1. Introduzzjoni
Il-ġbir tal-enerġija tal-frekwenza tar-radju (RF) (RFEH) u t-trasferiment tal-enerġija mingħajr fili radjattiva (WPT) ġibdu interess kbir bħala metodi biex jinkisbu netwerks mingħajr fili sostenibbli mingħajr batterija. Ir-rectennas huma l-pedament tas-sistemi WPT u RFEH u għandhom impatt sinifikanti fuq l-enerġija DC imwassla lit-tagħbija. L-elementi tal-antenna tar-rectenna jaffettwaw direttament l-effiċjenza tal-ġbir, li tista' tvarja l-enerġija miġbura b'diversi ordnijiet ta' kobor. Dan id-dokument jirrevedi d-disinji tal-antenna użati fl-applikazzjonijiet WPT u RFEH ambjentali. Ir-rectennas irrappurtati huma kklassifikati skont żewġ kriterji ewlenin: il-bandwidth tal-impedenza tar-rettifika tal-antenna u l-karatteristiċi tar-radjazzjoni tal-antenna. Għal kull kriterju, iċ-ċifra tal-mertu (FoM) għal applikazzjonijiet differenti hija determinata u riveduta b'mod komparattiv.
Id-WPT ġie propost minn Tesla fil-bidu tas-seklu 20 bħala metodu biex jittrażmetti eluf ta’ horsepower. It-terminu rectenna, li jiddeskrivi antenna konnessa ma’ rettifikatur biex jiġbor l-enerġija RF, ħareġ fis-snin ħamsin għal applikazzjonijiet ta’ trasmissjoni ta’ enerġija microwave spazjali u biex iħaddem drones awtonomi. Id-WPT omnidirezzjonali u fuq medda twila huwa ristrett mill-proprjetajiet fiżiċi tal-mezz ta’ propagazzjoni (l-arja). Għalhekk, id-WPT kummerċjali huwa prinċipalment limitat għal trasferiment ta’ enerġija mhux radjattiva fil-qrib għall-iċċarġjar mingħajr fili tal-elettronika għall-konsumatur jew RFID.
Hekk kif il-konsum tal-enerġija ta' apparati semikondutturi u nodi tas-sensuri mingħajr fili jkompli jonqos, isir aktar fattibbli li n-nodi tas-sensuri jiġu alimentati bl-użu ta' RFEH ambjentali jew bl-użu ta' trasmettituri omnidirezzjonali b'qawwa baxxa distribwiti. Sistemi ta' enerġija mingħajr fili b'qawwa ultra-baxxa ġeneralment jikkonsistu minn front end ta' akkwist RF, enerġija DC u ġestjoni tal-memorja, u mikroproċessur u transceiver b'qawwa baxxa.
Il-Figura 1 turi l-arkitettura ta' nodu mingħajr fili RFEH u l-implimentazzjonijiet front-end RF irrappurtati b'mod komuni. L-effiċjenza minn tarf sa tarf tas-sistema tal-enerġija mingħajr fili u l-arkitettura tan-netwerk sinkronizzat ta' informazzjoni u trasferiment tal-enerġija mingħajr fili jiddependu fuq il-prestazzjoni ta' komponenti individwali, bħal antenni, rettifikaturi, u ċirkwiti tal-ġestjoni tal-enerġija. Saru diversi stħarriġ tal-letteratura għal partijiet differenti tas-sistema. It-Tabella 1 tiġbor fil-qosor l-istadju tal-konverżjoni tal-enerġija, il-komponenti ewlenin għal konverżjoni effiċjenti tal-enerġija, u stħarriġ tal-letteratura relatata għal kull parti. Letteratura reċenti tiffoka fuq it-teknoloġija tal-konverżjoni tal-enerġija, topoloġiji tar-rettifikaturi, jew RFEH konxju min-netwerk.
Figura 1
Madankollu, id-disinn tal-antenna mhux ikkunsidrat bħala komponent kritiku fl-RFEH. Għalkemm xi letteratura tikkunsidra l-bandwidth u l-effiċjenza tal-antenna minn perspettiva ġenerali jew minn perspettiva speċifika ta' disinn ta' antenna, bħal antenni minjaturizzati jew li jintlibsu, l-impatt ta' ċerti parametri tal-antenna fuq ir-riċeviment tal-enerġija u l-effiċjenza tal-konverżjoni mhux analizzat fid-dettall.
Dan id-dokument jirrevedi t-tekniki tad-disinn tal-antenni fir-rectennas bil-għan li jiddistingwi l-isfidi tad-disinn tal-antenni speċifiċi għall-RFEH u l-WPT mid-disinn standard tal-antenni tal-komunikazzjoni. L-antenni huma mqabbla minn żewġ perspettivi: tqabbil tal-impedenza minn tarf sa tarf u karatteristiċi tar-radjazzjoni; f'kull każ, il-FoM huwa identifikat u rivedut fl-antenni l-aktar avvanzati (SoA).
2. Bandwidth u Tqabbil: Netwerks RF Mhux ta' 50Ω
L-impedenza karatteristika ta' 50Ω hija konsiderazzjoni bikrija tal-kompromess bejn l-attenwazzjoni u l-qawwa fl-applikazzjonijiet tal-inġinerija tal-microwave. Fl-antenni, il-bandwidth tal-impedenza hija definita bħala l-medda ta' frekwenza fejn il-qawwa riflessa hija inqas minn 10% (S11< − 10 dB). Peress li l-amplifikaturi b'ħoss baxx (LNAs), l-amplifikaturi tal-qawwa, u d-ditekters huma tipikament iddisinjati b'tqabbil tal-impedenza tad-dħul ta' 50Ω, tradizzjonalment tintuża referenza għal sors ta' 50Ω.
F'rectenna, l-output tal-antenna jiddaħħal direttament fir-rettifikatur, u n-nonlinearità tad-dijodu tikkawża varjazzjoni kbira fl-impedenza tad-dħul, bil-komponent kapaċittiv jiddomina. Jekk nassumu antenna ta' 50Ω, l-isfida ewlenija hija li jiġi ddisinjat 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, hija meħtieġa bandwidth tal-impedenza minn tarf sa tarf biex tiżgura konverżjoni effiċjenti minn RF għal DC. Għalhekk, għalkemm l-antenni jistgħu jiksbu bandwidth teoretikament infinita jew ultra-wiesgħa bl-użu ta' elementi perjodiċi jew ġeometrija awto-komplementari, il-bandwidth tar-rectenna se tkun imfixkla min-netwerk ta' tqabbil tar-rettifikatur.
Ġew proposti diversi topoloġiji ta' rectenna biex jinkiseb ġbir ta' band waħda u band multipli jew WPT billi jiġu minimizzati r-riflessjonijiet u jiġi massimizzat it-trasferiment tal-enerġija bejn l-antenna u r-rettifikatur. Il-Figura 2 turi l-istrutturi tat-topoloġiji ta' rectenna rrappurtati, kategorizzati skont l-arkitettura tat-tqabbil tal-impedenza tagħhom. It-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 tar-Rectenna mill-perspettiva tat-tqabbil tal-bandwidth u l-impedenza. (a) Rectenna b'banda waħda b'antenna standard. (b) Rectenna multiband (magħmula minn antenni multipli akkoppjati b'mod reċiproku) b'rettifikatur wieħed u netwerk ta' tqabbil għal kull band. (ċ) Rectenna broadband b'portijiet RF multipli u netwerks ta' tqabbil separati għal kull band. (d) Rectenna broadband b'antenna broadband u netwerk ta' tqabbil broadband. (e) Rectenna b'banda waħda bl-użu ta' antenna elettrikament żgħira mqabbla direttament mar-rettifikatur. (f) Antenna b'banda 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 l-WPT u l-RFEH ambjentali minn għalf dedikat huma applikazzjonijiet differenti ta' rectenna, il-kisba ta' tqabbil minn tarf sa tarf bejn l-antenna, ir-rettifikatur u t-tagħbija hija fundamentali biex tinkiseb effiċjenza għolja ta' konverżjoni tal-enerġija (PCE) minn perspettiva ta' bandwidth. Madankollu, ir-rectennas tal-WPT jiffokaw aktar fuq il-kisba ta' tqabbil ta' fatturi ta' kwalità ogħla (S11 aktar baxx) biex itejbu l-PCE ta' band waħda f'ċerti livelli ta' enerġija (topoloġiji a, e u f). Il-bandwidth wiesgħa tal-WPT ta' band waħda ttejjeb l-immunità tas-sistema għad-detuning, id-difetti tal-manifattura u l-parassitiċi tal-ippakkjar. Min-naħa l-oħra, ir-rectennas tal-RFEH jipprijoritizzaw l-operazzjoni multi-band u jappartjenu għat-topoloġiji bd u g, peress li d-densità spettrali tal-enerġija (PSD) ta' band waħda ġeneralment hija aktar baxxa.
3. Disinn ta' antenna rettangolari
1. Rettenna ta' frekwenza waħda
Id-disinn tal-antenna ta' rectenna ta' frekwenza waħda (topoloġija A) huwa prinċipalment ibbażat fuq disinn standard tal-antenna, bħal polarizzazzjoni lineari (LP) jew polarizzazzjoni ċirkolari (CP) li tirradja garża fuq il-pjan tal-art, antenna dipole u antenna F maqluba. Ir-rectenna ta' medda differenzjali hija bbażata fuq firxa ta' kombinazzjoni DC ikkonfigurata b'unitajiet multipli ta' antenna jew kombinazzjoni mħallta DC u RF ta' unitajiet multipli ta' garża.
Peress li ħafna mill-antenni proposti huma antenni ta' frekwenza waħda u jissodisfaw ir-rekwiżiti tad-WPT ta' frekwenza waħda, meta wieħed ifittex RFEH ambjentali ta' frekwenza waħda, antenni multipli ta' frekwenza waħda huma kkombinati f'retenni multi-band (topoloġija B) b'soppressjoni ta' akkoppjar reċiproku u kombinazzjoni indipendenti ta' DC wara ċ-ċirkwit tal-ġestjoni tal-enerġija biex jiġu iżolati kompletament miċ-ċirkwit tal-akkwist u l-konverżjoni RF. Dan jeħtieġ ċirkwiti multipli ta' ġestjoni tal-enerġija għal kull band, li jista' jnaqqas l-effiċjenza tal-konvertitur boost minħabba li l-qawwa DC ta' band waħda hija baxxa.
2. Antenni RFEH multi-band u broadband
L-RFEH ambjentali ħafna drabi huwa assoċjat ma' akkwist multi-band; għalhekk, ġew proposti varjetà ta' tekniki biex tittejjeb il-bandwidth tad-disinji standard tal-antenni u metodi għall-iffurmar ta' matriċi ta' antenni dual-band jew band. F'din it-taqsima, nirrevedu disinji ta' antenni apposta għall-RFEHs, kif ukoll antenni klassiċi multi-band bil-potenzjal li jintużaw bħala rectennas.
Antenni monopole coplanar waveguide (CPW) jokkupaw inqas erja minn antenni microstrip patch fl-istess frekwenza u jipproduċu mewġ LP jew CP, u spiss jintużaw għal rectennas ambjentali broadband. Il-pjani ta' riflessjoni jintużaw biex iżidu l-iżolament u jtejbu l-qligħ, li jirriżulta f'mudelli ta' radjazzjoni simili għal antenni patch. Antenni coplanar waveguide slotted jintużaw biex itejbu l-bandwidths tal-impedenza għal meded ta' frekwenza multipli, bħal 1.8–2.7 GHz jew 1–3 GHz. Antenni slot coupled-fed u antenni patch 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-bandwidth.
Figura 3
Tqabbil tal-Impedenza tal-Antenna-Rettifikatur
It-tqabbil ta' antenna ta' 50Ω ma' rettifikatur mhux lineari huwa ta' sfida għaliex l-impedenza tad-dħul tagħha tvarja ħafna mal-frekwenza. Fit-topoloġiji A u B (Figura 2), in-netwerk ta' tqabbil komuni huwa tqabbil LC li juża elementi f'daqqa; madankollu, il-bandwidth relattiva ġeneralment tkun aktar baxxa mill-biċċa l-kbira tal-meded ta' komunikazzjoni. It-tqabbil ta' stub ta' band waħda huwa komunement użat fil-meded tal-microwave u tal-mewġ millimetru taħt is-6 GHz, u r-rectennas tal-mewġ millimetru rrappurtati għandhom bandwidth intrinsikament dejqa għaliex il-bandwidth tal-PCE tagħhom hija mxekkla mis-soppressjoni armonika tal-ħruġ, li jagħmilhom partikolarment adattati għal applikazzjonijiet WPT ta' band waħda fil-medda mhux liċenzjata ta' 24 GHz.
Ir-rectennas fit-topoloġiji C u D għandhom netwerks ta' tqabbil aktar kumplessi. Netwerks ta' tqabbil ta' linji distribwiti kompletament ġew proposti għal tqabbil broadband, b'RF block/DC short circuit (pass filter) fil-port tal-output jew capacitor li jimblokka d-DC bħala mogħdija ta' ritorn għall-armoniċi tad-dijodi. Il-komponenti tar-rettifikatur jistgħu jiġu sostitwiti b'capacitors interdiġitati ta' printed circuit board (PCB), li huma sintetizzati bl-użu ta' għodod kummerċjali ta' awtomazzjoni tad-disinn elettroniku. Netwerks oħra ta' tqabbil ta' rectenna broadband irrappurtati jikkombinaw elementi f'daqqa għal tqabbil ma' frekwenzi aktar baxxi u elementi distribwiti għall-ħolqien ta' RF short circuit fl-input.
Il-varjazzjoni tal-impedenza tad-dħul osservata mit-tagħbija permezz ta' sors (magħrufa bħala t-teknika tas-sors-ġbid) intużat biex tiddisinja rettifikatur tal-broadband b'bandwidth relattiva ta' 57% (1.25–2.25 GHz) u PCE 10% ogħla meta mqabbel ma' ċirkwiti f'forma ta' aggregat jew distribwiti. Għalkemm in-netwerks ta' tqabbil huma tipikament iddisinjati biex jaqblu ma' antenni fuq il-bandwidth kollha ta' 50Ω, hemm rapporti fil-letteratura fejn antenni tal-broadband ġew konnessi ma' rettifikaturi ta' bandwidth dejqa.
Netwerks ta' tqabbil ibridi b'elementi f'daqqa u b'elementi distribwiti ntużaw ħafna fit-topoloġiji C u D, bl-indutturi u l-kapaċitaturi tas-serje jkunu l-elementi f'daqqa l-aktar użati komunement. Dawn jevitaw strutturi kumplessi bħal kapaċitaturi interdiġitati, li jeħtieġu mmudellar u fabbrikazzjoni aktar preċiżi mil-linji standard tal-mikrostrip.
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 b'impedenza għolja kapaċittiva fi frekwenzi taħt it-3 GHz, ir-rectennas tal-broadband li jeliminaw in-netwerks ta' tqabbil jew jimminimizzaw iċ-ċirkwiti ta' tqabbil simplifikati ġew iffukati fuq frekwenzi Prf>0 dBm u 'l fuq minn 1 GHz, peress li d-dijodi għandhom impedenza kapaċittiva baxxa u jistgħu jitqabblu sew mal-antenna, u b'hekk jiġi evitat id-disinn ta' antenni b'reattanzi tad-dħul >1,000Ω.
Tqabbil tal-impedenza adattiv jew rikonfigurabbli deher f'rectennas CMOS, fejn in-netwerk ta' tqabbil jikkonsisti minn banek ta' kapaċitaturi u indutturi on-chip. Netwerks ta' tqabbil CMOS statiċi 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 lejn rettifikaturi u netwerks ta' tqabbil differenti skont il-qawwa disponibbli. Ġie propost netwerk ta' tqabbil rikonfigurabbli bl-użu ta' kapaċitaturi aġġustabbli f'daqqa, li huwa aġġustat permezz ta' rfinar filwaqt li titkejjel l-impedenza tad-dħul bl-użu ta' analizzatur tan-netwerk vettorjali. Fin-netwerks ta' tqabbil ta' microstrip rikonfigurabbli, intużaw swiċċijiet tat-transistor tal-effett tal-kamp biex jaġġustaw l-istubs tal-tqabbil biex jinkisbu karatteristiċi ta' dual-band.
Biex titgħallem aktar dwar l-antenni, jekk jogħġbok żur:
Ħin tal-posta: 09 ta' Awwissu 2024
