменат со меѓудигитални кондензатори на печатено коло (PCB), кои се синтетизираат со помош на комерцијални електронски алатки за автоматизација на дизајнот. Други пријавени мрежи за совпаѓање на широкопојасна ректена комбинираат збирни елементи за усогласување со пониски фреквенции и дистрибуирани елементи за создавање на RF-краток на влезот.
Промената на влезната импеданса забележана од оптоварувањето преку извор (позната како техника на влечење на изворот) е искористена за дизајнирање на широкопојасен исправувач со 57% релативна ширина на опсег (1,25-2,25 GHz) и 10% повисока PCE во споредба со грутки или дистрибуирани кола . Иако соодветните мрежи вообичаено се дизајнирани да одговараат на антените низ целиот пропусен опсег од 50Ω, постојат извештаи во литературата каде што широкопојасните антени се поврзани со теснопојасни исправувачи.
Мрежите за совпаѓање со хибридни збирни елементи и дистрибуирани елементи се широко користени во топологиите C и D, при што сериските индуктори и кондензатори се најчесто користените грутки елементи. Тие избегнуваат сложени структури како што се меѓудигитализирани кондензатори, кои бараат попрецизно моделирање и изработка од стандардните линии со микроленти.
Влезната моќност на исправувачот влијае на влезната импеданса поради нелинеарноста на диодата. Затоа, ректената е дизајнирана да го максимизира PCE за одредено ниво на влезна моќност и импеданса на оптоварување. Бидејќи диодите се првенствено капацитивни со висока импеданса на фреквенции под 3 GHz, широкопојасните ректени кои ги елиминираат соодветните мрежи или ги минимизираат поедноставените кола за совпаѓање се фокусирани на фреквенции Prf>0 dBm и над 1 GHz, бидејќи диодите имаат мала капацитивна импеданса и можат добро да се совпаѓаат кон антената, со што се избегнува дизајнот на антени со влезни реактанси >1.000Ω.
Приспособливо или реконфигурирачко совпаѓање на импедансата е забележано во CMOS ректените, каде што соодветната мрежа се состои од кондензатори и индуктори на чипот. Статични CMOS соодветни мрежи исто така се предложени за стандардни антени од 50Ω, како и за ко-дизајнирани антени со јамка. Пријавено е дека пасивните CMOS детектори за напојување се користат за контрола на прекинувачите кои го насочуваат излезот на антената кон различни исправувачи и соодветни мрежи во зависност од достапната моќност. Предложена е реконфигурациска мрежа за совпаѓање со помош на кондензатори коишто можат да се подесуваат, која се прилагодува со фино подесување додека се мери влезната импеданса со помош на векторски мрежен анализатор. Во реконфигурабилните мрежи за совпаѓање со микроленти, прекинувачите со транзистор со ефект на поле се користат за прилагодување на соодветните никулци за да се постигнат карактеристики со двоен опсег.
За да дознаете повеќе за антените, посетете:
Време на објавување: 09.08.2024
