1. Úvod
Rádiové frekvenční (RF) získávání energie (RFEH) a radiační bezdrátový přenos energie (WPT) přitahují velký zájem jako metody pro dosažení udržitelných bezdrátových sítí bez baterií. Rekténní antény jsou základem systémů WPT a RFEH a mají významný vliv na stejnosměrný výkon dodávaný do zátěže. Anténní prvky rektenny přímo ovlivňují účinnost získávání energie, která může měnit získaný výkon o několik řádů. Tento článek shrnuje konstrukce antén používaných v aplikacích WPT a ambientního RFEH. Uváděné rektenny jsou klasifikovány podle dvou hlavních kritérií: šířky pásma usměrňovací impedance antény a vyzařovacích charakteristik antény. Pro každé kritérium je stanovena a srovnávána hodnota jakosti (FoM) pro různé aplikace.
Technologie bezdrátového přenosu energie (WPT) byla navržena Teslou na počátku 20. století jako metoda přenosu tisíců koňských sil. Termín rektenna, který popisuje anténu připojenou k usměrňovači pro sběr rádiového výkonu, se objevil v 50. letech 20. století pro aplikace přenosu vesmírného mikrovlnného výkonu a pro napájení autonomních dronů. Všesměrová bezdrátová přenosová technologie s dlouhým dosahem je omezena fyzikálními vlastnostmi šířícího média (vzduchu). Komerční bezdrátová přenosová technologie (WPT) je proto omezena hlavně na neradiační přenos energie v blízkém poli pro bezdrátové nabíjení spotřební elektroniky nebo RFID.
Vzhledem k tomu, že spotřeba energie polovodičových součástek a bezdrátových senzorových uzlů neustále klesá, stává se stále proveditelnější napájet senzorové uzly pomocí okolního RFEH nebo pomocí distribuovaných nízkopříkonových všesměrových vysílačů. Bezdrátové napájecí systémy s ultranízkým výkonem se obvykle skládají z front-endu pro sběr rádiových signálů, stejnosměrného napájení a správy paměti a nízkopříkonového mikroprocesoru a transceiveru.
Obrázek 1 znázorňuje architekturu bezdrátového uzlu RFEH a běžně uváděné implementace RF front-endu. Komplexní účinnost bezdrátového napájecího systému a architektura synchronizované bezdrátové informační a přenosové sítě závisí na výkonu jednotlivých komponent, jako jsou antény, usměrňovače a obvody pro řízení napájení. Pro různé části systému bylo provedeno několik literárních průzkumů. Tabulka 1 shrnuje fázi přeměny výkonu, klíčové komponenty pro efektivní přeměnu výkonu a související literární průzkumy pro každou část. Nedávná literatura se zaměřuje na technologii přeměny výkonu, topologie usměrňovačů nebo RFEH s ohledem na síť.
Obrázek 1
Návrh antény však není v RFEH považován za kritickou součást. Ačkoli některá literatura zvažuje šířku pásma a účinnost antény z celkového hlediska nebo z hlediska specifického návrhu antény, jako jsou miniaturizované nebo nositelné antény, vliv určitých parametrů antény na účinnost příjmu a převodu výkonu není podrobně analyzován.
Tento článek shrnuje techniky návrhu antén v rektennách s cílem odlišit specifické problémy návrhu antén pro RFEH a WPT od návrhu standardních komunikačních antén. Antény jsou porovnávány ze dvou hledisek: impedanční přizpůsobení mezi konci a vyzařovací charakteristiky; v každém případě je identifikována a zhodnocena FoM (přímá struktura antény) u nejmodernějších (SoA) antén.
2. Šířka pásma a přizpůsobení: VF sítě s odporem menším než 50 Ω
Charakteristická impedance 50 Ω je časným aspektem kompromisu mezi útlumem a výkonem v mikrovlnných aplikacích. V anténách je impedanční šířka pásma definována jako frekvenční rozsah, kde je odražený výkon menší než 10 % (S11 < −10 dB). Vzhledem k tomu, že nízkošumové zesilovače (LNA), výkonové zesilovače a detektory jsou obvykle navrženy s přizpůsobením vstupní impedance 50 Ω, tradičně se používá zdroj s impedancí 50 Ω.
V usměrňovači je výstup antény přímo přiveden do usměrňovače a nelinearita diody způsobuje velké změny vstupní impedance, přičemž dominuje kapacitní složka. Za předpokladu antény o impedanci 50 Ω je hlavní výzvou navrhnout další RF přizpůsobovací síť, která by transformovala vstupní impedanci na impedanci usměrňovače na sledované frekvenci a optimalizovala ji pro specifickou úroveň výkonu. V tomto případě je pro zajištění efektivní převodu RF na DC vyžadována šířka pásma impedance od začátku do konce. Proto, i když antény mohou dosáhnout teoreticky nekonečné nebo ultraširoké šířky pásma pomocí periodických prvků nebo samokomplementární geometrie, šířka pásma usměrňovače bude omezena přizpůsobovací sítí usměrňovače.
Bylo navrženo několik topologií rektenn pro dosažení jednopásmového a vícepásmového sběru energie neboli WPT minimalizací odrazů a maximalizací přenosu výkonu mezi anténou a usměrňovačem. Obrázek 2 ukazuje struktury hlášených topologií rektenn, kategorizované podle architektury jejich impedančního přizpůsobení. Tabulka 2 ukazuje příklady vysoce výkonných rektenn s ohledem na šířku pásma mezi konci (v tomto případě FoM) pro každou kategorii.
Obrázek 2 Topologie rektenny z hlediska šířky pásma a impedančního přizpůsobení. (a) Jednopásmová rektenna se standardní anténou. (b) Vícepásmová rektenna (složená z několika vzájemně propojených antén) s jedním usměrňovačem a přizpůsobovací sítí na pásmo. (c) Širokopásmová rektenna s více RF porty a samostatnými přizpůsobovacími sítěmi pro každé pásmo. (d) Širokopásmová rektenna se širokopásmovou anténou a širokopásmovou přizpůsobovací sítí. (e) Jednopásmová rektenna s elektricky malou anténou přímo přizpůsobenou usměrňovači. (f) Jednopásmová, elektricky velká anténa s komplexní impedancí pro konjugaci s usměrňovačem. (g) Širokopásmová rektenna s komplexní impedancí pro konjugaci s usměrňovačem v celém rozsahu frekvencí.
Přestože bezdrátový přenos energie (WPT) a ambientní vysokofrekvenční usměrňovač (RFEH) z vyhrazeného napájení představují odlišné aplikace rektofonů, dosažení komplexního přizpůsobení mezi anténou, usměrňovačem a zátěží je zásadní pro dosažení vysoké účinnosti přeměny výkonu (PCE) z hlediska šířky pásma. Rektofony WPT se nicméně více zaměřují na dosažení vyššího přizpůsobení faktoru jakosti (nižší S11) pro zlepšení PCE v jednom pásmu při určitých úrovních výkonu (topologie a, e a f). Široká šířka pásma jednopásmového WPT zlepšuje imunitu systému vůči rozladění, výrobním vadám a parazitním jevům v pouzdře. Na druhou stranu rektofony RFEH upřednostňují vícepásmový provoz a patří do topologií bd a g, protože výkonová spektrální hustota (PSD) v jednom pásmu je obecně nižší.
3. Obdélníkový design antény
1. Jednofrekvenční rektenna
Konstrukce antény jednofrekvenční rektenny (topologie A) je založena především na standardní konstrukci antény, jako je lineární polarizace (LP) nebo kruhová polarizace (CP) vyzařující záplata na zemní rovině, dipólová anténa a invertovaná anténa F. Diferenciální pásmová rektenna je založena na kombinovaném poli stejnosměrného proudu konfigurovaném s více anténními jednotkami nebo smíšené stejnosměrné a vysokofrekvenční kombinaci více záplatových jednotek.
Vzhledem k tomu, že mnoho navrhovaných antén jsou jednofrekvenční antény a splňují požadavky jednofrekvenčního bezdrátového přenosu energie (WPT), při hledání vícefrekvenčního rádiového výboje (RFEH) v prostředí se více jednofrekvenčních antén kombinuje do vícepásmových rektémů (topologie B) se vzájemným potlačením vazby a nezávislou stejnosměrnou kombinací za obvodem řízení výkonu, aby byly zcela izolovány od obvodu pro sběr a převod rádiového signálu. To vyžaduje více obvodů řízení výkonu pro každé pásmo, což může snížit účinnost zesilovacího měniče, protože stejnosměrný výkon jednoho pásma je nízký.
2. Vícepásmové a širokopásmové antény RFEH
Environmentální RFEH je často spojován s vícepásmovým sběrem signálu; proto byla navržena řada technik pro zlepšení šířky pásma standardních anténních konstrukcí a metod pro vytváření dvoupásmových nebo pásmových anténních soustav. V této části se zabýváme návrhy antén na míru pro RFEH, stejně jako klasickými vícepásmovými anténami s potenciálem pro použití jako rektenny.
Monopolové antény s koplanárním vlnovodem (CPW) zabírají na stejné frekvenci menší plochu než mikropáskové antény s plošnými spoji a produkují vlny LP nebo CP. Často se používají pro širokopásmové environmentální rektenny. Odrazové roviny se používají ke zvýšení izolace a zlepšení zisku, což vede k vyzařovacím diagramům podobným plošným anténám. Štěrbinové koplanární vlnovodové antény se používají ke zlepšení impedančních šířek pásma pro více frekvenčních pásem, například 1,8–2,7 GHz nebo 1–3 GHz. Vázané napájené štěrbinové antény a plošné antény se také běžně používají ve vícepásmových rektennách. Obrázek 3 ukazuje některé publikované vícepásmové antény, které využívají více než jednu techniku zlepšení šířky pásma.
Obrázek 3
Impedanční přizpůsobení antény a usměrňovače
Přizpůsobení antény s impedancí 50 Ω nelineárnímu usměrňovači je náročné, protože její vstupní impedance se značně mění s frekvencí. V topologiích A a B (obrázek 2) je běžnou přizpůsobovací sítí LC-přizpůsobení s využitím soustředěných prvků; relativní šířka pásma je však obvykle nižší než u většiny komunikačních pásem. Jednopásmové pahýlové přizpůsobování se běžně používá v mikrovlnných a milimetrových vlnových pásmech pod 6 GHz a hlášené milimetrové usměrňovače mají inherentně úzkou šířku pásma, protože jejich šířka pásma PCE je omezena potlačením výstupních harmonických, což je činí obzvláště vhodnými pro jednopásmové aplikace bezdrátového přenosu signálu (WPT) v nelicencovaném pásmu 24 GHz.
Usměrňovače v topologiích C a D mají složitější přizpůsobovací sítě. Pro širokopásmové přizpůsobování byly navrženy plně distribuované linkové přizpůsobovací sítě s VF blokem/DC zkratem (průpustným filtrem) na výstupním portu nebo DC blokovacím kondenzátorem jako zpětnou cestou pro diodové harmonické. Součásti usměrňovače lze nahradit propojenými kondenzátory na desce plošných spojů (PCB), které jsou syntetizovány pomocí komerčních nástrojů pro automatizaci elektronického návrhu. Další hlášené širokopásmové usměrňovací sítě kombinují soustředěné prvky pro přizpůsobení nižším frekvencím a distribuované prvky pro vytvoření VF zkratu na vstupu.
Změna vstupní impedance pozorované zátěží prostřednictvím zdroje (známá jako technika source-pull) byla použita k návrhu širokopásmového usměrňovače s 57% relativní šířkou pásma (1,25–2,25 GHz) a o 10% vyšší PCE ve srovnání s koncentrovanými nebo distribuovanými obvody. Ačkoli jsou přizpůsobovací sítě obvykle navrženy tak, aby přizpůsobovaly antény v celé šířce pásma 50 Ω, v literatuře existují zprávy o připojení širokopásmových antén k úzkopásmovým usměrňovačům.
V topologiích C a D se široce používají hybridní přizpůsobovací sítě s koncentrovanými a distribuovanými prvky, přičemž nejčastěji používanými koncentrovanými prvky jsou sériové cívky a kondenzátory. Tyto sítě se vyhýbají složitým strukturám, jako jsou propletené kondenzátory, které vyžadují přesnější modelování a výrobu než standardní mikropáskové linky.
Vstupní výkon usměrňovače ovlivňuje vstupní impedanci v důsledku nelinearity diody. Proto je usměrňovač navržen tak, aby maximalizoval PCE pro specifickou úroveň vstupního výkonu a impedanci zátěže. Vzhledem k tomu, že diody mají primárně vysokou kapacitní impedanci při frekvencích pod 3 GHz, zaměřují se širokopásmové usměrňovače, které eliminují přizpůsobovací sítě nebo minimalizují zjednodušené přizpůsobovací obvody, na frekvence Prf > 0 dBm a nad 1 GHz, protože diody mají nízkou kapacitní impedanci a lze je dobře přizpůsobit anténě, čímž se zabrání konstrukci antén se vstupními reaktancemi > 1 000 Ω.
Adaptivní nebo rekonfigurovatelné impedanční přizpůsobení bylo pozorováno u CMOS usměrňovačů, kde přizpůsobovací síť sestává z kondenzátorových baterií a induktorů na čipu. Statické CMOS přizpůsobovací sítě byly také navrženy pro standardní 50Ω antény, stejně jako pro společně navržené smyčkové antény. Bylo hlášeno, že pasivní CMOS detektory výkonu se používají k řízení přepínačů, které směrují výstup antény do různých usměrňovačů a přizpůsobovacích sítí v závislosti na dostupném výkonu. Byla navržena rekonfigurovatelná přizpůsobovací síť s použitím soustředěných laditelných kondenzátorů, která se ladí jemným dolaďováním při měření vstupní impedance pomocí vektorového analyzátoru sítě. V rekonfigurovatelných mikropáskových přizpůsobovacích sítích se k nastavení přizpůsobovacích pahýlů pro dosažení dvoupásmových charakteristik používají přepínače s polním tranzistorem.
Chcete-li se dozvědět více o anténách, navštivte prosím:
Čas zveřejnění: 9. srpna 2024
