1.Увод
Сакупљање енергије радио фреквенције (РФЕХ) и радиативни бежични пренос енергије (ВПТ) привукли су велико интересовање као методе за постизање одрживих бежичних мрежа без батерија. Рецтенна су камен темељац ВПТ и РФЕХ система и имају значајан утицај на ДЦ снагу која се испоручује на оптерећење. Елементи антене ректене директно утичу на ефикасност жетве, која може варирати прикупљену снагу за неколико редова величине. Овај рад даје преглед дизајна антена који се користе у ВПТ и амбијенталним РФЕХ апликацијама. Пријављене ректене су класификоване према два главна критеријума: пропусни опсег импедансе исправљања антене и карактеристике зрачења антене. За сваки критеријум, број заслуга (ФоМ) за различите апликације се утврђује и компаративно ревидира.
ВПТ је предложио Тесла почетком 20. века као метод за пренос хиљада коњских снага. Термин рецтенна, који описује антену повезану са исправљачем за прикупљање РФ енергије, појавио се 1950-их за апликације за пренос енергије у свемирском микроталасном таласу и за напајање аутономних дронова. Омнидирекциони ВПТ дугог домета је ограничен физичким својствима медија за ширење (ваздух). Стога је комерцијални ВПТ углавном ограничен на пренос енергије без зрачења у блиском пољу за бежично пуњење потрошачке електронике или РФИД.
Како потрошња енергије полупроводничких уређаја и бежичних сензорских чворова наставља да опада, постаје изводљивије да се напајају сензорски чворови користећи амбијентални РФЕХ или коришћењем дистрибуираних омнидирекционих предајника мале снаге. Бежични системи за напајање ултра мале снаге обично се састоје од РФ аквизиционог предњег краја, једносмерног напајања и управљања меморијом, и микропроцесора и примопредајника мале снаге.
Слика 1 приказује архитектуру РФЕХ бежичног чвора и најчешће пријављене РФ фронт-енд имплементације. Енд-то-енд ефикасност бежичног система напајања и архитектура синхронизоване бежичне мреже за информације и пренос енергије зависе од перформанси појединачних компоненти, као што су антене, исправљачи и кола за управљање напајањем. Спроведено је неколико истраживања литературе за различите делове система. Табела 1 резимира фазу конверзије снаге, кључне компоненте за ефикасну конверзију снаге и сродну литературу за сваки део. Новија литература се фокусира на технологију конверзије снаге, топологије исправљача или РФЕХ који је свестан мреже.
Слика 1
Међутим, дизајн антене се не сматра критичном компонентом у РФЕХ. 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 даје преглед техника пројектовања антена у ректеннама са циљем да се разликују изазови дизајна антена за РФЕХ и ВПТ од стандардног дизајна комуникационих антена. Антене се пореде из две перспективе: усклађивање импедансе од краја до краја и карактеристике зрачења; у сваком случају, ФоМ се идентификује и прегледа у најсавременијим (СоА) антенама.
2. Пропусни опсег и усклађивање: РФ мреже које нису 50Ω
Карактеристична импеданса од 50Ω је рано разматрање компромиса између слабљења и снаге у апликацијама микроталасног инжењеринга. Код антена, пропусни опсег импедансе се дефинише као опсег фреквенција где је рефлектована снага мања од 10% (С11< − 10 дБ). Пошто су појачивачи ниске буке (ЛНА), појачала снаге и детектори типично дизајнирани са подударањем улазне импедансе од 50Ω, традиционално се помиње извор од 50Ω.
У ректени, излаз антене се директно доводи у исправљач, а нелинеарност диоде узрокује велике варијације у улазној импеданси, при чему доминира капацитивна компонента. Уз претпоставку антене од 50Ω, главни изазов је дизајнирати додатну РФ мрежу за усклађивање да би се трансформисала улазна импеданса у импедансу исправљача на фреквенцији од интереса и оптимизовала је за одређени ниво снаге. У овом случају, потребан је опсег импедансе од краја до краја да би се обезбедила ефикасна конверзија РФ у ДЦ. Стога, иако антене могу постићи теоретски бесконачан или ултра-широки пропусни опсег коришћењем периодичних елемената или самокомплементарне геометрије, пропусни опсег ректене ће бити уско грло мреже за усклађивање исправљача.
Предложено је неколико рецтенна топологија за постизање једнопојасног и вишепојасног сакупљања или ВПТ минимизирањем рефлексије и максимизирањем преноса снаге између антене и исправљача. Слика 2 приказује структуре пријављених топологија ректенне, категорисане по њиховој архитектури усклађивања импедансе. Табела 2 показује примере ректена високих перформанси у односу на пропусни опсег од краја до краја (у овом случају ФоМ) за сваку категорију.
Слика 2 Рецтенна топологије из перспективе усклађивања пропусног опсега и импедансе. (а) Једнопојасна рецтенна са стандардном антеном. (б) Вишепојасна ректена (састављена од више међусобно повезаних антена) са једним исправљачем и одговарајућом мрежом по опсегу. (ц) Броадбанд рецтенна са више РФ портова и одвојеним одговарајућим мрежама за сваки опсег. (д) Броадбанд рецтенна са широкопојасном антеном и широкопојасном мрежом за усклађивање. (е) Једнопојасна ректена која користи електрички малу антену директно усклађену са исправљачем. (ф) Једнопојасна, електрични велика антена са комплексном импедансом за коњугацију са исправљачем. (г) Широкопојасна ректена са комплексном импедансом за коњугацију са исправљачем у опсегу фреквенција.
Док су ВПТ и амбијентални РФЕХ из наменског извора различите рецтенна апликације, постизање крајњег усклађивања између антене, исправљача и оптерећења је од суштинског значаја за постизање високе ефикасности конверзије енергије (ПЦЕ) из перспективе пропусног опсега. Ипак, ВПТ ректене се више фокусирају на постизање већег усклађивања фактора квалитета (нижи С11) како би побољшали једнопојасни ПЦЕ на одређеним нивоима снаге (топологије а, е и ф). Широки пропусни опсег једнопојасног ВПТ-а побољшава имунитет система на деподешавање, производне грешке и паразите у паковању. С друге стране, РФЕХ ректене дају приоритет вишепојасним операцијама и припадају топологијама бд и г, пошто је спектрална густина снаге (ПСД) једног опсега генерално нижа.
3. Дизајн правоугаоне антене
1. Једнофреквентна ректенна
Дизајн антене једнофреквентне ректене (топологија А) углавном се заснива на стандардном дизајну антене, као што је линеарна поларизација (ЛП) или кружна поларизација (ЦП) зрачење на земаљској равни, диполна антена и инвертирана Ф антена. Ректена диференцијалног опсега је заснована на ДЦ комбинованом низу конфигурисаном са више антенских јединица или мешовитом ДЦ и РФ комбинацијом више јединица за спајање.
Пошто су многе од предложених антена једнофреквентне антене и испуњавају захтеве једнофреквентног ВПТ-а, када се тражи вишефреквентни РФЕХ у окружењу, вишеструке једнофреквентне антене се комбинују у вишепојасне ректене (топологија Б) са супресијом међусобног спајања и независна ДЦ комбинација након кола за управљање напајањем да их потпуно изолује од РФ аквизиционог и конверзијског кола. Ово захтева више кола за управљање напајањем за сваки опсег, што може смањити ефикасност појачавајућег претварача јер је једносмерна снага једног опсега ниска.
2. Вишепојасне и широкопојасне РФЕХ антене
Еколошки РФЕХ се често повезује са вишепојасним аквизицијом; стога су предложене различите технике за побољшање пропусног опсега стандардних дизајна антена и метода за формирање двопојасних или опсегних антенских низова. У овом одељку прегледамо прилагођене дизајне антена за РФЕХ, као и класичне вишепојасни антене са потенцијалом да се користе као ректене.
Копланарне таласоводне (ЦПВ) монополне антене заузимају мање површине од микротракастих патцх антена на истој фреквенцији и производе ЛП или ЦП таласе, и често се користе за широкопојасне еколошке ректене. Рефлексне равни се користе за повећање изолације и побољшање појачања, што резултира обрасцима зрачења сличним патцх антенама. Копланарне таласоводне антене са прорезима се користе за побољшање пропусног опсега импедансе за више фреквентних опсега, као што су 1,8–2,7 ГХз или 1–3 ГХз. Слот антене са спојеним напајањем и антене за спајање се такође обично користе у дизајну вишепојасних ректена. Слика 3 приказује неке пријављене вишепојасни 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 њена улазна импеданса увелико варира са фреквенцијом. У топологијама А и Б (Слика 2), заједничка мрежа за подударање је ЛЦ подударање користећи збирне елементе; међутим, релативна ширина опсега је обично нижа од већине комуникационих опсега. Једнопојасно упаривање стубова се обично користи у микроталасним и милиметарским таласима испод 6 ГХз, а пријављени ректени милиметарског таласа имају инхерентно уски пропусни опсег јер је њихов ПЦЕ пропусни опсег ограничен потискивањем излазних хармоника, што их чини посебно погодним за једноструке опсег ВПТ апликација у нелиценцираном опсегу од 24 ГХз.
Ректене у топологијама Ц и Д имају сложеније мреже упаривања. Предложене су потпуно дистрибуиране мреже за усклађивање линија за широкопојасно усклађивање, са кратким спојем РФ блока/ДЦ (пролазни филтер) на излазном порту или кондензатором за блокирање једносмерне струје као повратном путањом за диодне хармонике. Компоненте исправљача могу се заменити кондензаторима са интердигиталним штампаним колама (ПЦБ), који се синтетишу коришћењем комерцијалних алата за аутоматизацију електронског дизајна. Друге пријављене широкопојасне мреже за усклађивање рецтенна комбинују збирне елементе за усклађивање са нижим фреквенцијама и дистрибуиране елементе за стварање РФ кратког споја на улазу.
Варирање улазне импедансе коју посматра оптерећење кроз извор (познато као техника извлачења извора) коришћено је за пројектовање широкопојасног исправљача са 57% релативног пропусног опсега (1,25–2,25 ГХз) и 10% већим ПЦЕ у поређењу са груписаним или дистрибуираним колима . Иако су мреже за усклађивање типично дизајниране да ускладе антене преко читавог пропусног опсега од 50Ω, у литератури постоје извештаји где су широкопојасне антене повезане на ускопојасне исправљаче.
Хибридне мреже за усклађивање са збирним елементима и дистрибуираним елементима су широко коришћене у топологијама Ц и Д, при чему су серијски индуктори и кондензатори најчешће коришћени збирни елементи. Овим се избегавају сложене структуре као што су интердигитални кондензатори, који захтевају прецизније моделирање и производњу од стандардних микротракастих линија.
Улазна снага исправљача утиче на улазну импедансу због нелинеарности диоде. Према томе, рецтенна је дизајнирана да максимизира ПЦЕ за одређени ниво улазне снаге и импеданцију оптерећења. Пошто су диоде првенствено капацитивне високе импедансе на фреквенцијама испод 3 ГХз, широкопојасне ректене које елиминишу мреже упаривања или минимизирају поједностављена кола за подударање су фокусиране на фреквенције Прф>0 дБм и изнад 1 ГХз, пошто диоде имају ниску капацитивну импедансу и могу се добро ускладити на антену, чиме се избегава пројектовање антена са улазним реактансама >1,000Ω.
Адаптивно или реконфигурабилно усклађивање импедансе је виђено у ЦМОС ректенама, где се мрежа за усклађивање састоји од кондензаторских батерија и индуктора на чипу. Статичке ЦМОС мреже за усклађивање су такође предложене за стандардне антене од 50 Ω, као и за ко-дизајниране кружне антене. Пријављено је да се пасивни ЦМОС детектори снаге користе за контролу прекидача који усмеравају излаз антене на различите исправљаче и одговарајуће мреже у зависности од расположиве снаге. Предложена је реконфигурабилна упарујућа мрежа која користи збирне подесиве кондензаторе, која се подешава финим подешавањем уз мерење улазне импедансе помоћу векторског анализатора мреже. У реконфигурабилним микротракастим мрежама за усклађивање, прекидачи транзистора са ефектом поља су коришћени за подешавање одговарајућих стубова да би се постигле карактеристике двоструког опсега.
Да бисте сазнали више о антенама, посетите:
Време поста: 09.08.2024
