1. Въведение
Събирането на радиочестотна (RF) енергия (RFEH) и радиационният безжичен пренос на енергия (WPT) са привлекли голям интерес като методи за постигане на устойчиви безжични мрежи без батерии. Ректените са крайъгълният камък на WPT и RFEH системите и оказват значително влияние върху постояннотокова мощност, доставяна към товара. Антенните елементи на ректената влияят пряко върху ефективността на събиране, което може да променя събраната мощност с няколко порядъка. Тази статия разглежда конструкциите на антени, използвани в приложенията на WPT и околния RFEH. Докладваните ректени са класифицирани според два основни критерия: честотната лента на импеданса на изправяне на антената и радиационните характеристики на антената. За всеки критерий се определя и сравнително разглежда коефициентът на качество (FoM) за различните приложения.
Безжичното преносно захранване (WPT) е предложено от Тесла в началото на 20-ти век като метод за предаване на хиляди конски сили. Терминът ректена, който описва антена, свързана с токоизправител за събиране на радиочестотна енергия, се появява през 50-те години на миналия век за приложения за предаване на космическа микровълнова енергия и за захранване на автономни дронове. Всепосочното WPT с голям обхват е ограничено от физическите свойства на средата на разпространение (въздух). Следователно, търговското WPT е ограничено главно до нерадиационен пренос на енергия в близко поле за безжично зареждане на потребителска електроника или RFID.
Тъй като консумацията на енергия на полупроводниковите устройства и безжичните сензорни възли продължава да намалява, става все по-осъществимо захранването на сензорните възли чрез използване на околна радиочестотна енергийна енергия (RFEH) или чрез разпределени нискоенергийни всепосочни предаватели. Безжичните захранващи системи с ултраниска мощност обикновено се състоят от вход за радиочестотно събиране на сигнали, постояннотоково захранване и управление на паметта, както и нискоенергиен микропроцесор и приемо-предавател.
Фигура 1 показва архитектурата на безжичен RFEH възел и често срещаните реализации на RF front-end. Ефективността от край до край на безжичната захранваща система и архитектурата на синхронизираната безжична мрежа за пренос на информация и енергия зависи от производителността на отделните компоненти, като антени, токоизправители и схеми за управление на захранването. Проведени са няколко литературни проучвания за различни части на системата. Таблица 1 обобщава етапа на преобразуване на мощност, ключовите компоненти за ефективно преобразуване на мощност и свързани литературни проучвания за всяка част. По-новата литература се фокусира върху технологията за преобразуване на мощност, топологиите на токоизправителите или мрежово-осъзнати RFEH.
Фигура 1
Дизайнът на антената обаче не се счита за критичен компонент в RFEH. Въпреки че в някои публикации честотната лента и ефективността на антената се разглеждат от обща гледна точка или от гледна точка на специфичен дизайн на антената, като например миниатюрни или носими антени, влиянието на определени параметри на антената върху ефективността на приемане на мощност и преобразуване не е анализирано подробно.
Тази статия разглежда техниките за проектиране на антени в ректенни с цел разграничаване на специфичните предизвикателства при проектирането на антени за RFEH и WPT от стандартното проектиране на комуникационни антени. Антените са сравнени от две гледни точки: съгласуване на импеданса от край до край и характеристики на излъчване; във всеки случай FoM е идентифициран и разгледан в най-съвременните (SoA) антени.
2. Честотна лента и съвпадение: RF мрежи с различна честотна лента от 50Ω
Характерният импеданс от 50Ω е ранен пример за компромис между затихването и мощността в приложенията на микровълновата техника. В антените, импедансната честотна лента се определя като честотния диапазон, където отразената мощност е по-малка от 10% (S11< − 10 dB). Тъй като нискошумовите усилватели (LNA), усилвателите на мощност и детекторите обикновено са проектирани със съгласуване на входния импеданс от 50Ω, традиционно се използва източник от 50Ω.
В ректенна, изходът на антената се подава директно към токоизправителя, а нелинейността на диода причинява големи вариации във входния импеданс, като капацитивният компонент доминира. Ако приемем, че антена е 50Ω, основното предизвикателство е да се проектира допълнителна RF съгласуваща мрежа, която да трансформира входния импеданс в импеданса на токоизправителя при интересуваща ни честота и да го оптимизира за специфично ниво на мощност. В този случай е необходима широчина на честотната лента на импеданса от край до край, за да се осигури ефективно RF в DC преобразуване. Следователно, въпреки че антените могат да постигнат теоретично безкрайна или ултраширока честотна лента, използвайки периодични елементи или самодопълваща се геометрия, честотната лента на ректенната ще бъде ограничена от съгласуващата мрежа на токоизправителя.
Предложени са няколко топологии на ректенни за постигане на еднобандово и многобандово събиране на мощност или WPT чрез минимизиране на отраженията и максимизиране на преноса на мощност между антената и токоизправителя. Фигура 2 показва структурите на докладваните топологии на ректенни, категоризирани по тяхната архитектура за съгласуване на импеданса. Таблица 2 показва примери за високопроизводителни ректенни по отношение на широчината на честотната лента от край до край (в този случай FoM) за всяка категория.
Фигура 2 Топологии на ректенна от гледна точка на честотната лента и съгласуването на импеданса. (a) Еднолентова ректенна със стандартна антена. (b) Многолентова ректенна (съставена от множество взаимно свързани антени) с един токоизправител и съгласуваща мрежа на лента. (c) Широколентова ректенна с множество RF портове и отделни съгласуващи мрежи за всяка лента. (d) Широколентова ректенна с широколентова антена и широколентова съгласуваща мрежа. (e) Еднолентова ректенна, използваща електрически малка антена, директно съгласувана с токоизправителя. (f) Еднолентова, електрически голяма антена със сложен импеданс за спрегване с токоизправителя. (g) Широколентова ректенна със сложен импеданс за спрегване с токоизправителя в диапазон от честоти.
Въпреки че WPT и околният RFEH от специално захранване са различни приложения на ректенните, постигането на цялостно съгласуване между антена, токоизправител и товар е от основно значение за постигане на висока ефективност на преобразуване на мощност (PCE) от гледна точка на честотната лента. Въпреки това, WPT ректенните се фокусират повече върху постигането на по-високо съгласуване на фактора на качество (по-ниско S11), за да подобрят PCE на една лента при определени нива на мощност (топологии a, e и f). Широката честотна лента на еднолентовия WPT подобрява имунитета на системата срещу разстройка, производствени дефекти и паразитни ефекти в опаковката. От друга страна, RFEH ректенните дават приоритет на многолентовата работа и принадлежат към топологии bd и g, тъй като спектралната плътност на мощността (PSD) на една лента обикновено е по-ниска.
3. Правоъгълен дизайн на антената
1. Едночестотна ректена
Дизайнът на антената на едночестотна ректена (топология А) се основава главно на стандартен дизайн на антена, като например излъчваща кръпка с линейна поляризация (LP) или кръгова поляризация (CP) върху заземителната равнина, диполна антена и обърната F-образна антена. Диференциално-лентовата ректена се основава на комбинирана постоянна решетка, конфигурирана с множество антенни единици, или смесена постоянна и радиочестотна комбинация от множество кръпкови единици.
Тъй като много от предложените антени са едночестотни антени и отговарят на изискванията на едночестотната безжична преносна антена (WPT), когато се търси екологична многочестотна радиочестотна енергийна ефективност (RFEH), множество едночестотни антени се комбинират в многолентови ректени (топология B) с взаимно потискане на свързването и независима DC комбинация след веригата за управление на мощността, за да се изолират напълно от веригата за приемане и преобразуване на радиочестотни сигнали. Това изисква множество вериги за управление на мощността за всяка лента, което може да намали ефективността на усилващия преобразувател, тъй като DC мощността на една лента е ниска.
2. Многолентови и широколентови RFEH антени
Екологичните радиочестотни енергийни излучвания (RFEH) често се свързват с многолентово придобиване; следователно са предложени различни техники за подобряване на честотната лента на стандартни антенни конструкции и методи за формиране на двулентови или лентови антенни решетки. В този раздел разглеждаме персонализирани антенни конструкции за RFEH, както и класически многолентови антени с потенциал да бъдат използвани като ректенни.
Монополните антени с копланарни вълноводи (CPW) заемат по-малка площ от микролентовите антени с една и съща честота и произвеждат LP или CP вълни, и често се използват за широколентови ректенни. Отражателните равнини се използват за увеличаване на изолацията и подобряване на усилването, което води до диаграми на излъчване, подобни на тези при ректенните. Шлицовите копланарни вълноводни антени се използват за подобряване на импедансните честотни ленти за множество честотни ленти, като например 1,8–2,7 GHz или 1–3 GHz. Свързани захранвани шлицови антени и антенни с пластир също често се използват в многолентови ректенни конструкции. Фигура 3 показва някои докладвани многолентови антени, които използват повече от една техника за подобряване на честотната лента.
Фигура 3
Съвпадение на импеданса на антена-токоизправител
Съгласуването на 50Ω антена с нелинеен токоизправител е предизвикателство, тъй като входният ѝ импеданс варира значително с честотата. В топологии A и B (Фигура 2), обичайната съгласуваща мрежа е LC съгласуване, използващо групирани елементи; относителната честотна лента обаче обикновено е по-ниска от повечето комуникационни ленти. Еднолентовото съгласуване с късове се използва често в микровълновите и милиметровите вълнови ленти под 6 GHz, а докладваните милиметрови вълнови ректени имат по своята същност тясна честотна лента, тъй като тяхната PCE честотна лента е ограничена от потискане на изходните хармоници, което ги прави особено подходящи за еднолентови WPT приложения в нелицензираната честотна лента от 24 GHz.
Ректените в топологии C и D имат по-сложни съгласуващи мрежи. Предложени са напълно разпределени линейни съгласуващи мрежи за широколентово съгласуване, с RF блок/DC късо съединение (пропускащ филтър) на изходния порт или DC блокиращ кондензатор като обратен път за диодните хармоници. Компонентите на токоизправителя могат да бъдат заменени от печатни платки (PCB) с взаимосвързани кондензатори, които се синтезират с помощта на търговски инструменти за автоматизация на електронното проектиране. Други описани широколентови ректенни съгласуващи мрежи комбинират групови елементи за съгласуване с по-ниски честоти и разпределени елементи за създаване на RF късо съединение на входа.
Промяната на входния импеданс, наблюдаван от товара чрез източник (известна като техника на издърпване на източник), е била използвана за проектиране на широколентов токоизправител с 57% относителна честотна лента (1,25–2,25 GHz) и 10% по-висок PCE в сравнение със схеми с концентрирани или разпределени честоти. Въпреки че съгласуващите мрежи обикновено са проектирани да съгласуват антени по цялата честотна лента от 50 Ω, в литературата има съобщения, където широколентови антени са били свързани към теснолентови токоизправители.
Хибридните мрежи за съгласуване с късови елементи и разпределени елементи са широко използвани в топологии C и D, като последователните индуктори и кондензатори са най-често използваните късови елементи. Те избягват сложни структури, като например взаимосвързани кондензатори, които изискват по-точно моделиране и производство от стандартните микролентови линии.
Входната мощност към токоизправителя влияе върху входния импеданс поради нелинейността на диода. Следователно, токоизправителят е проектиран да максимизира PCE за специфично ниво на входна мощност и импеданс на натоварване. Тъй като диодите са предимно капацитивни с висок импеданс при честоти под 3 GHz, широколентовите токоизправители, които елиминират съгласуващите мрежи или минимизират опростените съгласувателни схеми, са фокусирани върху честоти Prf>0 dBm и над 1 GHz, тъй като диодите имат нисък капацитивен импеданс и могат да бъдат добре съгласувани с антената, като по този начин се избягва проектирането на антени с входни реактивни съпротивления >1000Ω.
Адаптивно или реконфигурируемо импедансно съгласуване е наблюдавано в CMOS ректални схеми, където съгласуващата мрежа се състои от вградени кондензаторни банки и индуктори. Предложени са и статични CMOS съгласуващи мрежи за стандартни 50Ω антени, както и за съвместно проектирани рамкови антени. Съобщава се, че пасивни CMOS детектори на мощност се използват за управление на превключватели, които насочват изхода на антената към различни токоизправители и съгласуващи мрежи в зависимост от наличната мощност. Предложена е реконфигурируема съгласуваща мрежа, използваща концентрирани настройваеми кондензатори, която се настройва чрез фина настройка, докато се измерва входният импеданс с помощта на векторен мрежов анализатор. В реконфигурируемите микролентови съгласуващи мрежи се използват полеви транзистори-превключватели за регулиране на съгласуващите муфи, за да се постигнат двулентови характеристики.
За да научите повече за антените, моля, посетете:
Време на публикуване: 09.08.2024 г.
