1. Pengenalan
Penuaian tenaga frekuensi radio (RF) (RFEH) dan pemindahan kuasa tanpa wayar radiasi (WPT) telah menarik minat yang besar sebagai kaedah untuk mencapai rangkaian tanpa wayar lestari bebas bateri. Rectenna merupakan asas sistem WPT dan RFEH dan mempunyai impak yang ketara terhadap kuasa DC yang dihantar ke beban. Elemen antena rectenna secara langsung mempengaruhi kecekapan penuaian, yang boleh mengubah kuasa penuaian sebanyak beberapa peringkat magnitud. Kertas kerja ini mengulas reka bentuk antena yang digunakan dalam aplikasi WPT dan RFEH ambien. Rectenna yang dilaporkan dikelaskan mengikut dua kriteria utama: lebar jalur impedans pembetulan antena dan ciri sinaran antena. Bagi setiap kriteria, angka merit (FoM) untuk aplikasi yang berbeza ditentukan dan dikaji secara perbandingan.
WPT telah dicadangkan oleh Tesla pada awal abad ke-20 sebagai kaedah untuk menghantar ribuan kuasa kuda. Istilah rectenna, yang menggambarkan antena yang disambungkan kepada penerus untuk menuai kuasa RF, muncul pada tahun 1950-an untuk aplikasi penghantaran kuasa gelombang mikro angkasa lepas dan untuk menggerakkan dron autonomi. WPT jarak jauh omnidirectional dikekang oleh sifat fizikal medium perambatan (udara). Oleh itu, WPT komersial terutamanya terhad kepada pemindahan kuasa bukan radiasi medan dekat untuk pengecasan elektronik pengguna tanpa wayar atau RFID.
Memandangkan penggunaan kuasa peranti semikonduktor dan nod sensor tanpa wayar terus berkurangan, adalah lebih sesuai untuk memberi kuasa kepada nod sensor menggunakan RFEH ambien atau menggunakan pemancar omnidirectional berkuasa rendah teragih. Sistem kuasa tanpa wayar berkuasa ultra rendah biasanya terdiri daripada bahagian hadapan pemerolehan RF, pengurusan kuasa dan memori DC, dan mikropemproses dan transceiver berkuasa rendah.
Rajah 1 menunjukkan seni bina nod tanpa wayar RFEH dan pelaksanaan bahagian hadapan RF yang biasa dilaporkan. Kecekapan hujung ke hujung sistem kuasa tanpa wayar dan seni bina rangkaian pemindahan maklumat dan kuasa tanpa wayar yang disegerakkan bergantung pada prestasi komponen individu, seperti antena, penerus dan litar pengurusan kuasa. Beberapa tinjauan literatur telah dijalankan untuk bahagian sistem yang berbeza. Jadual 1 meringkaskan peringkat penukaran kuasa, komponen utama untuk penukaran kuasa yang cekap dan tinjauan literatur berkaitan untuk setiap bahagian. Literatur terkini memberi tumpuan kepada teknologi penukaran kuasa, topologi penerus atau RFEH yang peka rangkaian.
Rajah 1
Walau bagaimanapun, reka bentuk antena tidak dianggap sebagai komponen kritikal dalam RFEH. Walaupun sesetengah literatur mempertimbangkan lebar jalur dan kecekapan antena dari perspektif keseluruhan atau dari perspektif reka bentuk antena tertentu, seperti antena mini atau boleh pakai, kesan parameter antena tertentu terhadap penerimaan kuasa dan kecekapan penukaran tidak dianalisis secara terperinci.
Kertas kerja ini mengulas teknik reka bentuk antena dalam rektena dengan matlamat untuk membezakan cabaran reka bentuk antena khusus RFEH dan WPT daripada reka bentuk antena komunikasi standard. Antena dibandingkan dari dua perspektif: padanan impedans hujung ke hujung dan ciri sinaran; dalam setiap kes, FoM dikenal pasti dan dikaji semula dalam antena canggih (SoA).
2. Lebar Jalur dan Padanan: Rangkaian RF Bukan 50Ω
Impedans ciri 50Ω merupakan pertimbangan awal bagi kompromi antara pelemahan dan kuasa dalam aplikasi kejuruteraan gelombang mikro. Dalam antena, lebar jalur impedans ditakrifkan sebagai julat frekuensi di mana kuasa pantulan adalah kurang daripada 10% (S11< − 10 dB). Memandangkan penguat hingar rendah (LNA), penguat kuasa dan pengesan biasanya direka bentuk dengan padanan impedans input 50Ω, sumber 50Ω secara tradisinya dirujuk.
Dalam rektena, output antena dimasukkan terus ke dalam penerus, dan ketaklinearan diod menyebabkan variasi yang besar dalam impedans input, dengan komponen kapasitif mendominasi. Dengan mengandaikan antena 50Ω, cabaran utama adalah untuk mereka bentuk rangkaian pemadanan RF tambahan untuk mengubah impedans input kepada impedans penerus pada frekuensi yang diingini dan mengoptimumkannya untuk tahap kuasa tertentu. Dalam kes ini, lebar jalur impedans hujung ke hujung diperlukan untuk memastikan penukaran RF kepada DC yang cekap. Oleh itu, walaupun antena boleh mencapai lebar jalur ultra lebar atau tak terhingga secara teorinya menggunakan elemen berkala atau geometri pelengkap kendiri, lebar jalur rektena akan disekat oleh rangkaian pemadanan penerus.
Beberapa topologi rektena telah dicadangkan untuk mencapai penuaian jalur tunggal dan berbilang jalur atau WPT dengan meminimumkan pantulan dan memaksimumkan pemindahan kuasa antara antena dan penerus. Rajah 2 menunjukkan struktur topologi rektena yang dilaporkan, dikategorikan mengikut seni bina padanan impedansnya. Jadual 2 menunjukkan contoh rektena berprestasi tinggi berkenaan dengan lebar jalur hujung ke hujung (dalam kes ini, FoM) untuk setiap kategori.
Rajah 2 Topologi Rectenna dari perspektif padanan lebar jalur dan impedans. (a) Rectenna jalur tunggal dengan antena standard. (b) Rectenna berbilang jalur (terdiri daripada berbilang antena yang saling digandingkan) dengan satu penerus dan rangkaian yang sepadan setiap jalur. (c) Rectenna jalur lebar dengan berbilang port RF dan rangkaian yang sepadan berasingan untuk setiap jalur. (d) Rectenna jalur lebar dengan antena jalur lebar dan rangkaian yang sepadan jalur lebar. (e) Rectenna jalur tunggal menggunakan antena kecil elektrik yang dipadankan terus dengan penerus. (f) Antena jalur tunggal, besar elektrik dengan impedans kompleks untuk berkonjugasi dengan penerus. (g) Rectenna jalur lebar dengan impedans kompleks untuk berkonjugasi dengan penerus pada julat frekuensi.
Walaupun WPT dan RFEH ambien daripada suapan khusus merupakan aplikasi rektenna yang berbeza, mencapai padanan hujung ke hujung antara antena, penerus dan beban adalah asas untuk mencapai kecekapan penukaran kuasa tinggi (PCE) dari perspektif lebar jalur. Walau bagaimanapun, rektenna WPT lebih menumpukan pada mencapai padanan faktor kualiti yang lebih tinggi (S11 yang lebih rendah) untuk meningkatkan PCE jalur tunggal pada tahap kuasa tertentu (topologi a, e dan f). Lebar jalur WPT jalur tunggal yang luas meningkatkan imuniti sistem terhadap penyahtalaan, kecacatan pembuatan dan parasit pembungkusan. Sebaliknya, rektenna RFEH mengutamakan operasi berbilang jalur dan tergolong dalam topologi bd dan g, kerana ketumpatan spektrum kuasa (PSD) jalur tunggal secara amnya lebih rendah.
3. Reka bentuk antena segi empat tepat
1. Rectena frekuensi tunggal
Reka bentuk antena bagi rekten frekuensi tunggal (topologi A) terutamanya berdasarkan reka bentuk antena standard, seperti tompokan pancaran polarisasi linear (LP) atau polarisasi bulat (CP) pada satah tanah, antena dipol dan antena F terbalik. Rectenna jalur pembezaan adalah berdasarkan susunan gabungan DC yang dikonfigurasikan dengan berbilang unit antena atau gabungan DC dan RF campuran berbilang unit tampalan.
Memandangkan kebanyakan antena yang dicadangkan adalah antena frekuensi tunggal dan memenuhi keperluan WPT frekuensi tunggal, apabila mencari RFEH berbilang frekuensi persekitaran, berbilang antena frekuensi tunggal digabungkan menjadi rektena berbilang jalur (topologi B) dengan penindasan gandingan bersama dan gabungan DC bebas selepas litar pengurusan kuasa untuk mengasingkannya sepenuhnya daripada litar pemerolehan dan penukaran RF. Ini memerlukan berbilang litar pengurusan kuasa untuk setiap jalur, yang mungkin mengurangkan kecekapan penukar rangsangan kerana kuasa DC bagi satu jalur adalah rendah.
2. Antena RFEH berbilang jalur dan jalur lebar
RFEH persekitaran sering dikaitkan dengan pemerolehan berbilang jalur; oleh itu, pelbagai teknik telah dicadangkan untuk meningkatkan lebar jalur reka bentuk antena standard dan kaedah untuk membentuk susunan antena dwi-jalur atau jalur. Dalam bahagian ini, kami menyemak reka bentuk antena tersuai untuk RFEH, serta antena berbilang jalur klasik yang berpotensi untuk digunakan sebagai rektena.
Antena monopole pandu gelombang koplanar (CPW) menduduki kawasan yang lebih kecil berbanding antena tampalan mikrojalur pada frekuensi yang sama dan menghasilkan gelombang LP atau CP, dan sering digunakan untuk rektum persekitaran jalur lebar. Satah pantulan digunakan untuk meningkatkan pengasingan dan meningkatkan gandaan, menghasilkan corak sinaran yang serupa dengan antena tampalan. Antena pandu gelombang koplanar bercorak digunakan untuk meningkatkan lebar jalur impedans untuk berbilang jalur frekuensi, seperti 1.8–2.7 GHz atau 1–3 GHz. Antena slot bergandingan dan antena tampalan juga biasa digunakan dalam reka bentuk rektum berbilang jalur. Rajah 3 menunjukkan beberapa antena berbilang jalur yang dilaporkan yang menggunakan lebih daripada satu teknik penambahbaikan lebar jalur.
Rajah 3
Padanan Impedans Antena-Penerus
Memadankan antena 50Ω dengan penerus tak linear adalah mencabar kerana impedans inputnya sangat berbeza mengikut frekuensi. Dalam topologi A dan B (Rajah 2), rangkaian pemadanan biasa ialah padanan LC menggunakan elemen terkumpul; walau bagaimanapun, lebar jalur relatif biasanya lebih rendah daripada kebanyakan jalur komunikasi. Pemadanan rintisan jalur tunggal biasanya digunakan dalam jalur gelombang mikro dan gelombang milimeter di bawah 6 GHz, dan rekta gelombang milimeter yang dilaporkan mempunyai lebar jalur yang sempit secara semula jadi kerana lebar jalur PCE mereka disekat oleh penindasan harmonik output, yang menjadikannya sangat sesuai untuk aplikasi WPT jalur tunggal dalam jalur tidak berlesen 24 GHz.
Rectena dalam topologi C dan D mempunyai rangkaian pemadanan yang lebih kompleks. Rangkaian pemadanan talian teragih sepenuhnya telah dicadangkan untuk pemadanan jalur lebar, dengan litar pintas blok RF/DC (penapis lulus) pada port output atau kapasitor penyekat DC sebagai laluan kembali untuk harmonik diod. Komponen penerus boleh digantikan dengan kapasitor antara digit papan litar bercetak (PCB), yang disintesis menggunakan alat automasi reka bentuk elektronik komersial. Rangkaian pemadanan rectena jalur lebar lain yang dilaporkan menggabungkan elemen terkumpul untuk pemadanan dengan frekuensi yang lebih rendah dan elemen teragih untuk mencipta litar pintas RF pada input.
Mengubah impedans input yang diperhatikan oleh beban melalui sumber (dikenali sebagai teknik tarik sumber) telah digunakan untuk mereka bentuk penerus jalur lebar dengan lebar jalur relatif 57% (1.25–2.25 GHz) dan PCE 10% lebih tinggi berbanding litar terkumpul atau teragih. Walaupun rangkaian yang sepadan biasanya direka bentuk untuk memadankan antena sepanjang lebar jalur 50Ω keseluruhan, terdapat laporan dalam literatur di mana antena jalur lebar telah disambungkan kepada penerus jalur sempit.
Rangkaian padanan elemen terkumpul dan elemen teragih hibrid telah digunakan secara meluas dalam topologi C dan D, dengan induktor dan kapasitor siri sebagai elemen terkumpul yang paling biasa digunakan. Ini mengelakkan struktur kompleks seperti kapasitor interdigit, yang memerlukan pemodelan dan fabrikasi yang lebih tepat daripada talian mikrojalur standard.
Kuasa input kepada penerus mempengaruhi impedans input disebabkan oleh ketaklinearan diod. Oleh itu, rektenna direka bentuk untuk memaksimumkan PCE untuk tahap kuasa input dan impedans beban tertentu. Memandangkan diod terutamanya mempunyai impedans kapasitif tinggi pada frekuensi di bawah 3 GHz, rektenna jalur lebar yang menghapuskan rangkaian padanan atau meminimumkan litar padanan yang dipermudahkan telah difokuskan pada frekuensi Prf>0 dBm dan ke atas 1 GHz, memandangkan diod mempunyai impedans kapasitif yang rendah dan boleh dipadankan dengan baik dengan antena, sekali gus mengelakkan reka bentuk antena dengan reaktans input >1,000Ω.
Padanan impedans adaptif atau boleh dikonfigurasikan semula telah dilihat dalam rektenna CMOS, di mana rangkaian padanan terdiri daripada bank kapasitor atas cip dan induktor. Rangkaian padanan CMOS statik juga telah dicadangkan untuk antena 50Ω standard serta antena gelung yang direka bentuk bersama. Telah dilaporkan bahawa pengesan kuasa CMOS pasif digunakan untuk mengawal suis yang mengarahkan output antena ke penerus dan rangkaian padanan yang berbeza bergantung pada kuasa yang tersedia. Rangkaian padanan yang boleh dikonfigurasikan semula menggunakan kapasitor boleh tala terkumpul telah dicadangkan, yang ditala dengan penalaan halus semasa mengukur impedans input menggunakan penganalisis rangkaian vektor. Dalam rangkaian padanan mikrojalur yang boleh dikonfigurasikan semula, suis transistor kesan medan telah digunakan untuk melaraskan stub padanan untuk mencapai ciri dwi-jalur.
Untuk mengetahui lebih lanjut tentang antena, sila layari:
Masa siaran: 9 Ogos 2024
