1.Úvod
Vysokofrekvenční (RF) získávání energie (RFEH) a radiační bezdrátový přenos energie (WPT) přitahují velký zájem jako metody k dosažení udržitelných bezdrátových sítí bez baterií. Rektény jsou základním kamenem systémů WPT a RFEH a mají významný vliv na stejnosměrný výkon dodávaný do zátěže. Anténní prvky rectenna přímo ovlivňují účinnost sklizně, která může měnit sklizený výkon o několik řádů. Tento článek shrnuje návrhy antén používaných v aplikacích WPT a ambient RFEH. Uváděné rektenny jsou klasifikovány podle dvou hlavních kritérií: šířky pásma usměrňovací impedance antény a vyzařovací charakteristiky antény. Pro každé kritérium se stanoví a porovnává hodnota zásluh (FoM) pro různé aplikace.
WPT navrhl Tesla na počátku 20. století jako metodu přenosu tisíců koňských sil. Termín rectenna, který popisuje anténu připojenou k usměrňovači pro získávání vysokofrekvenční energie, se objevil v padesátých letech minulého století pro aplikace kosmického mikrovlnného přenosu energie a pro napájení autonomních dronů. Všesměrové WPT s dlouhým dosahem je omezeno fyzikálními vlastnostmi média šíření (vzduchu). Komerční WPT se proto omezuje hlavně na přenos energie bez záření v blízkém poli pro bezdrátové nabíjení spotřební elektroniky nebo RFID.
Vzhledem k tomu, že spotřeba energie polovodičových zařízení a bezdrátových senzorových uzlů stále klesá, je snazší napájet senzorové uzly pomocí okolního RFEH nebo pomocí distribuovaných všesměrových vysílačů s nízkým výkonem. Bezdrátové napájecí systémy s extrémně nízkou spotřebou se obvykle skládají z přední části pro akvizici RF, správy stejnosměrného napájení a paměti a mikroprocesoru s nízkou spotřebou a transceiveru.
Obrázek 1 ukazuje architekturu bezdrátového uzlu RFEH a běžně uváděné RF front-end implementace. End-to-end účinnost bezdrátového napájecího systému a architektura synchronizované bezdrátové sítě pro přenos informací a napájení závisí na výkonu jednotlivých komponent, jako jsou antény, usměrňovače a obvody správy napájení. Pro různé části systému bylo provedeno několik průzkumů literatury. Tabulka 1 shrnuje fázi přeměny energie, klíčové komponenty pro účinnou přeměnu energie a související přehledy literatury pro každou část. Nedávná literatura se zaměřuje na technologii konverze napájení, topologie usměrňovačů nebo RFEH s ohledem na síť.
Obrázek 1
Návrh antény se však v RFEH nepovažuje za kritickou součást. Ačkoli některá literatura zvažuje šířku pásma antény a účinnost z celkové perspektivy nebo z hlediska konkrétního návrhu antény, jako jsou miniaturizované nebo nositelné antény, dopad určitých parametrů antény na příjem energie a účinnost konverze není podrobně analyzován.
Tento článek shrnuje techniky návrhu antén v rektennách s cílem odlišit specifické požadavky na návrh antény RFEH a WPT od standardního návrhu komunikační antény. Antény jsou porovnávány ze dvou hledisek: end-to-end impedanční přizpůsobení a vyzařovací charakteristiky; v každém případě je FoM identifikována a přezkoumána v nejmodernějších (SoA) anténách.
2. Šířka pásma a přizpůsobení: RF sítě jiné než 50Ω
Charakteristická impedance 50Ω je první úvahou o kompromisu mezi útlumem a výkonem v aplikacích mikrovlnného inženýrství. U antén je impedanční šířka pásma definována jako frekvenční rozsah, kde je odražený výkon menší než 10 % (S11< − 10 dB). Protože nízkošumové zesilovače (LNA), výkonové zesilovače a detektory jsou obvykle navrženy se vstupní impedancí 50 Ω, tradičně se odkazuje na zdroj 50 Ω.
V rectenna je výstup z antény přiváděn přímo do usměrňovače a nelinearita diody způsobuje velké kolísání vstupní impedance, přičemž dominuje kapacitní složka. Za předpokladu 50Ω antény je hlavním úkolem navrhnout další RF přizpůsobovací síť pro transformaci vstupní impedance na impedanci usměrňovače na požadované frekvenci a její optimalizaci pro konkrétní úroveň výkonu. V tomto případě je pro zajištění efektivní konverze RF na stejnosměrný proud vyžadována impedanční šířka pásma mezi koncovými body. Proto, ačkoli antény mohou dosáhnout teoreticky nekonečné nebo ultraširoké šířky pásma pomocí periodických prvků nebo samokomplementární geometrie, bude šířka pásma rectenna omezena sítí přizpůsobení usměrňovače.
Bylo navrženo několik topologií rectenna pro dosažení jednopásmového a vícepásmového sběru neboli WPT minimalizací odrazů a maximalizací přenosu energie mezi anténou a usměrňovačem. Obrázek 2 ukazuje struktury uváděných topologií rekten, kategorizovaných podle jejich architektury impedančního přizpůsobení. Tabulka 2 ukazuje příklady vysoce výkonných přímých antén s ohledem na šířku pásma mezi koncovými body (v tomto případě FoM) pro každou kategorii.
Obrázek 2 Topologie Rectenna z pohledu přizpůsobení šířky pásma a impedance. (a) Jednopásmová rektenna se standardní anténou. (b) Vícepásmová rektenna (složená z více vzájemně propojených antén) s jedním usměrňovačem a odpovídající sítí na pásmo. (c) Širokopásmový přijímač s více RF porty a samostatnými odpovídajícími sítěmi pro každé pásmo. (d) Širokopásmový přijímač se širokopásmovou anténou a širokopásmovou odpovídající sítí. (e) Jednopásmová rektenna využívající elektricky malou anténu přímo přizpůsobenou usměrňovači. (f) Jednopásmová, elektricky velká anténa s komplexní impedancí pro konjugaci s usměrňovačem. (g) Širokopásmový přijímač s komplexní impedancí pro konjugaci s usměrňovačem v rozsahu frekvencí.
Zatímco WPT a okolní RFEH z vyhrazeného zdroje jsou různé aplikace pro přijímač, dosažení úplného přizpůsobení mezi anténou, usměrňovačem a zátěží je zásadní pro dosažení vysoké účinnosti konverze výkonu (PCE) z hlediska šířky pásma. Nicméně, WPT rectenna se více zaměřují na dosažení vyššího přizpůsobení faktoru kvality (nižší S11), aby se zlepšilo jednopásmové PCE na určitých úrovních výkonu (topologie a, e a f). Široká šířka pásma jednopásmového WPT zlepšuje odolnost systému vůči rozladění, výrobním vadám a parazitům na balení. Na druhou stranu, RFEH rectenna upřednostňují vícepásmový provoz a patří do topologií bd a g, protože výkonová spektrální hustota (PSD) jednoho pásma je obecně nižší.
3. Konstrukce obdélníkové antény
1. Jednofrekvenční rektenna
Návrh antény jednofrekvenční rektény (topologie A) je založen především na standardním návrhu antény, jako je lineární polarizace (LP) nebo kruhová polarizace (CP) vyzařující ploška na zemní ploše, dipólová anténa a invertovaná F anténa. Diferenciální pásmo je založeno na stejnosměrném kombinovaném poli konfigurovaném s více anténními jednotkami nebo smíšenou DC a RF kombinací více propojovacích jednotek.
Protože mnohé z navrhovaných antén jsou jednofrekvenční antény a splňují požadavky jednofrekvenčního WPT, při hledání environmentálního vícefrekvenčního RFEH je více jednofrekvenčních antén kombinováno do vícepásmových rekten (topologie B) s potlačením vzájemné vazby a nezávislou kombinaci stejnosměrného proudu za obvodem správy napájení, aby byly zcela izolovány od obvodu získávání a převodu RF. To vyžaduje více obvodů správy napájení pro každé pásmo, což může snížit účinnost zesilovacího měniče, protože stejnosměrný výkon jednoho pásma je nízký.
2. Vícepásmové a širokopásmové RFEH antény
Environmentální RFEH je často spojena s vícepásmovým akvizicí; proto byla navržena řada technik pro zlepšení šířky pásma standardních návrhů antén a způsobů vytváření dvoupásmových nebo pásmových anténních polí. V této části přezkoumáme vlastní návrhy antén pro RFEH a také klasické vícepásmové antény s potenciálem použití jako rectennas.
Monopolní antény koplanárního vlnovodu (CPW) zabírají menší plochu než mikropáskové patch antény na stejné frekvenci a produkují LP nebo CP vlny a často se používají pro širokopásmové environmentální rektenny. Odrazové roviny se používají ke zvýšení izolace a zlepšení zisku, což má za následek vyzařovací diagramy podobné jako u flíčkových antén. Štěrbinové koplanární vlnovodné antény se používají ke zlepšení impedančních šířek pásma pro více frekvenčních pásem, jako je 1,8–2,7 GHz nebo 1–3 GHz. Spřažené štěrbinové antény a patch antény se také běžně používají ve vícepásmových rektenových konstrukcích. Obrázek 3 ukazuje některé uváděné vícepásmové antény, které využívají více než jednu techniku zlepšení šířky pásma.
Obrázek 3
Přizpůsobení impedance antény a usměrňovače
Přizpůsobit 50Ω anténu nelineárnímu usměrňovači je náročné, protože její vstupní impedance se značně liší s frekvencí. V topologiích A a B (obrázek 2) je společná porovnávací síť shoda LC s použitím soustředěných prvků; relativní šířka pásma je však obvykle nižší než u většiny komunikačních pásem. Jednopásmové pahýlové přizpůsobení se běžně používá v mikrovlnných a milimetrových vlnových pásmech pod 6 GHz a uváděné milimetrové rektenny mají přirozeně úzkou šířku pásma, protože jejich šířka pásma PCE je omezena výstupním harmonickým potlačením, což je činí zvláště vhodnými pro jednopásmové pásmové aplikace WPT v nelicencovaném pásmu 24 GHz.
Rektény v topologiích C a D mají složitější sítě přizpůsobení. Pro širokopásmové přizpůsobení byly navrženy plně distribuované sítě pro přizpůsobení linek s RF blokem/DC zkratem (propustný filtr) na výstupním portu nebo stejnosměrným blokovacím kondenzátorem jako zpětnou cestou pro harmonické diody. Komponenty usměrňovače mohou být nahrazeny kondenzátory s plošnými spoji (PCB), které jsou syntetizovány pomocí komerčních nástrojů pro automatizaci elektronického návrhu. Jiné uváděné širokopásmové přizpůsobovací sítě kombinují soustředěné prvky pro přizpůsobení nižším frekvencím a distribuované prvky pro vytvoření vysokofrekvenčního zkratu na vstupu.
Měnící se vstupní impedance pozorovaná zátěží přes zdroj (známá jako technika source-pull) byla použita k návrhu širokopásmového usměrňovače s 57 % relativní šířkou pásma (1,25–2,25 GHz) a o 10 % vyšším PCE ve srovnání se soustředěnými nebo distribuovanými obvody. . Ačkoli jsou odpovídající sítě obvykle navrženy tak, aby odpovídaly anténám v celé šířce pásma 50 Ω, v literatuře existují zprávy, že širokopásmové antény byly připojeny k úzkopásmovým usměrňovačům.
V topologiích C a D byly široce používány hybridní koncentrované prvky a sítě s distribuovanými prvky, přičemž nejčastěji používané koncentrované prvky jsou sériové induktory a kondenzátory. Ty se vyhýbají složitým strukturám, jako jsou interdigitované kondenzátory, které vyžadují přesnější modelování a výrobu než standardní mikropáskové linky.
Vstupní výkon do usměrňovače ovlivňuje vstupní impedanci v důsledku nelinearity diody. Proto je rectenna navržena tak, aby maximalizovala PCE pro konkrétní úroveň vstupního výkonu a impedanci zátěže. Protože diody mají primárně kapacitní vysokou impedanci na frekvencích pod 3 GHz, širokopásmové rektenny, které eliminují přizpůsobovací sítě nebo minimalizují zjednodušené přizpůsobovací obvody, byly zaměřeny na frekvence Prf>0 dBm a nad 1 GHz, protože diody mají nízkou kapacitní impedanci a lze je dobře přizpůsobit. k anténě, čímž se vyhneme konstrukci antén se vstupními reaktancemi >1000Ω.
Adaptivní nebo rekonfigurovatelné přizpůsobení impedance bylo vidět v CMOS rectennas, kde se přizpůsobovací síť skládá z kondenzátorových bank a induktorů na čipu. Statické sítě CMOS přizpůsobení byly také navrženy pro standardní 50Ω antény, stejně jako společně navržené smyčkové antény. Bylo hlášeno, že pasivní CMOS výkonové detektory se používají k ovládání spínačů, které směrují výstup antény do různých usměrňovačů a odpovídajících sítí v závislosti na dostupném výkonu. Byla navržena rekonfigurovatelná přizpůsobovací síť využívající soustředěné laditelné kondenzátory, která je laděna jemným doladěním při měření vstupní impedance pomocí vektorového síťového analyzátoru. V rekonfigurovatelných mikropáskových sítích byly použity tranzistorové spínače s efektem pole k nastavení přizpůsobení pro dosažení dvoupásmových charakteristik.
Chcete-li se dozvědět více o anténách, navštivte:
Čas odeslání: srpen-09-2024
