1.Introduksjon
Radiofrekvens (RF) energihøsting (RFEH) og radiativ trådløs kraftoverføring (WPT) har tiltrukket seg stor interesse som metoder for å oppnå batterifrie bærekraftige trådløse nettverk. Rectennaer er hjørnesteinen i WPT- og RFEH-systemer og har en betydelig innvirkning på DC-kraften som leveres til lasten. Antenneelementene til rektenna påvirker høsteeffektiviteten direkte, som kan variere den høstede kraften med flere størrelsesordener. Denne artikkelen gjennomgår antennedesignene som brukes i WPT og ambient RFEH-applikasjoner. De rapporterte rektennene er klassifisert i henhold til to hovedkriterier: båndbredden for antennelikingimpedansen og strålingskarakteristikkene til antennen. For hvert kriterium fastsettes verdien (FoM) for ulike søknader og vurderes sammenlignende.
WPT ble foreslått av Tesla på begynnelsen av 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 overføring av rommikrobølgekraft og for å drive autonome droner. Omnidireksjonell, langdistanse WPT er begrenset av de fysiske egenskapene til forplantningsmediet (luft). Derfor er kommersiell WPT hovedsakelig begrenset til nærfelt ikke-strålende kraftoverføring for trådløs forbrukerelektronikklading eller RFID.
Ettersom strømforbruket til halvlederenheter og trådløse sensornoder fortsetter å avta, blir det mer mulig å drive sensornoder ved å bruke RFEH i omgivelsene eller ved å bruke distribuerte rundstrålende sendere med lav effekt. Trådløse strømsystemer med ultralav effekt består vanligvis av en RF-innsamlingsgrensesnitt, DC-strøm og minneadministrasjon, og en laveffekts mikroprosessor og sender/mottaker.
Figur 1 viser arkitekturen til en trådløs RFEH-node og de ofte rapporterte RF-frontend-implementeringene. End-to-end-effektiviteten til det trådløse strømsystemet og arkitekturen til det synkroniserte trådløse informasjons- og strømoverføringsnettverket avhenger av ytelsen til individuelle komponenter, slik som antenner, likerettere og strømstyringskretser. Det er gjennomført flere litteraturundersøkelser for ulike deler av systemet. Tabell 1 oppsummerer effektkonverteringsstadiet, nøkkelkomponenter for effektiv kraftkonvertering og relaterte litteraturundersøkelser for hver del. Nyere litteratur fokuserer på kraftkonverteringsteknologi, likerettertopologier eller nettverksbevisste RFEH.
Figur 1
Imidlertid anses ikke antennedesign som en kritisk komponent i RFEH. Selv om noe litteratur vurderer antennebåndbredde og effektivitet fra et overordnet perspektiv eller fra et spesifikt antennedesignperspektiv, for eksempel miniatyriserte eller bærbare antenner, blir ikke virkningen av visse antenneparametere på strømmottak og konverteringseffektivitet analysert i detalj.
Denne artikkelen gjennomgår antennedesignteknikker i rektennaer med mål om å skille RFEH- og WPT-spesifikke antennedesignutfordringer fra standard kommunikasjonsantennedesign. Antenner sammenlignes fra to perspektiver: ende-til-ende impedanstilpasning og strålingskarakteristikk; i hvert tilfelle blir FoM identifisert og gjennomgått 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 kraft i mikrobølgetekniske applikasjoner. I antenner er impedansbåndbredden definert som frekvensområdet der den reflekterte effekten er mindre enn 10 % (S11< − 10 dB). Siden lavstøyforsterkere (LNA), effektforsterkere og detektorer typisk er utformet med en 50Ω inngangsimpedansmatch, er en 50Ω-kilde tradisjonelt referert til.
I en rektenne mates utgangen fra antennen direkte inn i likeretteren, og diodens ikke-linearitet forårsaker en stor variasjon i inngangsimpedansen, med den kapasitive komponenten som dominerer. Forutsatt en 50Ω-antenne, er hovedutfordringen å designe et ekstra RF-tilpasningsnettverk for å transformere inngangsimpedansen til impedansen til likeretteren ved den aktuelle frekvensen og optimalisere den for et spesifikt effektnivå. I dette tilfellet kreves ende-til-ende-impedansbåndbredde for å sikre effektiv RF til DC-konvertering. Derfor, selv om antenner kan oppnå teoretisk uendelig eller ultrabred båndbredde ved bruk av periodiske elementer eller selvkomplementær geometri, vil båndbredden til rektenna bli flaskehalset av likerettertilpasningsnettverket.
Flere rektenne-topologier er foreslått for å oppnå enkeltbånds- og multibåndshøsting eller WPT ved å minimere refleksjoner og maksimere kraftoverføringen mellom antennen og likeretteren. Figur 2 viser strukturene til de rapporterte rektenna-topologiene, kategorisert etter deres impedanstilpasningsarkitektur. Tabell 2 viser eksempler på høyytelses rektennaer med hensyn til ende-til-ende-båndbredde (i dette tilfellet FoM) for hver kategori.
Figur 2 Rectenna-topologier fra perspektivet til båndbredde- og impedanstilpasning. (a) Enkeltbånds rektenne med standardantenne. (b) Flerbåndsrektenne (sammensatt av flere gjensidig koblede antenner) med en likeretter og matchende nettverk per bånd. (c) Bredbåndsrektenna med flere RF-porter og separate matchende nettverk for hvert bånd. (d) Bredbåndsrektenne med bredbåndsantenne og bredbåndstilpasningsnett. (e) Enkeltbånds rektenne som bruker en elektrisk liten antenne som er direkte tilpasset til likeretteren. (f) Enkeltbånds, elektrisk stor antenne med kompleks impedans for å konjugere med likeretteren. (g) Bredbåndsrektenne med kompleks impedans for å konjugere med likeretteren over en rekke frekvenser.
Mens WPT og ambient RFEH fra dedikert feed er forskjellige rektennaapplikasjoner, er det grunnleggende å oppnå ende-til-ende-matching mellom antenne, likeretter og last for å oppnå høy effektkonverteringseffektivitet (PCE) fra et båndbreddeperspektiv. Ikke desto mindre fokuserer WPT-rektennaer mer på å oppnå høyere kvalitetsfaktortilpasning (lavere S11) for å forbedre enkeltbånds PCE ved visse effektnivåer (topologier a, e og f). Den brede båndbredden til enkeltbånds WPT forbedrer systemets immunitet mot avstemming, produksjonsfeil og pakkeparasitter. På den annen side prioriterer RFEH-rektennaer flerbåndsdrift og tilhører topologiene bd og g, da effektspektraltettheten (PSD) til et enkelt bånd generelt er lavere.
3. Rektangulær antennedesign
1. Enkelfrekvent rektenna
Antennedesignet til enfrekvent rektenne (topologi A) er hovedsakelig basert på standard antennedesign, for eksempel lineær polarisering (LP) eller sirkulær polarisering (CP) utstrålende patch på jordplanet, dipolantenne og invertert F-antenne. Differensialbåndrektenna er basert på DC-kombinasjonsarray konfigurert med flere antenneenheter eller blandet DC- og RF-kombinasjon av flere patchenheter.
Siden mange av de foreslåtte antennene er enkeltfrekvensantenner og oppfyller kravene til enkeltfrekvens WPT, blir flere enkeltfrekvensantenner kombinert til flerbåndsrektenner (topologi B) med gjensidig koblingsundertrykkelse når det søkes om miljømessig multifrekvens RFEH. uavhengig DC-kombinasjon etter strømstyringskretsen 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. Multibånd og bredbånd RFEH-antenner
Miljømessige RFEH er ofte forbundet med multi-band anskaffelse; derfor har en rekke teknikker blitt foreslått for å forbedre båndbredden til standard antennedesign og fremgangsmåter for å danne dual-band eller bånd antenne arrays. I denne delen gjennomgår vi tilpassede antennedesign for RFEH-er, så vel som klassiske flerbåndsantenner med potensial til å brukes som rektenner.
Coplanar waveguide (CPW) monopolantenner opptar mindre areal enn mikrostrip patch-antenner med samme frekvens og produserer LP- eller CP-bølger, og brukes ofte til bredbåndsmiljørektenner. Refleksjonsplan brukes til å øke isolasjonen og forbedre forsterkning, noe som resulterer i strålingsmønstre som ligner på patch-antenner. Slissede koplanare bølgelederantenner brukes til å forbedre impedansbåndbredder for flere frekvensbånd, for eksempel 1,8–2,7 GHz eller 1–3 GHz. Koblet-matede sporantenner og patch-antenner er også ofte brukt i flerbånds rektennedesign. Figur 3 viser noen rapporterte flerbåndsantenner som bruker mer enn én båndbreddeforbedringsteknikk.
Figur 3
Antenne-likeretter impedanstilpasning
Å matche en 50Ω-antenne til en ikke-lineær likeretter er utfordrende fordi inngangsimpedansen varierer mye med frekvensen. I topologi A og B (Figur 2), er det felles matchende nettverket en LC-match ved bruk av klumpete elementer; den relative båndbredden er imidlertid vanligvis lavere enn de fleste kommunikasjonsbånd. Single-band stub matching brukes ofte i mikrobølge- og millimeterbølgebånd under 6 GHz, og de rapporterte millimeterbølge-rektennene har en iboende smal båndbredde fordi deres PCE-båndbredde er flaskehals av utgangsharmonisk undertrykkelse, noe som gjør dem spesielt egnet for enkelt- bånd WPT-applikasjoner i 24 GHz ulisensiert bånd.
Rektennaene i topologiene C og D har mer komplekse matchende nettverk. Fullt distribuerte linjetilpasningsnettverk har blitt foreslått for bredbåndstilpasning, med en RF-blokk/DC-kortslutning (passfilter) ved utgangsporten eller en DC-blokkerende kondensator som en returvei for diodeharmoniske. Likeretterkomponentene kan erstattes av interdigiterte kondensatorer med trykt kretskort (PCB), som er syntetisert ved hjelp av kommersielle elektroniske designautomatiseringsverktøy. Andre rapporterte bredbåndsrektenna-tilpasningsnettverk kombinerer sammenklumpede elementer for tilpasning til lavere frekvenser og distribuerte elementer for å skape en RF-kortslutning ved inngangen.
Variering av inngangsimpedansen observert av belastningen 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 matchende nettverk vanligvis er designet for å matche antenner over hele 50Ω-båndbredden, er det rapporter i litteraturen hvor bredbåndsantenner har blitt koblet til smalbåndslikerettere.
Hybride klumpelement- og distribuerte elementtilpasningsnettverk har blitt mye brukt i topologier C og D, med serieinduktorer og kondensatorer som de mest brukte klumpelementene. Disse unngår komplekse strukturer som interdigiterte kondensatorer, som krever mer nøyaktig modellering og fabrikasjon enn standard mikrostrip-linjer.
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 høyimpedanser ved frekvenser under 3 GHz, har bredbåndsrektenner som eliminerer matchende nettverk eller minimerer forenklede matchende kretser blitt fokusert på frekvenser Prf>0 dBm og over 1 GHz, siden diodene har lav kapasitiv impedans og kan tilpasses godt. til antennen, og unngår dermed utformingen av antenner med inngangsreaktanser >1000Ω.
Adaptiv eller rekonfigurerbar impedanstilpasning har blitt sett i CMOS-rektennaer, der det matchende nettverket består av kondensatorbanker og induktorer på brikken. Statiske CMOS-tilpasningsnettverk har også blitt foreslått for standard 50Ω-antenner så vel som samdesignede sløyfeantenner. Det har blitt rapportert at passive CMOS-strømdetektorer brukes til å kontrollere brytere som dirigerer utgangen fra antennen til forskjellige likerettere og matchende nettverk avhengig av tilgjengelig effekt. Det har blitt foreslått et rekonfigurerbart matchende nettverk ved bruk av klumpede avstembare kondensatorer, som er innstilt ved finjustering mens inngangsimpedansen måles ved hjelp av en vektornettverksanalysator. I rekonfigurerbare mikrostrip-tilpasningsnettverk har felteffekttransistorbrytere blitt brukt for å justere matchende stubber for å oppnå dual-band-karakteristikk.
For å lære mer om antenner, vennligst besøk:
Innleggstid: Aug-09-2024
