1. Увод
Прикупљање радиофреквентне (РФ) енергије (РФЕХ) и радијативни бежични пренос снаге (БПС) привукли су велико интересовање као методе за постизање одрживих бежичних мрежа без батерија. Ректене су камен темељац БПС и РФЕХ система и имају значајан утицај на једносмерну снагу која се испоручује оптерећењу. Елементи антене ректене директно утичу на ефикасност прикупљања, што може да варира прикупљену снагу за неколико редова величине. Овај рад разматра дизајн антена које се користе у БПС и амбијенталним РФЕХ применама. Пријављене ректене су класификоване према два главна критеријума: пропусни опсег импедансе исправљања антене и карактеристике зрачења антене. За сваки критеријум, одређена је и упоредно прегледана вредност (FoM) за различите примене.
Тесла је предложио пренос светске енергије (WPT) почетком 20. века као метод за пренос хиљада коњских снага. Термин ректена, који описује антену повезану са исправљачем за прикупљање РФ енергије, појавио се педесетих година 20. века за примене преноса микроталасне енергије у свемир и за напајање аутономних дронова. Свесмерна, WPT дугог домета је ограничена физичким својствима медијума за простирање (ваздуха). Стога је комерцијална WPT углавном ограничена на пренос енергије у блиском пољу без зрачења за бежично пуњење потрошачке електронике или RFID.
Како потрошња енергије полупроводничких уређаја и бежичних сензорских чворова наставља да се смањује, постаје све изводљивије напајање сензорских чворова коришћењем амбијенталног RFEH-а или коришћењем дистрибуираних свесмерних предајника мале снаге. Бежични системи напајања ултра мале снаге обично се састоје од РФ аквизиционог предњег дела, једносмерног напајања и управљања меморијом, као и микропроцесора и примопредајника мале снаге.
Слика 1 приказује архитектуру бежичног RFEH чвора и најчешће пријављене имплементације РФ фронт-енда. Ефикасност бежичног система напајања од почетка до краја и архитектура синхронизоване бежичне мреже за пренос информација и енергије зависи од перформанси појединачних компоненти, као што су антене, исправљачи и кола за управљање напајањем. Спроведено је неколико прегледа литературе за различите делове система. Табела 1 сумира фазу конверзије снаге, кључне компоненте за ефикасну конверзију снаге и сродне прегледе литературе за сваки део. Новија литература се фокусира на технологију конверзије снаге, топологије исправљача или RFEH који је свестан мреже.
Слика 1
Међутим, дизајн антене се не сматра критичном компонентом у RFEH-у. Иако нека литература разматра пропусни опсег и ефикасност антене из опште перспективе или из перспективе специфичног дизајна антене, као што су минијатуризоване или носиве антене, утицај одређених параметара антене на ефикасност пријема снаге и конверзије није детаљно анализиран.
Овај рад разматра технике пројектовања антена у ректенама са циљем разликовања специфичних изазова у пројектовању антена за RFEH и WPT од стандардног дизајна комуникационих антена. Антене се упоређују из две перспективе: усклађивање импедансе од краја до краја и карактеристике зрачења; у сваком случају, FoM је идентификован и прегледан код најсавременијих (SoA) антена.
2. Пропусни опсег и усклађивање: РФ мреже које нису од 50Ω
Карактеристична импеданса од 50 Ω је рано разматрање компромиса између слабљења и снаге у применама микроталасног инжењерства. Код антена, пропусни опсег импедансе је дефинисан као фреквентни опсег где је рефлектована снага мања од 10% (S11< − 10 dB). Пошто су појачавачи са ниским шумом (LNA), појачавачи снаге и детектори обично пројектовани са усклађивањем улазне импедансе од 50 Ω, традиционално се референцира извор од 50 Ω.
Код ректене, излаз антене се директно доводи у исправљач, а нелинеарност диоде узрокује велике варијације улазне импедансе, при чему доминира капацитивна компонента. Под претпоставком да је антена од 50Ω, главни изазов је пројектовање додатне РФ мреже за подударање која би трансформисала улазну импедансу у импедансу исправљача на фреквенцији од интереса и оптимизовала је за одређени ниво снаге. У овом случају, потребан је пропусни опсег импедансе од краја до краја како би се осигурала ефикасна РФ у једносмерну конверзију. Стога, иако антене могу постићи теоретски бесконачан или ултраширок пропусни опсег коришћењем периодичних елемената или самокомплементарне геометрије, пропусни опсег ректене ће бити ограничен мрежом за подударање исправљача.
Предложено је неколико топологија ректене за постизање једнопојасног и вишепојасног сакупљања сигнала или WPT-а минимизирањем рефлексија и максимизирањем преноса снаге између антене и исправљача. Слика 2 приказује структуре пријављених топологија ректене, категоризоване према њиховој архитектури подударања импедансе. Табела 2 приказује примере високоперформансних ректена у погледу пропусног опсега од краја до краја (у овом случају, FoM) за сваку категорију.
Слика 2 Топологије ректене из перспективе пропусног опсега и усклађивања импедансе. (а) Једнопојасна ректена са стандардном антеном. (б) Вишепојасна ректена (састављена од више међусобно спрегнутих антена) са једним исправљачем и мрежом за усклађивање по опсегу. (ц) Широкопојасна ректена са више РФ портова и одвојеним мрежама за усклађивање за сваки опсег. (д) Широкопојасна ректена са широкопојасном антеном и мрежом за усклађивање широкопојасног опсега. (е) Једнопојасна ректена која користи електрично малу антену директно усклађену са исправљачем. (ф) Једнопојасна, електрично велика антена са комплексном импедансом за конјугацију са исправљачем. (г) Широкопојасна ректена са комплексном импедансом за конјугацију са исправљачем у опсегу фреквенција.
Иако су WPT и амбијентални RFEH из наменског напајања различите примене ректенских система, постизање целокупног подударања између антене, исправљача и оптерећења је фундаментално за постизање високе ефикасности конверзије снаге (PCE) са становишта пропусног опсега. Ипак, WPT ректенске системе се више фокусирају на постизање већег подударања фактора квалитета (нижи S11) како би се побољшала PCE једнопојасног опсега на одређеним нивоима снаге (топологије a, e и f). Широк пропусни опсег једнопојасног WPT-а побољшава имунитет система на расштимовање, производне дефекте и паразите паковања. С друге стране, RFEH ректенске системе дају приоритет вишепојасном раду и припадају топологијама bd и g, јер је спектрална густина снаге (PSD) једног опсега генерално нижа.
3. Правоугаони дизајн антене
1. Једнофреквентна ректена
Дизајн антене једнофреквентне ректене (топологија А) углавном се заснива на стандардном дизајну антене, као што су линеарно поларизациони (LP) или кружно поларизациони (CP) зрачећи део на основној равни, диполна антена и инвертована F антена. Диференцијално опсежна ректена се заснива на DC комбинованом низу конфигурисаном са више антенских јединица или мешовитом DC и RF комбинацијом више антенских јединица.
Пошто су многе од предложених антена једнофреквентне антене и испуњавају захтеве једнофреквентног WPT-а, када се тражи вишефреквентни RFEH у окружењу, више једнофреквентних антена се комбинује у вишепојасне ректене (топологија Б) са међусобним супресијом спрезања и независном DC комбинацијом након кола за управљање напајањем како би се потпуно изоловале од RF кола за аквизицију и конверзију. Ово захтева више кола за управљање напајањем за сваки опсег, што може смањити ефикасност буст конвертора јер је једносмерна снага једног опсега ниска.
2. Вишепојасне и широкопојасне RFEH антене
Радио-енергетски енергетски пријем (RFEH) у окружењу се често повезује са вишепојасним снимањем; стога је предложен низ техника за побољшање пропусног опсега стандардних дизајна антена и метода за формирање двопојасних или опсежних антенских низова. У овом одељку, прегледамо прилагођене дизајне антена за RFEH, као и класичне вишепојасне антене са потенцијалом да се користе као ректене.
Копланарне таласоводне (CPW) монополне антене заузимају мању површину од микротракастих антена на истој фреквенцији и производе LP или CP таласе, и често се користе за широкопојасне рефлексне антене у окружењу. Рефлексне равни се користе за повећање изолације и побољшање појачања, што резултира обрасцима зрачења сличним онима код рефлексних антена. Прорезне копланарне таласоводне антене се користе за побољшање пропусног опсега импедансе за више фреквентних опсега, као што су 1,8–2,7 GHz или 1–3 GHz. Прорезне антене са спрегнутим напајањем и рефлексне антене се такође често користе у дизајну вишепојасних рефлексних антена. Слика 3 приказује неке пријављене вишепојасне антене које користе више од једне технике побољшања пропусног опсега.
Слика 3
Усклађивање импедансе антене и исправљача
Усклађивање антене од 50Ω са нелинеарним исправљачем је изазовно јер се његова улазна импеданса значајно мења са фреквенцијом. У топологијама А и Б (слика 2), уобичајена мрежа за усклађивање је LC усклађивање које користи груписане елементе; међутим, релативни пропусни опсег је обично нижи него код већине комуникационих опсега. Једнопојасно усклађивање штипаљки се обично користи у микроталасним и милиметарским опсезима испод 6 GHz, а пријављени милиметарски исправљачи имају инхерентно узак пропусни опсег јер је њихов PCE пропусни опсег ограничен супресијом излазних хармоника, што их чини посебно погодним за једнопојасне WPT примене у нелиценцираном опсегу од 24 GHz.
Ректене у топологијама C и D имају сложеније мреже за подударање. Потпуно дистрибуиране мреже за подударање линија су предложене за широкопојасно подударање, са РФ блоком/DC кратким спојем (пропусним филтером) на излазном порту или DC блокирајућим кондензатором као повратном путањом за диодне хармонике. Компоненте исправљача могу се заменити штампаним плочама (PCB) интердигиталним кондензаторима, који се синтетишу коришћењем комерцијалних алата за аутоматизацију електронског пројектовања. Друге пријављене широкопојасне мреже за подударање рекена комбинују груписане елементе за подударање са нижим фреквенцијама и дистрибуиране елементе за стварање РФ кратког споја на улазу.
Варирање улазне импедансе коју посматра оптерећење кроз извор (познато као техника „source-pull“) коришћено је за пројектовање широкопојасног исправљача са релативним пропусним опсегом од 57% (1,25–2,25 GHz) и 10% већим PCE у поређењу са концентрисаним или дистрибуираним колима. Иако су мреже за подударање обично пројектоване да подударају антене преко целог пропусног опсега од 50 Ω, у литератури постоје извештаји где су широкопојасне антене повезане са ускопојасним исправљачима.
Хибридне мреже за подударање са груписаним и дистрибуираним елементима су широко коришћене у топологијама C и D, при чему су серијски индуктори и кондензатори најчешће коришћени груписани елементи. Овим се избегавају сложене структуре као што су испреплетени кондензатори, које захтевају прецизније моделирање и израду од стандардних микротракастих линија.
Улазна снага исправљача утиче на улазну импедансу због нелинеарности диоде. Стога је исправљач пројектован да максимизира PCE за одређени ниво улазне снаге и импедансу оптерећења. Пошто су диоде првенствено капацитивне диоде високе импедансе на фреквенцијама испод 3 GHz, широкопојасни исправљачи који елиминишу мреже за подударање или минимизирају поједностављена кола за подударање фокусирани су на фреквенције Prf>0 dBm и изнад 1 GHz, пошто диоде имају ниску капацитивну импедансу и могу се добро упарити са антеном, чиме се избегава пројектовање антена са улазним реактансама >1.000 Ω.
Адаптивно или реконфигурабилно подударање импедансе је примећено код CMOS исправљача, где се мрежа за подударање састоји од кондензаторских батерија и индукторских калемова на чипу. Статичке CMOS мреже за подударање су такође предложене за стандардне антене од 50Ω, као и за ко-дизајниране петљасте антене. Пријављено је да се пасивни CMOS детектори снаге користе за контролу прекидача који усмеравају излаз антене ка различитим исправљачима и мрежама за подударање у зависности од расположиве снаге. Предложена је реконфигурабилна мрежа за подударање која користи концентрисане подесиве кондензаторе, која се подешава финим подешавањем док се мери улазна импеданса помоћу анализатора векторске мреже. У реконфигурабилним микротракастим мрежама за подударање, прекидачи са транзисторима са ефектом поља су коришћени за подешавање кракова за подешавање како би се постигле двопојасне карактеристике.
Да бисте сазнали више о антенама, посетите:
Време објаве: 09.08.2024.
