1. Introduksjon
Radiofrekvens (RF) energihøsting (RFEH) og radiativ trådløs kraftoverføring (WPT) har vakt stor interesse som metoder for å oppnå batterifrie bærekraftige trådløse nettverk. Rektenner er hjørnesteinen i WPT- og RFEH-systemer og har en betydelig innvirkning på likestrømseffekten som leveres til lasten. Antenneelementene i rektennen påvirker direkte høstingseffektiviteten, noe som kan variere den høstede effekten med flere størrelsesordener. Denne artikkelen gjennomgår antennedesignene som brukes i WPT- og omgivende RFEH-applikasjoner. De rapporterte rektennene er klassifisert i henhold til to hovedkriterier: antennens likeretterimpedansbåndbredde og antennens strålingsegenskaper. For hvert kriterium bestemmes og sammenlignes verdien av verdien (FoM) for forskjellige applikasjoner.
WPT ble foreslått av Tesla tidlig på 1900-tallet som en metode for å overføre tusenvis av hestekrefter. Begrepet rectenna, som beskriver en antenne koblet til en likeretter for å høste RF-kraft, dukket opp på 1950-tallet for applikasjoner for mikrobølgekraftoverføring i rommet og for å drive autonome droner. Omnidireksjonell, langtrekkende WPT er begrenset av de fysiske egenskapene til forplantningsmediet (luft). Derfor er kommersiell WPT hovedsakelig begrenset til ikke-strålende kraftoverføring i nærfeltet for trådløs lading av forbrukerelektronikk eller RFID.
Etter hvert som strømforbruket til halvlederenheter og trådløse sensornoder fortsetter å synke, blir det mer praktisk å drive sensornoder ved hjelp av omgivelses-RFEH eller ved hjelp av distribuerte lavstrøms omnidireksjonelle sendere. Ultralavstrøms trådløse strømforsyningssystemer består vanligvis av en RF-opptaksfrontend, likestrøms- og minnestyring, og en lavstrøms mikroprosessor og transceiver.
Figur 1 viser arkitekturen til en trådløs RFEH-node og de vanlige rapporterte RF-frontend-implementeringene. Den ende-til-ende-effektiviteten til det trådløse strømforsyningssystemet og arkitekturen til det synkroniserte trådløse informasjons- og strømoverføringsnettverket avhenger av ytelsen til individuelle komponenter, for eksempel antenner, likerettere og strømstyringskretser. Flere litteraturundersøkelser har blitt utført for forskjellige deler av systemet. Tabell 1 oppsummerer effektomformingstrinnet, nøkkelkomponenter for effektiv effektomforming og relaterte litteraturundersøkelser for hver del. Nyere litteratur fokuserer på effektomformingsteknologi, likerettertopologier eller nettverksbevisst RFEH.
Figur 1
Antennedesign anses imidlertid ikke som en kritisk komponent i RFEH. Selv om noe litteratur vurderer antennebåndbredde og effektivitet fra et helhetlig perspektiv eller fra et spesifikt antennedesignperspektiv, for eksempel miniatyriserte eller bærbare antenner, analyseres ikke virkningen av visse antenneparametere på effektmottak og konverteringseffektivitet i detalj.
Denne artikkelen gjennomgår antennedesignteknikker i rektangler med mål om å skille RFEH- og WPT-spesifikke antennedesignutfordringer fra standard kommunikasjonsantennedesign. Antenner sammenlignes fra to perspektiver: ende-til-ende impedansmatching og strålingskarakteristikker; i hvert tilfelle identifiseres og gjennomgås FoM i de nyeste (SoA) antennene.
2. Båndbredde og matching: Ikke-50Ω RF-nettverk
Den karakteristiske impedansen på 50Ω er en tidlig vurdering av kompromisset mellom demping og effekt i mikrobølgetekniske applikasjoner. I antenner er impedansbåndbredden definert som frekvensområdet der den reflekterte effekten er mindre enn 10 % (S11< − 10 dB). Siden lavstøyforsterkere (LNA-er), effektforsterkere og detektorer vanligvis er designet med en inngangsimpedansmatching på 50Ω, refereres tradisjonelt til en 50Ω kilde.
I en rektenna mates antennens utgang direkte inn i likeretteren, og diodens ikke-linearitet forårsaker en stor variasjon i inngangsimpedansen, der den kapasitive komponenten dominerer. Forutsatt en 50Ω antenne, er hovedutfordringen å designe et ekstra RF-tilpasningsnettverk for å transformere inngangsimpedansen til likeretterens impedans ved den aktuelle frekvensen og optimalisere den for et spesifikt effektnivå. I dette tilfellet kreves det ende-til-ende impedansbåndbredde for å sikre effektiv RF til DC-konvertering. Selv om antenner kan oppnå teoretisk uendelig eller ultrabred båndbredde ved hjelp av periodiske elementer eller selvkomplementær geometri, vil båndbredden til rektennaen derfor bli flaskehalset av likeretterens tilpasningsnettverk.
Flere rektennetopologier har blitt foreslått for å oppnå enkeltbånds- og flerbåndshøsting eller WPT ved å minimere refleksjoner og maksimere effektoverføring mellom antennen og likeretteren. Figur 2 viser strukturene til de rapporterte rektennetopologiene, kategorisert etter deres impedansmatchingsarkitektur. Tabell 2 viser eksempler på høyytelsesrektenner med hensyn til ende-til-ende-båndbredde (i dette tilfellet FoM) for hver kategori.
Figur 2 Rektennetopologier sett fra perspektivet til båndbredde- og impedanstilpasning. (a) Enkeltbåndsrektenne med standardantenne. (b) Flerbåndsrektenne (sammensatt av flere gjensidig koblede antenner) med én likeretter og tilpasningsnettverk per bånd. (c) Bredbåndsrektenne med flere RF-porter og separate tilpasningsnettverk for hvert bånd. (d) Bredbåndsrektenne med bredbåndsantenne og bredbåndstilpasningsnettverk. (e) Enkeltbåndsrektenne som bruker en elektrisk liten antenne direkte tilpasset likeretteren. (f) Enkeltbånds, elektrisk stor antenne med kompleks impedans for konjugering med likeretteren. (g) Bredbåndsrektenne med kompleks impedans for konjugering med likeretteren over et frekvensområde.
Selv om WPT og omgivende RFEH fra dedikert mating er forskjellige rektenneapplikasjoner, er det grunnleggende å oppnå ende-til-ende-samsvar mellom antenne, likeretter og last for å oppnå høy effektomformingseffektivitet (PCE) fra et båndbreddeperspektiv. Likevel fokuserer WPT-rektenner mer på å oppnå høyere kvalitetsfaktorsamsvar (lavere S11) for å forbedre enkeltbånds-PCE ved visse effektnivåer (topologiene a, e og f). Den brede båndbredden til enkeltbånds-WPT forbedrer systemets immunitet mot avstemming, produksjonsfeil og pakkeparasitter. På den annen side prioriterer RFEH-rektenner flerbåndsdrift og tilhører topologiene bd og g, ettersom effektspektraltettheten (PSD) til et enkelt bånd generelt er lavere.
3. Rektangulær antennedesign
1. Enkeltfrekvens rektenna
Antennedesignet til enfrekvensrektenna (topologi A) er hovedsakelig basert på standard antennedesign, slik som lineær polarisering (LP) eller sirkulær polarisering (CP) med utstrålende patch på jordplanet, dipolantenne og invertert F-antenne. Differensialbåndrektenna er basert på en DC-kombinasjonsmatrise konfigurert med flere antenneenheter eller en blandet DC- og RF-kombinasjon av flere patchenheter.
Siden mange av de foreslåtte antennene er enkeltfrekvensantenner og oppfyller kravene til enkeltfrekvens-WPT, kombineres flere enkeltfrekvensantenner til flerbåndsrektenner (topologi B) med gjensidig koblingsundertrykkelse og uavhengig DC-kombinasjon etter strømstyringskretsen når man søker miljømessig flerfrekvens RFEH, for å isolere dem fullstendig fra RF-innsamlings- og konverteringskretsen. Dette krever flere strømstyringskretser for hvert bånd, noe som kan redusere effektiviteten til boost-omformeren fordi DC-effekten til et enkelt bånd er lav.
2. Multibånds- og bredbånds-RFEH-antenner
Miljømessig RFEH er ofte assosiert med flerbåndsopptak; derfor har en rekke teknikker blitt foreslått for å forbedre båndbredden til standard antennedesign og metoder for å danne dobbeltbånds- eller båndantennematriser. I denne delen gjennomgår vi tilpassede antennedesign for RFEH-er, samt klassiske flerbåndsantenner med potensial til å bli brukt som rektenner.
Koplanære bølgelederantenner (CPW) monopolantenner opptar mindre areal enn mikrostrip-patchantenner ved samme frekvens og produserer LP- eller CP-bølger, og brukes ofte til bredbåndsrektenner i omgivelsene. Refleksjonsplan brukes til å øke isolasjonen og forbedre forsterkningen, noe som resulterer i strålingsmønstre som ligner på patchantenner. Slissede koplanære bølgelederantenner brukes til å forbedre impedansbåndbredder for flere frekvensbånd, for eksempel 1,8–2,7 GHz eller 1–3 GHz. Koplingsmatede slotantenner og patchantenner brukes også ofte i flerbåndsrektennedesign. Figur 3 viser noen rapporterte flerbåndsantenner som bruker mer enn én båndbreddeforbedringsteknikk.
Figur 3
Antenne-likeretter impedanstilpasning
Det er utfordrende å matche en 50Ω-antenne til en ikke-lineær likeretter fordi inngangsimpedansen varierer sterkt med frekvensen. I topologiene A og B (figur 2) er det vanlige matchingsnettverket en LC-match som bruker klumpede elementer; den relative båndbredden er imidlertid vanligvis lavere enn i de fleste kommunikasjonsbånd. Enkeltbånds stub-matching brukes ofte i mikrobølge- og millimeterbølgebånd under 6 GHz, og de rapporterte millimeterbølge-rektennene har en iboende smal båndbredde fordi PCE-båndbredden deres er flaskehalset av undertrykkelse av utgangsharmonisk, noe som gjør dem spesielt egnet for enkeltbånds WPT-applikasjoner i det ulisensierte 24 GHz-båndet.
Rektennene i topologiene C og D har mer komplekse matching-nettverk. Fullt distribuerte linjematching-nettverk har blitt foreslått for bredbåndsmatching, med en RF-blokkering/DC-kortslutning (passfilter) ved utgangsporten eller en DC-blokkerende kondensator som returvei for diodeharmoniske. Likeretterkomponentene kan erstattes av sammenflettede kondensatorer på kretskort (PCB), som syntetiseres ved hjelp av kommersielle verktøy for elektronisk designautomatisering. Andre rapporterte bredbåndsrektennematching-nettverk kombinerer klumpede elementer for matching til lavere frekvenser og distribuerte elementer for å lage en RF-kortslutning ved inngangen.
Å variere inngangsimpedansen observert av lasten gjennom en kilde (kjent som source-pull-teknikken) har blitt brukt til å designe en bredbåndslikeretter med 57 % relativ båndbredde (1,25–2,25 GHz) og 10 % høyere PCE sammenlignet med klumpede eller distribuerte kretser. Selv om matching-nettverk vanligvis er designet for å matche antenner over hele 50Ω-båndbredden, finnes det rapporter i litteraturen der bredbåndsantenner har blitt koblet til smalbåndslikerettere.
Hybride matchingnettverk med klumpete elementer og distribuerte elementer har blitt mye brukt i topologiene C og D, der serieinduktorer og kondensatorer er de mest brukte klumpete elementene. Disse unngår komplekse strukturer som sammenflettede kondensatorer, som krever mer nøyaktig modellering og fabrikasjon enn standard mikrostriplinjer.
Inngangseffekten til likeretteren påvirker inngangsimpedansen på grunn av diodens ikke-linearitet. Derfor er rektennaen designet for å maksimere PCE for et spesifikt inngangseffektnivå og lastimpedans. Siden dioder primært er kapasitive med høy impedans ved frekvenser under 3 GHz, har bredbåndsrektennaer som eliminerer matchingnettverk eller minimerer forenklede matchingkretser, fokusert på frekvenser Prf > 0 dBm og over 1 GHz, siden diodene har lav kapasitiv impedans og kan tilpasses godt til antennen, og dermed unngår man design av antenner med inngangsreaktanser > 1000 Ω.
Adaptiv eller rekonfigurerbar impedanstilpasning har blitt observert i CMOS-rektenner, der tilpasningsnettverket består av kondensatorbanker og induktorer på brikken. Statiske CMOS-tilpasningsnettverk har også blitt foreslått for standard 50Ω-antenner, samt samdesignede sløyfeantenner. Det har blitt rapportert at passive CMOS-effektdetektorer brukes til å kontrollere brytere som dirigerer antennens utgang til forskjellige likerettere og tilpasningsnettverk, avhengig av tilgjengelig effekt. Et rekonfigurerbart tilpasningsnettverk som bruker klumpede, avstemmbare kondensatorer, har blitt foreslått, som finjusteres mens inngangsimpedansen måles ved hjelp av en vektornettverksanalysator. I rekonfigurerbare mikrostrip-tilpasningsnettverk har felteffekttransistorbrytere blitt brukt til å justere tilpasningsstubbene for å oppnå dobbeltbåndskarakteristikker.
For å lære mer om antenner, vennligst besøk:
Publisert: 09.08.2024
