1. Вовед
Собирањето енергија од радиофреквенција (RF) (RFEH) и радијативниот безжичен пренос на енергија (WPT) привлекоа голем интерес како методи за постигнување одржливи безжични мрежи без батерии. Ректените се камен-темелник на WPT и RFEH системите и имаат значително влијание врз еднонасочната енергија испорачана до товарот. Елементите на антената на ректената директно влијаат на ефикасноста на собирање, што може да ја промени собраната енергија за неколку реда на големина. Овој труд ги разгледува дизајните на антените што се користат во WPT и амбиентални RFEH апликации. Пријавените ректени се класифицирани според два главни критериуми: пропусниот опсег на импеданса на исправување на антената и карактеристиките на зрачењето на антената. За секој критериум, бројката на заслуги (FoM) за различни апликации е одредена и споредбено разгледана.
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 енергија, се појави во 1950-тите за апликации за пренос на енергија во вселената со микробранови бранови и за напојување на автономни дронови. Омнидирекционалниот, WPT со долг дострел е ограничен од физичките својства на медиумот за ширење (воздух). Затоа, комерцијалниот WPT е главно ограничен на пренос на енергија без зрачење во блиското 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 сè поизводливо да се напојуваат сензорските јазли користејќи амбиентален RFEH или користејќи дистрибуирани омнидирекционални предаватели со ниска потрошувачка на енергија. Безжичните системи за напојување со ултра ниска потрошувачка на енергија обично се состојат од преден дел за RF аквизиција, управување со еднонасочна струја и меморија, како и микропроцесор и примопредавател со ниска потрошувачка на енергија.
Слика 1 ја прикажува архитектурата на RFEH безжичен јазол и најчесто пријавените RF front-end имплементации. Ефикасноста од крај до крај на безжичниот систем за напојување и архитектурата на синхронизираната безжична мрежа за информации и пренос на енергија зависи од перформансите на поединечните компоненти, како што се антени, исправувачи и кола за управување со енергија. Спроведени се неколку литературни истражувања за различни делови од системот. Табела 1 ги сумира фазата на конверзија на енергија, клучните компоненти за ефикасна конверзија на енергија и поврзаните литературни истражувања за секој дел. Неодамнешната литература се фокусира на технологијата за конверзија на енергија, топологиите на исправувачи или мрежно-свесниот RFEH.
Слика 1
Сепак, дизајнот на антената не се смета за критична компонента во RFEH. Иако дел од литературата го разгледува пропусниот опсег и ефикасноста на антената од општа перспектива или од специфична перспектива за дизајн на антена, како што се минијатуризирани или носливи антени, влијанието на одредени параметри на антената врз приемот на енергија и ефикасноста на конверзија не е детално анализирано.
Овој труд ги разгледува техниките за дизајнирање антени во ректени со цел да се разликуваат специфичните предизвици во дизајнот на антени поврзани со RFEH и WPT од стандардниот дизајн на комуникациски антени. Антените се споредуваат од две перспективи: спојување на импедансата од крај до крај и карактеристики на зрачење; во секој случај, FoM се идентификува и прегледува во најсовремените (SoA) антени.
2. Пропусен опсег и усогласување: RF мрежи без 50Ω
Карактеристичната импеданса од 50Ω е рано разгледување на компромисот помеѓу слабеењето и моќноста во апликациите за микробраново инженерство. Кај антените, пропусниот опсег на импедансата е дефиниран како фреквентен опсег 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 користи извор од 50Ω.
Во ректена, излезот на антената се внесува директно во исправувачот, а нелинеарноста на диодата предизвикува голема варијација во влезната импеданса, при што доминира капацитивната компонента. Претпоставувајќи антена од 50Ω, главниот предизвик е да се дизајнира дополнителна RF мрежа за усогласување за да се трансформира влезната импеданса во импеданса на исправувачот на фреквенцијата од интерес 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 можат да постигнат теоретски бесконечен или ултраширок пропусен опсег користејќи периодични елементи или самокомплементарна геометрија, пропусниот опсег на ректената ќе биде ограничен од мрежата за усогласување на исправувачот.
Предложени се неколку топологии на ректена за да се постигне едноопсежно и повеќеопсежно собирање енергија или WPT со минимизирање на рефлексиите и максимизирање на преносот на енергија помеѓу антената и исправувачот. Слика 2 ги прикажува структурите на пријавените топологии на ректена, категоризирани според нивната архитектура за усогласување на импедансата. Табела 2 прикажува примери на ректени со високи перформанси во однос на пропусниот опсег од крај до крај (во овој случај, FoM) за секоја категорија.
Слика 2 Топологии на ректена од перспектива на усогласување на пропусниот опсег и импедансата. (a) Едноопсежна ректена со стандардна антена. (b) Мултиопсежна ректена (составена од повеќе меѓусебно поврзани антени) со еден исправувач и мрежа за усогласување по опсег. (c) Широкопојасна ректена со повеќе RF порти и посебни мрежи за усогласување за секој опсег. (d) Широкопојасна ректена со широкопојасна антена и мрежа за усогласување на широкопојасна мрежа. (e) Едноопсежна ректена со електрично мала антена директно поврзана со исправувачот. (f) Едноопсежна, електрично голема антена со комплексна импеданса за конјугирање со исправувачот. (g) Широкопојасна ректена со комплексна импеданса за конјугирање со исправувачот во опсег на фреквенции.
Иако WPT и амбиенталниот RFEH од наменски извор се различни апликации на ректените, постигнувањето на совпаѓање од крај до крај помеѓу антената, исправувачот и оптоварувањето е фундаментално за да се постигне висока ефикасност на конверзија на енергија (PCE) од перспектива на пропусниот опсег. Сепак, WPT ректените се фокусираат повеќе на постигнување на совпаѓање на факторот на повисок квалитет (понизок S11) за да се подобри PCE со еден опсег на одредени нивоа на моќност (топологии a, e и f). Широкиот пропусен опсег на едноопсежниот WPT го подобрува имунитетот на системот на детјунирање, производствени дефекти и паразити на пакување. Од друга страна, RFEH ректените даваат приоритет на повеќеопсежното работење и припаѓаат на топологиите bd и g, бидејќи спектралната густина на моќност (PSD) на еден опсег е генерално помала.
3. Правоаголен дизајн на антена
1. Еднофреквентна ректена
Дизајнот на антената на еднофреквентната ректена (топологија А) главно се базира на стандарден дизајн на антена, како што се линеарна поларизација (LP) или кружна поларизација (CP) што зрачи дел на заземјувачката рамнина, диполна антена и инвертирана F антена. Диференцијалната антена се базира на комбиниран низ од DC конфигуриран со повеќе антенски единици или мешана DC и RF комбинација од повеќе делови.
Бидејќи многу од предложените антени се еднофреквентни антени и ги исполнуваат барањата на еднофреквентен WPT, кога се бара повеќефреквентен RFEH во животната средина, повеќе еднофреквентни антени се комбинираат во повеќеопсежни ректени (топологија Б) со меѓусебно потиснување на спојувањето и независна комбинација на DC по колото за управување со енергија за целосно да се изолираат од колото за RF аквизиција и конверзија. 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 еден опсег е ниска.
2. Мулти-опсежни и широкопојасни RFEH антени
RFEH во животната средина често се поврзува со аквизиција со повеќе опсези; затоа, предложени се различни техники за подобрување на пропусниот опсег на стандардните дизајни на антени и методи за формирање двоопсежни или опсежни антенски низи. Во овој дел, ги разгледуваме прилагодените дизајни на антени за RFEH, како и класичните повеќеопсежни антени со потенцијал да се користат како ректени.
Копланарни брановодни (CPW) монополски антени зафаќаат помала површина од микролентните печ антени на иста фреквенција и произведуваат LP или CP бранови, и често се користат за широкопојасни ректени. Рефлективните рамнини се користат за зголемување на изолацијата и подобрување на засилувањето, што резултира со шеми на зрачење слични на печ антените. Засечените копланарни брановодни антени се користат за подобрување на импедансните пропусни опсези за повеќе фреквенциски опсези, како што се 1,8–2,7 GHz или 1–3 GHz. Слот антените со споен напон и печ антените исто така често се користат во дизајни на повеќеопсежни ректени. Слика 3 прикажува некои пријавени повеќеопсежни антени кои користат повеќе од една техника за подобрување на пропусниот опсег.
Слика 3
Усогласување на импедансата на антената и исправувачот
Спојувањето на антена од 50Ω со нелинеарен исправувач е предизвик бидејќи нејзината влезна импеданса варира значително со фреквенцијата. Во топологиите А и Б (Слика 2), вообичаената мрежа за спарување е LC спарување со користење на групирани елементи; сепак, релативниот пропусен опсег е обично помал од повеќето комуникациски опсези. Едноопсежното спојување на купови најчесто се користи во микробранови и милиметарски бранови опсези под 6 GHz, а пријавените милиметарски бранови ректени имаат инхерентно тесен пропусен опсег бидејќи нивниот PCE пропусен опсег е ограничен од потиснување на излезните хармоници, што ги прави особено погодни за едноопсежни WPT апликации во нелиценцираниот опсег од 24 GHz.
Ректените во топологиите C и D имаат посложени мрежи за совпаѓање. Целосно дистрибуирани мрежи за совпаѓање на линии се предложени за широкопојасно совпаѓање, со RF блок/DC краток спој (филтер за пропусен спој) на излезниот порт или DC блокирачки кондензатор како повратна патека за диодни хармоници. Компонентите на исправувачот можат да се заменат со интердигитализирани кондензатори од печатена плочка (PCB), кои се синтетизираат со користење на комерцијални алатки за автоматизација на електронски дизајн. Други пријавени мрежи за совпаѓање на широкопојасни ректени комбинираат групирани елементи за совпаѓање со пониски фреквенции и дистрибуирани елементи за создавање RF краток спој на влезот.
Промената на влезната импеданса забележана од товарот преку извор (позната како техника на влечење од извор) е користена за дизајнирање на широкопојасен исправувач со 57% релативен пропусен опсег (1,25–2,25 GHz) и 10% повисок PCE во споредба со групираните или дистрибуираните кола. Иако мрежите за усогласување обично се дизајнирани да ги усогласат антените низ целиот пропусен опсег од 50Ω, во литературата има извештаи каде што широкопојасните антени се поврзани со теснопојасни исправувачи.
Хибридните мрежи за спојување со групирани елементи и дистрибуирани елементи се широко користени во топологиите C и D, при што сериските индуктиви и кондензатори се најчесто користените групирани елементи. Овие мрежи избегнуваат сложени структури како што се меѓусебно поврзаните кондензатори, кои бараат попрецизно моделирање и изработка од стандардните микролентни линии.
Влезната моќност на исправувачот влијае на влезната импеданса поради нелинеарноста на диодата. Затоа, правосмукалката е дизајнирана да го максимизира PCE за специфично ниво на влезна моќност и импеданса на оптоварување. Бидејќи диодите се првенствено капацитивни со висока импеданса на фреквенции под 3 GHz, широкопојасните правосмукалки кои ги елиминираат мрежите за совпаѓање или ги минимизираат поедноставените кола за совпаѓање се фокусирани на фреквенции Prf>0 dBm и над 1 GHz, бидејќи диодите имаат ниска капацитивна импеданса и можат добро да се усогласат со антената, со што се избегнува дизајнот на антени со влезни реактанси >1.000Ω.
Адаптивно или реконфигурабилно усогласување на импедансата е забележано кај CMOS ректените, каде што мрежата за усогласување се состои од кондензаторски банки и индуктори на чипот. Статични CMOS мрежи за усогласување се предложени и за стандардни антени од 50Ω, како и за ко-дизајнирани јамки антени. Објавено е дека пасивните CMOS детектори за моќност се користат за контрола на прекинувачите што го насочуваат излезот на антената кон различни исправувачи и мрежи за усогласување во зависност од достапната моќност. Предложена е реконфигурабилна мрежа за усогласување со користење на групирани подесливи кондензатори, која се подесува со фино подесување додека се мери влезната импеданса со помош на анализатор на векторска мрежа. Во реконфигурабилните мрежи за усогласување со микроленти, прекинувачите со транзистори со ефект на поле се користат за прилагодување на соодветните држачи за да се постигнат двоопсежни карактеристики.
За да дознаете повеќе за антените, посетете ја страницата:
Време на објавување: 09.08.2024
