1.Pengenalan
Penuaian tenaga frekuensi radio (RF) (RFEH) dan pemindahan kuasa wayarles sinaran (WPT) telah menarik minat yang besar sebagai kaedah untuk mencapai rangkaian wayarles mampan tanpa bateri. Rectennas ialah asas kepada sistem WPT dan RFEH dan mempunyai kesan yang ketara pada kuasa DC yang dihantar ke beban. Elemen antena rektenna secara langsung mempengaruhi kecekapan penuaian, yang boleh mengubah kuasa penuaian mengikut beberapa urutan magnitud. Kertas kerja ini mengkaji reka bentuk antena yang digunakan dalam WPT dan aplikasi 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 disemak secara perbandingan.
WPT telah dicadangkan oleh Tesla pada awal abad ke-20 sebagai kaedah untuk menghantar beribu-ribu kuasa kuda. Istilah rectenna, yang menerangkan antena yang disambungkan kepada penerus untuk menuai kuasa RF, muncul pada tahun 1950-an untuk aplikasi penghantaran kuasa gelombang mikro angkasa dan untuk menggerakkan dron autonomi. Omnidirectional, WPT jarak jauh dikekang oleh sifat fizikal medium perambatan (udara). Oleh itu, WPT komersial terutamanya terhad kepada pemindahan kuasa bukan sinaran medan dekat untuk pengecasan elektronik pengguna tanpa wayar atau RFID.
Memandangkan penggunaan kuasa peranti semikonduktor dan nod penderia wayarles terus berkurangan, ia menjadi lebih sesuai untuk menghidupkan nod penderia menggunakan RFEH ambien atau menggunakan pemancar omniarah kuasa rendah teragih. Sistem kuasa wayarles ultra-rendah biasanya terdiri daripada bahagian hadapan pemerolehan RF, kuasa DC dan pengurusan memori, dan mikropemproses dan transceiver berkuasa rendah.
Rajah 1 menunjukkan seni bina nod wayarles RFEH dan pelaksanaan bahagian hadapan RF yang biasa dilaporkan. Kecekapan hujung ke hujung sistem kuasa wayarles dan seni bina maklumat wayarles yang disegerakkan dan rangkaian pemindahan kuasa bergantung pada prestasi komponen individu, seperti antena, penerus dan litar pengurusan kuasa. Beberapa tinjauan literatur telah dijalankan untuk bahagian sistem yang berlainan. Jadual 1 meringkaskan peringkat penukaran kuasa, komponen utama untuk penukaran kuasa yang cekap, dan tinjauan literatur yang berkaitan untuk setiap bahagian. Literatur terkini memfokuskan pada teknologi penukaran kuasa, topologi penerus atau RFEH yang sedar rangkaian.
Rajah 1
Walau bagaimanapun, reka bentuk antena tidak dianggap sebagai komponen kritikal dalam RFEH. Walaupun sesetengah literatur menganggap lebar jalur dan kecekapan antena dari perspektif keseluruhan atau dari perspektif reka bentuk antena tertentu, seperti antena miniatur atau boleh pakai, kesan parameter antena tertentu pada penerimaan kuasa dan kecekapan penukaran tidak dianalisis secara terperinci.
Kertas kerja ini mengkaji teknik reka bentuk antena dalam rektenna dengan matlamat membezakan cabaran reka bentuk antena khusus RFEH dan WPT daripada reka bentuk antena komunikasi standard. Antena dibandingkan dari dua perspektif: pemadanan impedans hujung ke hujung dan ciri sinaran; dalam setiap kes, FoM dikenal pasti dan disemak dalam antena tercanggih (SoA).
2. Lebar Jalur dan Padanan: Rangkaian RF Bukan 50Ω
Impedans ciri 50Ω adalah pertimbangan awal kompromi antara pengecilan dan kuasa dalam aplikasi kejuruteraan gelombang mikro. Dalam antena, lebar jalur impedans ditakrifkan sebagai julat frekuensi di mana kuasa yang dipantulkan 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 dirujuk secara tradisional.
Dalam rectenna, output antena disalurkan terus ke dalam penerus, dan ketaklinearan diod menyebabkan variasi besar dalam galangan 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 kekerapan faedah dan mengoptimumkannya untuk tahap kuasa tertentu. Dalam kes ini, jalur lebar impedans hujung ke hujung diperlukan untuk memastikan penukaran RF ke DC yang cekap. Oleh itu, walaupun antena boleh mencapai lebar jalur tak terhingga atau ultra lebar secara teorinya menggunakan elemen berkala atau geometri pelengkap diri, lebar jalur rektenna akan disekat oleh rangkaian pemadanan penerus.
Beberapa topologi rectenna 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 rectenna yang dilaporkan, dikategorikan oleh seni bina padanan impedansnya. Jadual 2 menunjukkan contoh rectenna 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) Rektenna berbilang jalur (terdiri daripada berbilang antena yang digandingkan bersama) dengan satu penerus dan rangkaian yang sepadan bagi setiap jalur. (c) Rectenna jalur lebar dengan berbilang port RF dan rangkaian padanan berasingan untuk setiap jalur. (d) Rektenna jalur lebar dengan antena jalur lebar dan rangkaian padanan jalur lebar. (e) Rektenna jalur tunggal menggunakan antena kecil elektrik yang dipadankan terus dengan penerus. (f) Jalur tunggal, antena besar elektrik dengan galangan kompleks untuk bersambung dengan penerus. (g) Rectenna jalur lebar dengan impedans kompleks untuk bergabung dengan penerus pada julat frekuensi.
Walaupun WPT dan RFEH ambien daripada suapan khusus adalah aplikasi rectenna 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. Namun begitu, WPT rectennas 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 lebar jalur tunggal WPT meningkatkan imuniti sistem terhadap detuning, kecacatan pembuatan dan parasit pembungkusan. Sebaliknya, rectenna RFEH mengutamakan operasi berbilang jalur dan tergolong dalam topologi bd dan g, kerana ketumpatan spektrum kuasa (PSD) bagi satu jalur secara amnya lebih rendah.
3. Reka bentuk antena segi empat tepat
1. Rectenna frekuensi tunggal
Reka bentuk antena rektenna frekuensi tunggal (topologi A) terutamanya berdasarkan reka bentuk antena standard, seperti polarisasi linear (LP) atau tampalan penyinaran polarisasi bulat (CP) pada satah tanah, antena dipole dan antena F terbalik. Rectenna jalur pembezaan adalah berdasarkan tatasusunan gabungan DC yang dikonfigurasikan dengan berbilang unit antena atau gabungan DC dan RF gabungan berbilang unit tampung.
Memandangkan kebanyakan antena yang dicadangkan adalah antena frekuensi tunggal dan memenuhi keperluan WPT frekuensi tunggal, apabila mencari RFEH berbilang frekuensi alam sekitar, antena berbilang frekuensi tunggal digabungkan menjadi rektenna berbilang jalur (topologi B) dengan penindasan gandingan bersama dan gabungan DC bebas selepas litar pengurusan kuasa untuk mengasingkan sepenuhnya mereka daripada pemerolehan RF dan litar penukaran. 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 alam sekitar sering dikaitkan dengan pemerolehan berbilang jalur; oleh itu, pelbagai teknik telah dicadangkan untuk menambah baik lebar jalur reka bentuk antena standard dan kaedah untuk membentuk tatasusunan 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 rectenna.
Antena monopole pandu gelombang Coplanar (CPW) menduduki kawasan yang kurang daripada antena tampalan jalur mikro pada frekuensi yang sama dan menghasilkan gelombang LP atau CP, dan sering digunakan untuk rektenna alam sekitar jalur lebar. Satah pantulan digunakan untuk meningkatkan pengasingan dan meningkatkan keuntungan, menghasilkan corak sinaran yang serupa dengan antena tampalan. Antena pandu gelombang coplanar berslot digunakan untuk meningkatkan lebar jalur impedans untuk berbilang jalur frekuensi, seperti 1.8–2.7 GHz atau 1–3 GHz. Antena slot berpasangan dan antena tampalan juga biasa digunakan dalam reka bentuk rektenna berbilang jalur. Rajah 3 menunjukkan beberapa antena berbilang jalur yang dilaporkan yang menggunakan lebih daripada satu teknik peningkatan lebar jalur.
Rajah 3
Pemadanan Impedans Penerus Antena
Memadankan antena 50Ω kepada penerus tak linear adalah mencabar kerana impedans inputnya sangat berbeza mengikut kekerapan. Dalam topologi A dan B (Rajah 2), rangkaian padanan biasa ialah padanan LC menggunakan elemen terkumpul; walau bagaimanapun, jalur lebar relatif biasanya lebih rendah daripada kebanyakan jalur komunikasi. Padanan stub jalur tunggal biasanya digunakan dalam gelombang mikro dan jalur gelombang milimeter di bawah 6 GHz, dan rektenna gelombang milimeter yang dilaporkan mempunyai lebar jalur yang sempit kerana jalur lebar PCE mereka disekat oleh penindasan harmonik output, yang menjadikannya sangat sesuai untuk satu- aplikasi WPT jalur dalam jalur tidak berlesen 24 GHz.
Rectenna dalam topologi C dan D mempunyai rangkaian padanan yang lebih kompleks. Rangkaian pemadanan talian yang diedarkan sepenuhnya telah dicadangkan untuk pemadanan jalur lebar, dengan litar pintas blok RF/DC (penapis pas) di port keluaran atau kapasitor penyekat DC sebagai laluan balik untuk harmonik diod. Komponen penerus boleh digantikan dengan kapasitor interdigitated papan litar bercetak (PCB), yang disintesis menggunakan alat automasi reka bentuk elektronik komersial. Rangkaian pemadanan rectenna jalur lebar lain yang dilaporkan menggabungkan elemen terkumpul untuk pemadanan dengan frekuensi yang lebih rendah dan elemen teragih untuk mencipta RF pendek pada input.
Mengubah galangan 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 padanan biasanya direka untuk memadankan antena pada keseluruhan lebar jalur 50Ω, terdapat laporan dalam literatur yang mana antena jalur lebar telah disambungkan kepada penerus jalur sempit.
Rangkaian padanan unsur terkumpul hibrid dan unsur teragih telah digunakan secara meluas dalam topologi C dan D, dengan induktor dan kapasitor siri merupakan unsur terkumpul yang paling biasa digunakan. Ini mengelakkan struktur kompleks seperti kapasitor interdigitated, yang memerlukan pemodelan dan fabrikasi yang lebih tepat daripada garis jalur mikro standard.
Kuasa input kepada penerus mempengaruhi galangan input disebabkan oleh ketaklinearan diod. Oleh itu, rectenna direka bentuk untuk memaksimumkan PCE untuk tahap kuasa input tertentu dan galangan beban. Memandangkan diod terutamanya bergalangan tinggi kapasitif 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 di atas 1 GHz, kerana diod mempunyai galangan kapasitif yang rendah dan boleh dipadankan dengan baik. ke antena, dengan itu mengelakkan reka bentuk antena dengan reaktansi input >1,000Ω.
Padanan impedans boleh suai atau boleh dikonfigurasikan semula telah dilihat dalam rectenna CMOS, di mana rangkaian padanan terdiri daripada bank kapasitor dan induktor pada cip. Rangkaian padanan CMOS statik juga telah dicadangkan untuk antena 50Ω standard serta antena gelung rekaan bersama. Telah dilaporkan bahawa pengesan kuasa CMOS pasif digunakan untuk mengawal suis yang mengarahkan output antena ke penerus yang berbeza dan rangkaian yang sepadan bergantung pada kuasa yang ada. Rangkaian padanan yang boleh dikonfigurasikan semula menggunakan kapasitor boleh tala bergumpal telah dicadangkan, yang ditala dengan penalaan halus sambil mengukur impedans input menggunakan penganalisis rangkaian vektor. Dalam rangkaian padanan jalur mikro 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 lawati:
Masa siaran: Ogos-09-2024
