1. Uvod
Prikupljanje radiofrekventne (RF) energije (RFEH) i radijacijski bežični prijenos energije (WPT) privukli su veliko interesovanje kao metode za postizanje održivih bežičnih mreža bez baterija. Rektene su temelj WPT i RFEH sistema i imaju značajan uticaj na istosmjernu snagu koja se isporučuje opterećenju. Antenski elementi rektene direktno utiču na efikasnost prikupljanja, što može varirati prikupljenu snagu za nekoliko redova veličine. Ovaj rad pregleda dizajn antena koji se koriste u WPT i ambijentalnim RFEH primjenama. Prijavljene rektene su klasifikovane prema dva glavna kriterija: propusnom opsegu impedanse ispravljanja antene i karakteristikama zračenja antene. Za svaki kriterij, određena je i uporedno pregledana vrijednost (FoM) za različite primjene.
Bežični prenos energije (WPT) je predložio Tesla početkom 20. vijeka kao metodu za prenos hiljada konjskih snaga. Termin rektena, koji opisuje antenu povezanu sa ispravljačem za prikupljanje RF energije, pojavio se 1950-ih za primjene u prenosu svemirske mikrotalasne energije i za napajanje autonomnih dronova. Svesmjerni WPT dugog dometa ograničen je fizičkim svojstvima medija za propagaciju (vazduha). Stoga je komercijalni WPT uglavnom ograničen na neradijativni prenos energije u bliskom polju za bežično punjenje potrošačke elektronike ili RFID.
Kako potrošnja energije poluprovodničkih uređaja i bežičnih senzorskih čvorova nastavlja da se smanjuje, postaje sve izvodljivije napajati senzorske čvorove korištenjem ambijentalnog RFEH-a ili korištenjem distribuiranih omnidirekcionih predajnika male snage. Bežični sistemi napajanja ultra male snage obično se sastoje od RF akvizicijskog prednjeg dijela, DC napajanja i upravljanja memorijom, te mikroprocesora i primopredajnika male snage.
Slika 1 prikazuje arhitekturu bežičnog RFEH čvora i najčešće prijavljene implementacije RF front-enda. Efikasnost bežičnog sistema napajanja od početka do kraja i arhitektura sinhronizovane bežične mreže za prenos informacija i energije zavisi od performansi pojedinačnih komponenti, kao što su antene, ispravljači i kola za upravljanje napajanjem. Provedeno je nekoliko istraživanja literature za različite dijelove sistema. Tabela 1 sumira fazu konverzije energije, ključne komponente za efikasnu konverziju energije i srodne preglede literature za svaki dio. Nedavna literatura se fokusira na tehnologiju konverzije energije, topologije ispravljača ili RFEH koji je svjestan mreže.
Slika 1
Međutim, dizajn antene se ne smatra kritičnom komponentom u RFEH-u. Iako neka literatura razmatra propusni opseg i efikasnost antene iz opšte perspektive ili iz perspektive specifičnog dizajna antene, kao što su minijaturizirane ili nosive antene, uticaj određenih parametara antene na efikasnost prijema snage i konverzije nije detaljno analiziran.
Ovaj rad razmatra tehnike projektovanja antena u rektenama s ciljem razlikovanja specifičnih izazova projektovanja antena za RFEH i WPT od standardnog projektovanja komunikacijskih antena. Antene se upoređuju iz dvije perspektive: usklađivanje impedanse od kraja do kraja i karakteristike zračenja; u svakom slučaju, FoM je identifikovan i pregledan kod najsavremenijih (SoA) antena.
2. Propusni opseg i usklađivanje: RF mreže koje nisu od 50Ω
Karakteristična impedancija od 50Ω je rano razmatranje kompromisa između slabljenja i snage u primjenama mikrotalasnog inženjerstva. Kod antena, propusni opseg impedancije se definiše kao frekventni opseg gdje je reflektovana snaga manja od 10% (S11< − 10 dB). Budući da su niskošumni pojačavači (LNA), pojačavači snage i detektori obično dizajnirani sa usklađivanjem ulazne impedancije od 50Ω, tradicionalno se referencira izvor od 50Ω.
Kod rektene, izlaz antene se direktno dovodi u ispravljač, a nelinearnost diode uzrokuje velike varijacije ulazne impedanse, pri čemu dominira kapacitivna komponenta. Pod pretpostavkom antene od 50Ω, glavni izazov je dizajnirati dodatnu RF mrežu za usklađivanje koja bi transformirala ulaznu impedansu u impedansu ispravljača na frekvenciji od interesa i optimizirala je za određeni nivo snage. U ovom slučaju, potreban je propusni opseg impedanse od kraja do kraja kako bi se osigurala efikasna RF u DC konverzija. Stoga, iako antene mogu postići teoretski beskonačnu ili ultraširoku propusnost korištenjem periodičnih elemenata ili samokomplementarne geometrije, propusnost rektene će biti ograničena mrežom za usklađivanje ispravljača.
Predloženo je nekoliko topologija rektenna kako bi se postiglo jednopojasno i višepojasno prikupljanje signala ili WPT minimiziranjem refleksija i maksimiziranjem prijenosa snage između antene i ispravljača. Slika 2 prikazuje strukture prijavljenih topologija rektenna, kategoriziranih prema njihovoj arhitekturi usklađivanja impedanse. Tabela 2 prikazuje primjere visokoperformansnih rektenna s obzirom na propusni opseg od kraja do kraja (u ovom slučaju, FoM) za svaku kategoriju.
Slika 2 Topologije rektenne iz perspektive usklađivanja propusnog opsega i impedanse. (a) Jednopojasna rektenna sa standardnom antenom. (b) Višepojasna rektenna (sastavljena od više međusobno povezanih antena) s jednim ispravljačem i mrežom za usklađivanje po opsegu. (c) Širokopojasna rektenna s više RF portova i odvojenim mrežama za usklađivanje za svaki opseg. (d) Širokopojasna rektenna sa širokopojasnom antenom i širokopojasnom mrežom za usklađivanje. (e) Jednopojasna rektenna koja koristi električno malu antenu direktno usklađenu s ispravljačem. (f) Jednopojasna, električno velika antena s kompleksnom impedancom za konjugaciju s ispravljačem. (g) Širokopojasna rektenna s kompleksnom impedancom za konjugaciju s ispravljačem u rasponu frekvencija.
Iako WPT i ambijentalni RFEH iz namjenskog napajanja predstavljaju različite primjene rektenna, postizanje end-to-end usklađivanja između antene, ispravljača i opterećenja je fundamentalno za postizanje visoke efikasnosti konverzije snage (PCE) sa stanovišta propusnog opsega. Ipak, WPT rektenne se više fokusiraju na postizanje većeg usklađivanja faktora kvaliteta (niži S11) kako bi se poboljšala PCE jednog opsega na određenim nivoima snage (topologije a, e i f). Širok propusni opseg jednopojasnog WPT-a poboljšava imunitet sistema na rasštimavanje, greške u proizvodnji i parazite u pakovanju. S druge strane, RFEH rektenne daju prioritet višepojasnom radu i pripadaju topologijama bd i g, jer je spektralna gustina snage (PSD) jednog opsega generalno niža.
3. Pravougaoni dizajn antene
1. Jednofrekventna rektena
Dizajn antene jednofrekventne rektenne (topologija A) uglavnom se zasniva na standardnom dizajnu antene, kao što su linearna polarizacija (LP) ili kružna polarizacija (CP) koja zrači na osnovnoj ravni, dipolna antena i invertovana F antena. Diferencijalna rektenna zasnovana je na DC kombinovanom nizu konfigurisanom sa više antenskih jedinica ili mješovitom DC i RF kombinacijom više patch jedinica.
Budući da su mnoge od predloženih antena jednofrekventne antene i ispunjavaju zahtjeve jednofrekventnog WPT-a, kada se traži višefrekventni RFEH u okruženju, više jednofrekventnih antena se kombinuje u višepojasne rektenne (topologija B) sa međusobnim potiskivanjem sprege i nezavisnom DC kombinacijom nakon kola za upravljanje napajanjem kako bi se potpuno izolovale od RF kola za akviziciju i konverziju. Ovo zahtijeva više kola za upravljanje napajanjem za svaki opseg, što može smanjiti efikasnost boost pretvarača jer je DC snaga jednog opsega niska.
2. Višepojasne i širokopojasne RFEH antene
Okolinski RFEH se često povezuje s višepojasnom akvizicijom; stoga je predložen niz tehnika za poboljšanje propusnog opsega standardnih dizajna antena i metoda za formiranje dvopojasnih ili pojasnih antenskih nizova. U ovom odjeljku, pregledavamo prilagođene dizajne antena za RFEH, kao i klasične višepojasne antene s potencijalom da se koriste kao rektene.
Koplanarne talasovodne (CPW) monopolne antene zauzimaju manje površine od mikrostripnih patch antena na istoj frekvenciji i proizvode LP ili CP talase, te se često koriste za širokopojasne reverzibilne antene u okruženju. Refleksijske ravni se koriste za povećanje izolacije i poboljšanje pojačanja, što rezultira dijagramima zračenja sličnim patch antenama. Prorezane koplanarne talasovodne antene se koriste za poboljšanje impedančnih propusnih opsega za više frekvencijskih opsega, kao što su 1,8–2,7 GHz ili 1–3 GHz. Spregnuto napajane prorezne antene i patch antene se također često koriste u višepojasnim rektenama. Slika 3 prikazuje neke prijavljene višepojasne 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 se njegova ulazna impedancija uveliko mijenja s frekvencijom. U topologijama A i B (Slika 2), uobičajena mreža za usklađivanje je LC usklađivanje koje koristi grudvaste elemente; međutim, relativna propusnost je obično niža od većine komunikacijskih opsega. Jednopojasno stub usklađivanje se obično koristi u mikrotalasnim i milimetarskim talasnim opsezima ispod 6 GHz, a prijavljene milimetarske ispravljačke antene imaju inherentno usku propusnost jer je njihova PCE propusnost ograničena potiskivanjem izlaznih harmonika, što ih čini posebno pogodnim za jednopojasne WPT aplikacije u nelicenciranom opsegu od 24 GHz.
Ispravljačke komponente u topologijama C i D imaju složenije mreže za usklađivanje. Za širokopojasno usklađivanje predložene su potpuno distribuirane mreže za usklađivanje linija, s RF blokom/DC kratkim spojem (propusnim filterom) na izlaznom portu ili DC blokirajućim kondenzatorom kao povratnim putem za diodne harmonike. Komponente ispravljača mogu se zamijeniti interdigitalnim kondenzatorima na štampanoj ploči (PCB), koji se sintetiziraju korištenjem komercijalnih alata za automatizaciju elektronskog dizajna. Druge prijavljene širokopojasne mreže za usklađivanje rekten kombiniraju koncentrirane elemente za usklađivanje s nižim frekvencijama i distribuirane elemente za stvaranje RF kratkog spoja na ulazu.
Variranje ulazne impedanse koju opaža opterećenje kroz izvor (poznato kao tehnika povlačenja izvora) korišteno je za dizajniranje širokopojasnog ispravljača sa 57% relativne propusnosti (1,25–2,25 GHz) i 10% većim PCE u poređenju sa koncentrisanim ili distribuiranim kolima. Iako su mreže za usklađivanje obično dizajnirane da usklade antene preko cijelog propusnog opsega od 50Ω, u literaturi postoje izvještaji gdje su širokopojasne antene povezane sa uskopojasnim ispravljačima.
Hibridne mreže za usklađivanje sa grupnim i distribuiranim elementima široko su korištene u topologijama C i D, pri čemu su serijski induktiviteti i kondenzatori najčešće korišteni grupni elementi. Ovo izbjegava složene strukture poput isprepletenih kondenzatora, koji zahtijevaju preciznije modeliranje i izradu od standardnih mikrostripnih linija.
Ulazna snaga ispravljača utiče na ulaznu impedansu zbog nelinearnosti diode. Stoga je ispravljač dizajniran da maksimizira PCE za određeni nivo ulazne snage i impedansu opterećenja. Budući da su diode prvenstveno kapacitivne i visoke impedanse na frekvencijama ispod 3 GHz, širokopojasne ispravljače koje eliminišu mreže za usklađivanje ili minimiziraju pojednostavljena kola za usklađivanje fokusirane su na frekvencije Prf>0 dBm i iznad 1 GHz, budući da diode imaju nisku kapacitivnu impedansu i mogu se dobro uskladiti s antenom, čime se izbjegava dizajn antena s ulaznim reaktansama >1.000Ω.
Adaptivno ili rekonfigurabilno usklađivanje impedanse je uočeno kod CMOS ispravljača, gdje se mreža za usklađivanje sastoji od kondenzatorskih baterija i induktora na čipu. Statičke CMOS mreže za usklađivanje su također predložene za standardne antene od 50Ω, 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 mreže za usklađivanje, ovisno o dostupnoj snazi. Predložena je rekonfigurabilna mreža za usklađivanje koja koristi koncentrirane podesive kondenzatore, a koja se podešava finim podešavanjem uz mjerenje ulazne impedanse pomoću vektorskog analizatora mreže. U rekonfigurabilnim mikrostripnim mrežama za usklađivanje, prekidači s tranzistorima s efektom polja su korišteni za podešavanje spojnica za usklađivanje kako bi se postigle karakteristike dvostrukog opsega.
Za više informacija o antenama, posjetite:
Vrijeme objave: 09.08.2024.
