1.Uvod
Radiofrekventno (RF) prikupljanje energije (RFEH) i radiativni bežični prijenos energije (WPT) privukli su veliko interesovanje kao metode za postizanje održivih bežičnih mreža bez baterija. Rectenna su kamen temeljac WPT i RFEH sistema i imaju značajan uticaj na istosmjernu snagu koja se isporučuje na opterećenje. Elementi antene rektene direktno utiču na efikasnost žetve, koja može varirati prikupljenu snagu za nekoliko redova veličine. Ovaj rad daje pregled dizajna antena koji se koriste u WPT i ambijentalnim RFEH aplikacijama. Prijavljene rektene su klasifikovane prema dva glavna kriterijuma: širini opsega impedanse ispravljanja antene i karakteristikama zračenja antene. Za svaki kriterijum, broj zasluga (FoM) za različite aplikacije se utvrđuje i komparativno revidira.
WPT je predložio Tesla početkom 20. vijeka kao metod za prijenos hiljada konjskih snaga. Termin rectenna, koji opisuje antenu spojenu na ispravljač za prikupljanje RF energije, pojavio se 1950-ih za primjenu prijenosa energije u svemirskom mikrovalnom prijenosu i za napajanje autonomnih dronova. Omnidirekcioni WPT dugog dometa ograničen je fizičkim svojstvima medija za širenje (vazduh). Stoga je komercijalni WPT uglavnom ograničen na prijenos energije bez zračenja u bliskom polju za bežično punjenje potrošačke elektronike ili RFID.
Kako potrošnja energije poluvodičkih uređaja i bežičnih senzorskih čvorova i dalje opada, postaje izvodljivije napajati senzorske čvorove koristeći ambijentalni RFEH ili korištenjem distribuiranih omnidirekcionih predajnika male snage. Ultra-niske snage bežični sistemi napajanja obično se sastoje od RF akvizicije prednjeg kraja, DC napajanja i upravljanja memorijom, te mikroprocesora i primopredajnika male snage.
Slika 1 prikazuje arhitekturu RFEH bežičnog čvora i najčešće prijavljene RF front-end implementacije. End-to-end efikasnost bežičnog sistema napajanja i arhitektura sinhronizovane bežične mreže za informacije i prenos energije zavise od performansi pojedinačnih komponenti, kao što su antene, ispravljači i kola za upravljanje napajanjem. Sprovedeno je nekoliko istraživanja literature za različite dijelove sistema. Tabela 1 sumira fazu konverzije energije, ključne komponente za efikasnu konverziju energije i relevantne preglede literature za svaki dio. Novija literatura se fokusira na tehnologiju konverzije energije, topologije ispravljača ili RFEH koji je svjesno mreže.
Slika 1
Međutim, dizajn antene se ne smatra kritičnom komponentom u RFEH-u. Iako neka literatura razmatra širinu i efikasnost antene iz ukupne perspektive ili iz perspektive specifičnog dizajna antene, kao što su minijaturne ili nosive antene, uticaj određenih parametara antene na efikasnost prijema snage i konverzije nije detaljno analiziran.
Ovaj rad daje pregled tehnika projektovanja antena u rektenama s ciljem razlikovanja RFEH i WPT specifičnih izazova dizajna antena od standardnog dizajna komunikacijskih antena. Antene se upoređuju iz dvije perspektive: end-to-end usklađivanje impedanse i karakteristike zračenja; u svakom slučaju, FoM se identifikuje i pregleda u najsavremenijim (SoA) antenama.
2. Širina pojasa i usklađivanje: RF mreže koje nisu 50Ω
Karakteristična impedansa od 50Ω je rano razmatranje kompromisa između slabljenja i snage u aplikacijama mikrovalnog inženjeringa. U antenama, propusni opseg impedancije je definisan kao opseg frekvencija u kojem je reflektovana snaga manja od 10% (S11< − 10 dB). Budući da su pojačivači niske buke (LNA), pojačala snage i detektori tipično dizajnirani sa podudaranjem ulazne impedanse od 50Ω, tradicionalno se navodi izvor od 50Ω.
U rekteni, izlaz antene se direktno dovodi u ispravljač, a nelinearnost diode uzrokuje velike varijacije u ulaznoj impedansi, pri čemu dominira kapacitivna komponenta. Uz pretpostavku antene od 50Ω, glavni izazov je dizajnirati dodatnu mrežu RF usklađivanja koja će transformirati ulaznu impedanciju u impedanciju ispravljača na frekvenciji od interesa i optimizirati je za određeni nivo snage. U ovom slučaju, end-to-end impedance bandwidth je potreban kako bi se osigurala efikasna RF u DC konverzija. Stoga, iako antene mogu postići teoretski beskonačan ili ultraširoki propusni opseg korištenjem periodičnih elemenata ili samokomplementarne geometrije, širina pojasa rektene će biti usko grlo mreže za usklađivanje ispravljača.
Predloženo je nekoliko rectenna topologija za postizanje jednopojasnog i višepojasnog sakupljanja ili WPT minimiziranjem refleksije i maksimiziranjem prijenosa snage između antene i ispravljača. Slika 2 prikazuje strukture prijavljenih rectenna topologija, kategorizirane po njihovoj arhitekturi podudaranja impedanse. Tabela 2 prikazuje primjere rectenna visokih performansi u odnosu na end-to-end propusni opseg (u ovom slučaju FoM) za svaku kategoriju.
Slika 2 Rectenna topologije iz perspektive usklađivanja propusnog opsega i impedanse. (a) Jednopojasna rectenna sa standardnom antenom. (b) Višepojasna rektena (sastavljena od više međusobno povezanih antena) sa jednim ispravljačem i odgovarajućom mrežom po opsegu. (c) Broadband rectenna sa više RF portova i odvojenim odgovarajućim mrežama za svaki opseg. (d) Broadband rectenna sa širokopojasnom antenom i širokopojasnom mrežom za uparivanje. (e) Jednopojasna rektena koja koristi električki malu antenu direktno spojenu na ispravljač. (f) Jednopojasna, električni velika antena sa kompleksnom impedancijom za konjugaciju sa ispravljačem. (g) Broadband rectenna sa kompleksnom impedancijom za konjugaciju sa ispravljačem u rasponu frekvencija.
Dok su WPT i ambijentalni RFEH iz namjenskog izvora različite rectenna aplikacije, postizanje end-to-end usklađivanja između antene, ispravljača i opterećenja je od fundamentalnog značaja za postizanje visoke efikasnosti konverzije energije (PCE) iz perspektive propusnog opsega. Ipak, WPT rektene se više fokusiraju na postizanje većeg usklađivanja faktora kvaliteta (niži S11) kako bi poboljšali jednopojasni PCE na određenim nivoima snage (topologije a, e i f). Široki propusni opseg jednopojasnog WPT-a poboljšava imunitet sistema na depodešavanje, proizvodne greške i parazite u pakovanju. S druge strane, RFEH rektene daju prioritet višepojasnim operacijama i pripadaju topologijama bd i g, pošto je spektralna gustina snage (PSD) jednog opsega generalno niža.
3. Pravokutni dizajn antene
1. Jednofrekventna rektenna
Dizajn antene jednofrekventne rektene (topologija A) uglavnom se zasniva na standardnom dizajnu antene, kao što je linearna polarizacija (LP) ili kružna polarizacija (CP) zračenje na zemaljskoj ravni, dipolna antena i invertirana F antena. Rektena diferencijalnog opsega je zasnovana na DC kombinovanom nizu konfigurisanom sa više antenskih jedinica ili mešovitom DC i RF kombinacijom više jedinica za spajanje.
Budući da su mnoge od predloženih antena jednofrekventne antene i ispunjavaju zahtjeve jednofrekventnog WPT-a, kada se traži ekološki višefrekventni RFEH, višestruke jednofrekventne antene se kombinuju u višepojasne rektene (topologija B) sa supresijom međusobnog spajanja i nezavisna DC kombinacija nakon kola za upravljanje napajanjem kako bi ih u potpunosti izolirala od RF sklopa za prikupljanje i konverziju. Ovo zahtijeva više kola za upravljanje napajanjem za svaki opseg, što može smanjiti efikasnost pojačanog pretvarača jer je DC snaga jednog opsega niska.
2. Višepojasne i širokopojasne RFEH antene
RFEH okoliša se često povezuje sa višepojasnim akvizicijom; stoga su predložene različite tehnike za poboljšanje propusnog opsega standardnih dizajna antena i metode za formiranje dvopojasnih ili opsegnih antenskih nizova. U ovom odeljku razmatramo prilagođene dizajne antena za RFEH, kao i klasične višepojasni antene sa potencijalom da se koriste kao rektene.
Koplanarne talasovodne (CPW) monopolne antene zauzimaju manje površine od mikrotrakastih patch antena na istoj frekvenciji i proizvode LP ili CP talase, i često se koriste za širokopojasne ekološke rektene. Refleksne ravni se koriste za povećanje izolacije i poboljšanje pojačanja, što rezultira obrascima zračenja sličnim patch antenama. Koplanarne antene talasovoda sa prorezima koriste se za poboljšanje propusnog opsega impedanse za više frekventnih opsega, kao što su 1,8–2,7 GHz ili 1–3 GHz. Slot antene sa spojenim napajanjem i antene za spajanje se takođe obično koriste u dizajnu višepojasnih rectenna. Slika 3 prikazuje neke prijavljene višepojasni antene koje koriste više od jedne tehnike poboljšanja propusnog opsega.
Slika 3
Usklađivanje impedanse antene i ispravljača
Usklađivanje antene od 50Ω sa nelinearnim ispravljačem je izazovno jer njena ulazna impedansa uveliko varira s frekvencijom. U topologijama A i B (Slika 2), zajednička mreža podudaranja je LC podudaranje koristeći zbirne elemente; međutim, relativna širina pojasa je obično niža od većine komunikacionih opsega. Jednopojasno uparivanje stubova se obično koristi u mikrotalasnim i milimetarskim talasima ispod 6 GHz, a prijavljene rektene milimetarskog talasa imaju inherentno usku širinu pojasa jer je njihov PCE propusni opseg zakrčen supresijom izlaznih harmonika, što ih čini posebno pogodnim za jednopojasne opseg WPT aplikacije u nelicenciranom opsegu od 24 GHz.
Rektene u topologijama C i D imaju složenije mreže uparivanja. Predložene su potpuno distribuirane mreže za usklađivanje linija za širokopojasno usklađivanje, sa RF blok/DC kratkim spojem (prolazni filter) na izlaznom portu ili kondenzatorom za blokiranje istosmjerne struje kao povratnom putanjom za diodne harmonike. Komponente ispravljača mogu se zamijeniti interdigitalnim kondenzatorima na štampanoj ploči (PCB), koji su sintetizirani pomoću komercijalnih alata za automatizaciju elektronskog dizajna. Druge objavljene širokopojasne mreže za usklađivanje rectenna kombinuju zbirne elemente za usklađivanje sa nižim frekvencijama i distribuirane elemente za kreiranje RF kratkog spoja na ulazu.
Variranje ulazne impedanse koju opaža opterećenje kroz izvor (poznato kao tehnika izvlačenja izvora) korišteno je za dizajniranje širokopojasnog ispravljača sa 57% relativne propusnosti (1,25-2,25 GHz) i 10% većim PCE u poređenju sa skupljenim ili distribuiranim kolima . Iako su mreže za uparivanje tipično dizajnirane za usklađivanje antena u cijelom propusnom opsegu od 50Ω, u literaturi postoje izvještaji gdje su širokopojasne antene povezane na uskopojasne ispravljače.
Hibridne mreže za usklađivanje sa pauširanim elementima i distribuirane mreže su naširoko korištene u topologijama C i D, pri čemu su serijski induktori i kondenzatori najčešće korišteni zbirni elementi. Ovim se izbjegavaju složene strukture kao što su interdigitalni kondenzatori, koji zahtijevaju preciznije modeliranje i proizvodnju od standardnih mikrotrakastih linija.
Ulazna snaga ispravljača utiče na ulaznu impedanciju zbog nelinearnosti diode. Stoga je rectenna dizajnirana da maksimizira PCE za određeni nivo ulazne snage i impedanciju opterećenja. Budući da su diode prvenstveno kapacitivne visoke impedancije na frekvencijama ispod 3 GHz, širokopojasne rektene koje eliminišu mreže za uparivanje ili minimiziraju pojednostavljena kola za uparivanje su fokusirane na frekvencije Prf>0 dBm i iznad 1 GHz, budući da diode imaju nisku kapacitivnu impedanciju i mogu se dobro uskladiti na antenu, čime se izbjegava dizajn antena sa ulaznim reaktancijama >1,000Ω.
Adaptivno ili rekonfigurabilno usklađivanje impedanse viđeno je u CMOS rektenama, gdje se mreža za usklađivanje sastoji od kondenzatorskih baterija i induktora na čipu. Statičke CMOS mreže za usklađivanje su takođe predložene za standardne antene od 50 Ω, kao i za ko-dizajnirane kružne antene. Prijavljeno je da se pasivni CMOS detektori snage koriste za kontrolu prekidača koji usmjeravaju izlaz antene na različite ispravljače i odgovarajuće mreže u zavisnosti od raspoložive snage. Predložena je rekonfigurabilna uparujuća mreža koja koristi zbirne podesive kondenzatore, koja se podešava finim podešavanjem uz mjerenje ulazne impedanse pomoću vektorskog analizatora mreže. U rekonfigurabilnim mikrotrakastim mrežama za usklađivanje, korišćeni su tranzistorski prekidači sa efektom polja za podešavanje odgovarajućih stubova kako bi se postigle karakteristike dual-band-a.
Da saznate više o antenama, posjetite:
Vrijeme objave: 09.08.2024
