1.Introduzzjoni
Il-ħsad tal-enerġija bil-frekwenza tar-radju (RF) (RFEH) u t-trasferiment tal-enerġija bla fili radjattiva (WPT) ġibdu interess kbir bħala metodi biex jinkisbu netwerks mingħajr fili sostenibbli mingħajr batteriji. Rectennas huma l-pedament tas-sistemi WPT u RFEH u għandhom impatt sinifikanti fuq l-enerġija DC mogħtija lit-tagħbija. L-elementi tal-antenna tar-rectenna jaffettwaw direttament l-effiċjenza tal-ħsad, li tista 'tvarja l-qawwa maħsuda b'diversi ordnijiet ta' kobor. Dan id-dokument jirrevedi d-disinji tal-antenni użati fl-applikazzjonijiet WPT u RFEH ambjentali. Ir-rectennas irrappurtati huma kklassifikati skont żewġ kriterji ewlenin: il-bandwidth tal-impedenza li tirrettifika l-antenna u l-karatteristiċi tar-radjazzjoni tal-antenna. Għal kull kriterju, iċ-ċifra tal-mertu (FoM) għal applikazzjonijiet differenti hija determinata u riveduta komparattivament.
WPT ġie propost minn Tesla fil-bidu tas-seklu 20 bħala metodu biex jittrasmettu eluf ta 'horsepower. It-terminu rectenna, li jiddeskrivi antenna konnessa ma 'rettifikatur biex tiġbor l-enerġija RF, tfaċċa fis-snin ħamsin għal applikazzjonijiet ta' trasmissjoni ta 'enerġija microwave spazjali u biex iħaddmu drones awtonomi. WPT omnidirezzjonali, fuq medda twila huwa ristrett mill-proprjetajiet fiżiċi tal-mezz ta 'propagazzjoni (arja). Għalhekk, WPT kummerċjali huwa prinċipalment limitat għal trasferiment ta 'enerġija mhux radjattiva fil-qrib għall-iċċarġjar tal-elettronika tal-konsumatur mingħajr fili jew RFID.
Hekk kif il-konsum tal-enerġija ta 'apparati semikondutturi u nodi tas-sensuri mingħajr fili qed ikompli jonqos, isir aktar fattibbli li n-nodi tas-sensuri tal-enerġija bl-użu ta' RFEH ambjentali jew bl-użu ta 'trasmettituri omnidirezzjonali mqassma ta' enerġija baxxa. Sistemi ta 'enerġija mingħajr fili ta' qawwa ultra baxxa normalment jikkonsistu f'tarf ta 'quddiem ta' akkwist RF, ġestjoni ta 'enerġija DC u memorja, u mikroproċessur u transceiver ta' enerġija baxxa.
Il-Figura 1 turi l-arkitettura ta 'node mingħajr fili RFEH u l-implimentazzjonijiet RF front-end irrappurtati b'mod komuni. L-effiċjenza tarf sa tarf tas-sistema tal-enerġija mingħajr fili u l-arkitettura tan-netwerk sinkronizzat ta 'informazzjoni u trasferiment tal-enerġija mingħajr fili tiddependi fuq il-prestazzjoni ta' komponenti individwali, bħal antenni, rettifikaturi, u ċirkwiti ta 'ġestjoni tal-enerġija. Saru diversi stħarriġ tal-letteratura għal partijiet differenti tas-sistema. Tabella 1 tiġbor fil-qosor l-istadju tal-konverżjoni tal-enerġija, il-komponenti ewlenin għall-konverżjoni tal-enerġija effiċjenti, u stħarriġ tal-letteratura relatat għal kull parti. Il-letteratura reċenti tiffoka fuq it-teknoloġija tal-konverżjoni tal-enerġija, it-topoloġiji tar-rettifikaturi, jew l-RFEH konxju tan-netwerk.
Figura 1
Madankollu, id-disinn tal-antenna mhuwiex ikkunsidrat bħala komponent kritiku fl-RFEH. Għalkemm xi letteratura tikkunsidra l-wisa 'tal-frekwenza u l-effiċjenza tal-antenna minn perspettiva ġenerali jew minn perspettiva speċifika tad-disinn tal-antenna, bħal antenni minjaturizzati jew li jintlibsu, l-impatt ta' ċerti parametri tal-antenna fuq ir-riċeviment tal-enerġija u l-effiċjenza tal-konverżjoni mhuwiex analizzat fid-dettall.
Dan id-dokument jirrevedi t-tekniki tad-disinn tal-antenna fir-rectennas bil-għan li jiddistingwi l-isfidi tad-disinn tal-antenna speċifika tal-RFEH u WPT mid-disinn tal-antenna tal-komunikazzjoni standard. L-antenni huma mqabbla minn żewġ perspettivi: it-tqabbil tal-impedenza minn tarf sa tarf u l-karatteristiċi tar-radjazzjoni; f'kull każ, il-FoM tiġi identifikata u riveduta fl-antenni l-aktar avvanzati (SoA).
2. Bandwidth u Tqabbil: Netwerks RF mhux 50Ω
L-impedenza karatteristika ta '50Ω hija konsiderazzjoni bikrija tal-kompromess bejn attenwazzjoni u qawwa f'applikazzjonijiet ta' inġinerija microwave. Fl-antenni, il-bandwidth tal-impedenza hija definita bħala l-firxa tal-frekwenza fejn il-qawwa riflessa hija inqas minn 10% (S11< - 10 dB). Peress li l-amplifikaturi tal-ħoss baxx (LNAs), l-amplifikaturi tal-qawwa u d-ditekters huma tipikament iddisinjati b'taqbila ta 'impedenza tad-dħul ta' 50Ω, sors ta '50Ω huwa tradizzjonalment referenzjat.
F'rectenna, l-output ta 'l-antenna jiġi direttament mitmugħ fir-rettifikatur, u n-nonlinearity tad-dijodu tikkawża varjazzjoni kbira fl-impedenza tad-dħul, bil-komponent abilità jiddomina. Jekk wieħed jassumi antenna ta '50Ω, l-isfida ewlenija hija li tiddisinja netwerk addizzjonali ta' tqabbil RF biex tittrasforma l-impedenza tad-dħul għall-impedenza tar-rettifikatur fil-frekwenza ta 'interess u tottimizzaha għal livell ta' qawwa speċifiku. F'dan il-każ, bandwidth ta 'impedenza tarf sa tarf hija meħtieġa biex tiżgura konverżjoni effiċjenti ta' RF għal DC. Għalhekk, għalkemm l-antenni jistgħu jiksbu bandwidth teoretikament infinita jew ultra-wisa bl-użu ta 'elementi perjodiċi jew ġeometrija awto-komplimentari, il-bandwidth tar-rectenna se jkun imxekkel min-netwerk ta' tqabbil tar-rettifikatur.
Ġew proposti diversi topoloġiji rectenna biex jinkiseb ħsad ta 'faxxa waħda u multi-faxxa jew WPT billi jimminimizzaw ir-riflessjonijiet u jimmassimizzaw it-trasferiment tal-enerġija bejn l-antenna u r-rettifikatur. Il-Figura 2 turi l-istrutturi tat-topoloġiji rectenna rrappurtati, kategorizzati mill-arkitettura ta 'tqabbil tal-impedenza tagħhom. Tabella 2 turi eżempji ta 'rectennas ta' prestazzjoni għolja fir-rigward tal-bandwidth minn tarf sa tarf (f'dan il-każ, FoM) għal kull kategorija.
Figura 2 Topoloġiji Rectenna mill-perspettiva tal-faxxa tal-frekwenza u t-tqabbil tal-impedenza. (a) Rectenna b'banda waħda b'antenna standard. (b) Rectenna multiband (magħmula minn antenni multipli akkoppjati reċiprokament) b'rettifikatur wieħed u netwerk li jaqbel għal kull medda. (c) Rectenna broadband b'portijiet RF multipli u netwerks ta' tqabbil separati għal kull banda. (d) Rectenna broadband b'antenna broadband u netwerk ta' tqabbil tal-broadband. (e) Rectenna b'medda waħda li tuża antenna żgħira elettrikament imqabbla direttament mar-rettifikatur. (f) Antenna ta 'faxxa waħda, elettrikament kbira b'impedenza kumplessa biex tikkonjuga mar-rettifikatur. (g) Rectenna broadband b'impedenza kumplessa biex tikkonjuga mar-rettifikatur fuq firxa ta' frekwenzi.
Filwaqt li WPT u RFEH ambjentali minn għalf iddedikat huma applikazzjonijiet rectenna differenti, il-kisba ta 'tqabbil minn tarf sa tarf bejn antenna, rettifikatur u tagħbija hija fundamentali biex tinkiseb effiċjenza ta' konverżjoni ta 'enerġija għolja (PCE) minn perspettiva ta' bandwidth. Madankollu, rectennas WPT jiffokaw aktar fuq il-kisba ta 'tqabbil tal-fatturi ta' kwalità ogħla (S11 aktar baxx) biex itejbu l-PCE ta 'faxxa waħda f'ċerti livelli ta' enerġija (topoloġiji a, e u f). Il-wisa 'tal-frekwenza wiesgħa ta' WPT b'medda waħda ttejjeb l-immunità tas-sistema għal detuning, difetti tal-manifattura u parassiti tal-ippakkjar. Min-naħa l-oħra, RFEH rectennas jipprijoritizzaw l-operat multi-band u jappartjenu għal topoloġiji bd u g, peress li d-densità spettrali tal-qawwa (PSD) ta 'faxxa waħda hija ġeneralment aktar baxxa.
3. Disinn ta 'antenna rettangolari
1. Rectenna ta 'frekwenza waħda
Id-disinn ta 'l-antenna ta' rectenna ta 'frekwenza waħda (topoloġija A) huwa prinċipalment ibbażat fuq disinn ta' antenna standard, bħal polarizzazzjoni lineari (LP) jew polarizzazzjoni ċirkolari (CP) garża radjazzjoni fuq il-pjan terren, antenna dipol u antenna F invertita. Rectenna tal-medda differenzjali hija bbażata fuq firxa ta 'kombinazzjoni DC konfigurata b'unitajiet ta' antenna multipli jew kombinazzjoni mħallta ta 'DC u RF ta' unitajiet ta 'garża multipli.
Peress li ħafna mill-antenni proposti huma antenni ta 'frekwenza waħda u jissodisfaw ir-rekwiżiti ta' WPT ta 'frekwenza waħda, meta jfittxu RFEH b'ħafna frekwenza ambjentali, antenni multipli ta' frekwenza waħda huma kkombinati f'rectennas multi-band (topoloġija B) b'soppressjoni ta 'akkoppjar reċiproku u kombinazzjoni DC indipendenti wara ċ-ċirkwit tal-ġestjoni tal-enerġija biex tiżolahom kompletament miċ-ċirkwit ta 'akkwist u konverżjoni RF. Dan jeħtieġ ċirkwiti multipli ta 'ġestjoni tal-enerġija għal kull medda, li jistgħu jnaqqsu l-effiċjenza tal-konvertitur ta' spinta minħabba li l-qawwa DC ta 'faxxa waħda hija baxxa.
2. Antenni RFEH multi-band u broadband
L-RFEH ambjentali ħafna drabi hija assoċjata ma 'akkwist multi-band; għalhekk, ġew proposti varjetà ta 'tekniki għat-titjib tal-wisa' tal-frekwenza ta 'disinji standard ta' antenna u metodi għall-iffurmar ta 'matriċi ta' antenni ta 'banda doppja jew band. F'din it-taqsima, aħna nirrevedu disinji tal-antenni tad-dwana għal RFEHs, kif ukoll antenni klassiċi b'ħafna strixxi bil-potenzjal li jintużaw bħala rectennas.
Coplanar waveguide (CPW) antenni monopoli jokkupaw inqas żona minn antenni tal-garża microstrip bl-istess frekwenza u jipproduċu mewġ LP jew CP, u spiss jintużaw għal rectennas ambjentali broadband. Pjanijiet ta 'riflessjoni jintużaw biex iżidu l-iżolament u jtejbu l-qligħ, li jirriżultaw f'xejriet ta' radjazzjoni simili għall-antenni tal-garża. L-antenni tal-gwida tal-mewġ coplanar slotted jintużaw biex itejbu l-wisa 'tal-frekwenza tal-impedenza għal meded ta' frekwenza multipli, bħal 1.8–2.7 GHz jew 1–3 GHz. L-antenni ta 'slots akkoppjati u l-antenni tal-garża huma wkoll komunement użati f'disinji ta' rectenna multi-band. Il-Figura 3 turi xi antenni multi-band irrappurtati li jużaw aktar minn teknika waħda ta 'titjib tal-wisa' tal-frekwenza.
Figura 3
Tqabbil tal-impedenza tal-antenna-rettifikatur
It-tqabbil ta 'antenna ta' 50Ω ma 'rettifikatur mhux lineari huwa ta' sfida minħabba li l-impedenza tad-dħul tagħha tvarja ħafna bil-frekwenza. Fit-topoloġiji A u B (Figura 2), in-netwerk ta 'tqabbil komuni huwa taqbila LC li juża elementi lumped; madankollu, il-bandwidth relattiv huwa ġeneralment aktar baxx mill-biċċa l-kbira tal-meded ta 'komunikazzjoni. It-tqabbil ta 'stub ta' medda waħda huwa komunement użat f'meded microwave u mewġ millimetriku taħt is-6 GHz, u r-rectennas tal-mewġ millimetriku rrappurtati għandhom bandwidth dejqa intrinsikament minħabba li l-bandwidth tal-PCE tagħhom huwa mxekkel minn soppressjoni armonika tal-output, li jagħmilhom partikolarment adattati għal single- band WPT applikazzjonijiet fil-medda 24 GHz mhux liċenzjata.
Ir-rectennas fit-topoloġiji C u D għandhom netwerks ta 'tqabbil aktar kumplessi. Ġew proposti netwerks ta 'tqabbil tal-linja kompletament distribwiti għat-tqabbil tal-broadband, bi ċirkwit qasir RF block/DC (filtru tal-pass) fil-port tal-ħruġ jew capacitor li jimblokka DC bħala mogħdija tar-ritorn għall-armoniċi tad-dijodu. Il-komponenti tar-rettifikatur jistgħu jiġu sostitwiti b'capacitors interdiġitati ta 'bord ta' ċirkwit stampat (PCB), li huma sintetizzati bl-użu ta 'għodod ta' awtomazzjoni tad-disinn elettroniku kummerċjali. Netwerks oħra ta 'tqabbil ta' rectenna broadband irrappurtati jgħaqqdu elementi f'daqqa għal tqabbil ma 'frekwenzi aktar baxxi u elementi distribwiti għall-ħolqien ta' qasir RF fl-input.
Li tvarja l-impedenza tad-dħul osservata mit-tagħbija permezz ta’ sors (magħrufa bħala t-teknika ta’ ġibda tas-sors) intużat biex jiġi ddisinjat rettifikatur tal-broadband b’57% bandwidth relattiv (1.25–2.25 GHz) u 10% PCE ogħla meta mqabbla ma’ ċirkwiti lumped jew distribwiti . Għalkemm in-netwerks ta 'tqabbil huma tipikament iddisinjati biex jaqblu ma' antenni fuq il-bandwidth kollu ta '50Ω, hemm rapporti fil-letteratura fejn l-antenni tal-broadband ġew konnessi ma' rettifikaturi narrowband.
Netwerks ta 'tqabbil ta' elementi ibridi u elementi distribwiti ntużaw ħafna fit-topoloġiji Ċ u D, b'indutturi u capacitors ta 'serje huma l-elementi lumped l-aktar użati b'mod komuni. Dawn jevitaw strutturi kumplessi bħal capacitors interdiġitati, li jeħtieġu mudellar u fabbrikazzjoni aktar preċiżi minn linji microstrip standard.
Il-qawwa tad-dħul għar-rettifikatur taffettwa l-impedenza tad-dħul minħabba n-nonlinearità tad-dijodu. Għalhekk, ir-rectenna hija ddisinjata biex timmassimizza l-PCE għal livell speċifiku ta 'qawwa tad-dħul u impedenza tat-tagħbija. Peress li d-dijodi huma primarjament impedenza għolja kapaċità fi frekwenzi taħt it-3 GHz, rectennas tal-broadband li jeliminaw in-netwerks ta’ tqabbil jew jimminimizzaw ċirkwiti ta’ tqabbil simplifikati ġew iffukati fuq frekwenzi Prf> 0 dBm u 'l fuq minn 1 GHz, peress li d-dijodi għandhom impedenza kapaċità baxxa u jistgħu jiġu mqabbla sew għall-antenna, u b'hekk jiġi evitat id-disinn ta 'antenni b'reattanza ta' input> 1,000Ω.
Tqabbil ta 'impedenza adattivi jew konfigurabbli mill-ġdid deher f'CMOS rectennas, fejn in-netwerk ta' tqabbil jikkonsisti f'banek u indutturi ta' capacitor fuq iċ-ċippa. Netwerks statiċi ta 'tqabbil CMOS ġew proposti wkoll għal antenni standard ta' 50Ω kif ukoll antenni loop iddisinjati flimkien. Ġie rrappurtat li ditekters tal-qawwa CMOS passivi jintużaw biex jikkontrollaw swiċċijiet li jidderieġu l-output tal-antenna għal rettifikaturi differenti u netwerks li jaqblu skont il-qawwa disponibbli. Ġie propost netwerk ta 'tqabbil li jista' jitqabbel mill-ġdid bl-użu ta 'capacitors tunped tuned, li huwa rfinat permezz ta' rfinar waqt li titkejjel l-impedenza tad-dħul bl-użu ta 'analizzatur tan-netwerk tal-vettur. F'netwerks ta 'tqabbil ta' microstrip li jistgħu jiġu konfigurati mill-ġdid, swiċċijiet tat-transistor tal-effett tal-kamp intużaw biex jaġġustaw l-istubs li jaqblu biex jinkisbu karatteristiċi ta 'dual-band.
Biex titgħallem aktar dwar l-antenni, jekk jogħġbok żur:
Ħin tal-post: Awissu-09-2024
