1.Въведение
Радиочестотното (RF) събиране на енергия (RFEH) и радиационният безжичен трансфер на енергия (WPT) привлякоха голям интерес като методи за постигане на устойчиви безжични мрежи без батерии. Ректените са крайъгълният камък на WPT и RFEH системите и имат значително влияние върху постоянната мощност, доставена на товара. Антенните елементи на ректената пряко влияят върху ефективността на събиране, което може да променя събраната мощност с няколко порядъка. Този документ прави преглед на дизайна на антената, използван в WPT и RFEH приложения на околната среда. Докладваните ректени се класифицират според два основни критерия: честотната лента на изправителния импеданс на антената и радиационните характеристики на антената. За всеки критерий се определя показателят за достойнство (FoM) за различни приложения и се преглежда сравнително.
WPT е предложен от Тесла в началото на 20 век като метод за предаване на хиляди конски сили. Терминът rectenna, който описва антена, свързана към токоизправител за събиране на радиочестотна мощност, се появява през 50-те години на миналия век за космически микровълнови приложения за предаване на енергия и за захранване на автономни дронове. Всепосочната WPT на дълги разстояния е ограничена от физическите свойства на средата за разпространение (въздух). Следователно комерсиалният WPT е ограничен главно до нерадиационен пренос на енергия в близко поле за безжично зареждане на потребителска електроника или RFID.
Тъй като консумацията на енергия от полупроводникови устройства и безжични сензорни възли продължава да намалява, става по-осъществимо захранването на сензорни възли с помощта на околна RFEH или използване на разпределени всепосочни предаватели с ниска мощност. Безжичните захранващи системи с изключително ниска мощност обикновено се състоят от преден край за получаване на RF, управление на постояннотоково захранване и памет и микропроцесор и трансивър с ниска мощност.
Фигура 1 показва архитектурата на RFEH безжичен възел и често съобщаваните RF предни реализации. Ефективността от край до край на безжичната енергийна система и архитектурата на синхронизираната безжична мрежа за пренос на информация и мощност зависи от производителността на отделните компоненти, като антени, токоизправители и схеми за управление на захранването. Проведени са няколко проучвания на литературата за различни части на системата. Таблица 1 обобщава етапа на преобразуване на мощността, ключовите компоненти за ефективно преобразуване на мощността и съответните литературни проучвания за всяка част. Последната литература се фокусира върху технологията за преобразуване на мощността, токоизправителните топологии или мрежово ориентираните RFEH.
Фигура 1
Дизайнът на антената обаче не се счита за критичен компонент в RFEH. Въпреки че част от литературата разглежда честотната лента и ефективността на антената от цялостна гледна точка или от гледна точка на специфичен дизайн на антената, като например миниатюрни или носими антени, въздействието на определени параметри на антената върху ефективността на приемане на мощност и преобразуване не се анализира подробно.
Тази статия прави преглед на техниките за проектиране на антени в ректени с цел разграничаване на специфичните RFEH и WPT предизвикателства при проектирането на антени от стандартния дизайн на комуникационна антена. Антените се сравняват от две гледни точки: съгласуване на импеданса от край до край и характеристики на излъчване; във всеки случай, FoM се идентифицира и преглежда в най-съвременните (SoA) антени.
2. Широчина на честотната лента и съвпадение: RF мрежи без 50Ω
Характерният импеданс от 50 Ω е ранно разглеждане на компромиса между затихване и мощност в микровълнови инженерни приложения. В антените честотната лента на импеданса се определя като честотния диапазон, където отразената мощност е по-малка от 10% (S11< − 10 dB). Тъй като усилвателите с нисък шум (LNA), усилвателите на мощността и детекторите обикновено са проектирани с съвпадение на входния импеданс от 50 Ω, традиционно се използва източник от 50 Ω.
В ректената изходът на антената се подава директно в токоизправителя и нелинейността на диода причинява голяма промяна във входния импеданс, като капацитивният компонент е доминиращ. Ако приемем 50Ω антена, основното предизвикателство е да се проектира допълнителна радиочестотна съгласувателна мрежа, която да трансформира входния импеданс в импеданса на токоизправителя при интересуващата ни честота и да го оптимизира за конкретно ниво на мощност. В този случай е необходима импедансна честотна лента от край до край, за да се осигури ефективно преобразуване на RF към DC. Следователно, въпреки че антените могат да постигнат теоретично безкрайна или свръхширока честотна лента, използвайки периодични елементи или самодопълваща се геометрия, честотната лента на ректената ще бъде ограничена от мрежата за съвпадение на токоизправителя.
Бяха предложени няколко ректенни топологии за постигане на еднолентово и многолентово събиране или WPT чрез минимизиране на отраженията и максимизиране на преноса на мощност между антената и токоизправителя. Фигура 2 показва структурите на докладваните топологии на ректената, категоризирани според тяхната архитектура за съвпадение на импеданса. Таблица 2 показва примери за високоефективни ректени по отношение на честотната лента от край до край (в този случай FoM) за всяка категория.
Фигура 2 Топологии на Rectenna от гледна точка на съвпадение на честотната лента и импеданса. (a) Еднолентова ректена със стандартна антена. (b) Многолентова ректена (съставена от множество взаимно свързани антени) с един токоизправител и съвпадаща мрежа на лента. (c) Широколентова ректена с множество RF портове и отделни съвпадащи мрежи за всяка лента. (d) Широколентова ректена с широколентова антена и широколентова съгласувателна мрежа. (e) Еднолентова ректена, използваща електрически малка антена, директно съгласувана с токоизправителя. (f) Еднолентова, електрически голяма антена с комплексен импеданс за свързване с токоизправителя. (ж) Широколентова ректена с комплексен импеданс за свързване с токоизправителя в диапазон от честоти.
Докато WPT и околният RFEH от специално захранване са различни rectenna приложения, постигането на съвпадение от край до край между антена, токоизправител и товар е фундаментално за постигане на висока ефективност на преобразуване на мощност (PCE) от гледна точка на честотната лента. Независимо от това, WPT ректените се фокусират повече върху постигането на по-високо съвпадение на коефициента на качество (по-нисък S11), за да подобрят еднолентовия PCE при определени нива на мощност (топологии a, e и f). Широката честотна лента на еднолентовия WPT подобрява устойчивостта на системата към разстройване, производствени дефекти и паразитни опаковки. От друга страна, RFEH ректените дават приоритет на многолентовата работа и принадлежат към топологиите bd и g, тъй като спектралната плътност на мощността (PSD) на единична лента обикновено е по-ниска.
3. Правоъгълен дизайн на антената
1. Едночестотна ректена
Дизайнът на антената на едночестотна ректена (топология A) се основава главно на стандартен дизайн на антената, като линейна поляризация (LP) или кръгова поляризация (CP) излъчваща петна върху земната равнина, диполна антена и обърната F антена. Ректената на диференциалната лента се основава на DC комбинирана решетка, конфигурирана с множество антенни модули или смесена DC и RF комбинация от множество модули за свързване.
Тъй като много от предложените антени са едночестотни антени и отговарят на изискванията на едночестотни WPT, когато се търси многочестотен RFEH в околната среда, 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 ги изолирате напълно от RF веригата за придобиване и преобразуване. 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
RFEH в околната среда често се свързва с многолентово придобиване; поради това са предложени различни техники за подобряване на честотната лента на стандартни дизайни на антени и методи за формиране на двулентови или лентови антенни решетки. В този раздел ние преглеждаме персонализирани дизайни на антени за RFEH, както и класически многолентови антени с потенциал да се използват като ректени.
Монополните антени с копланарни вълноводи (CPW) заемат по-малко площ от микролентовите антени при същата честота и произвеждат LP или CP вълни и често се използват за широколентови ректени за околната среда. Отражателните равнини се използват за увеличаване на изолацията и подобряване на усилването, което води до модели на излъчване, подобни на тези на антените. Слотираните копланарни вълноводни антени се използват за подобряване на честотните ленти на импеданса за множество честотни ленти, като 1,8–2,7 GHz или 1–3 GHz. Слот антени със свързано захранване и пач антени също често се използват в дизайни на многолентови ректени. 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 неговият входен импеданс варира значително с честотата. В топологии A и B (Фигура 2), общата съвпадаща мрежа е LC съвпадение, използващо групирани елементи; обаче относителната честотна лента обикновено е по-ниска от повечето комуникационни ленти. Еднолентовото съвпадение обикновено се използва в микровълнови и милиметрови ленти под 6 GHz, а докладваните ректени с милиметрови вълни имат присъща тясна честотна лента, тъй като тяхната PCE честотна лента е ограничена от потискане на изходните хармоници, което ги прави особено подходящи за единични честотни WPT приложения в 24 GHz нелицензирана лента.
Ректените в топологии C и D имат по-сложни съвпадащи мрежи. Предложени са напълно разпределени мрежи за съпоставяне на линии за широколентово съпоставяне, с RF блок/DC късо съединение (пропусков филтър) на изходния порт или DC блокиращ кондензатор като обратен път за диодни хармоници. Компонентите на токоизправителя могат да бъдат заменени с междуцифрови кондензатори на печатни платки (PCB), които се синтезират с помощта на търговски инструменти за автоматизация на електронния дизайн. Други съобщени широколентови ректенни съвпадащи мрежи комбинират групирани елементи за съпоставяне с по-ниски честоти и разпределени елементи за създаване на RF късо съединение на входа.
Промяната на входния импеданс, наблюдаван от товара през източник (известен като техника за изтегляне на източника), е използван за проектиране на широколентов токоизправител с 57% относителна честотна лента (1,25–2,25 GHz) и 10% по-висока PCE в сравнение със групирани или разпределени вериги . Въпреки че съвпадащите мрежи обикновено са проектирани да съвпадат с антени по цялата честотна лента от 50 Ω, в литературата има съобщения, където широколентови антени са били свързани към теснолентови токоизправители.
Хибридните съвпадащи мрежи с групирани елементи и с разпределени елементи са широко използвани в топологиите C и D, като серийните индуктори и кондензатори са най-често използваните групирани елементи. По този начин се избягват сложни структури, като кондензатори с двойни пръстени, които изискват по-точно моделиране и производство от стандартните микролентови линии.
Входната мощност към токоизправителя влияе върху входния импеданс поради нелинейността на диода. Следователно ректената е проектирана да максимизира PCE за конкретно ниво на входна мощност и импеданс на натоварване. Тъй като диодите са предимно капацитивни с висок импеданс при честоти под 3 GHz, широколентовите ректени, които елиминират съвпадащите мрежи или минимизират опростените съвпадащи вериги, са фокусирани върху честоти Prf>0 dBm и над 1 GHz, тъй като диодите имат нисък капацитивен импеданс и могат да бъдат добре съгласувани към антената, като по този начин се избягва проектирането на антени с входно реактивно съпротивление >1000Ω.
Адаптивно или преконфигурируемо съгласуване на импеданса се наблюдава в CMOS ректени, където съгласуващата мрежа се състои от вградени в чип кондензаторни батерии и индуктори. Статични CMOS съвпадащи мрежи също са предложени за стандартни 50Ω антени, както и съвместно проектирани рамкови антени. Съобщава се, че пасивните CMOS детектори за мощност се използват за управление на превключватели, които насочват изхода на антената към различни токоизправители и съвпадащи мрежи в зависимост от наличната мощност. Предложена е реконфигурируема съгласувателна мрежа, използваща групирани регулируеми кондензатори, която се настройва чрез фина настройка, докато се измерва входният импеданс с помощта на векторен мрежов анализатор. В реконфигурируеми мрежи за съвпадение на микроленти, транзисторни превключватели с полеви ефекти са използвани за регулиране на съвпадащите пънове за постигане на двулентови характеристики.
За да научите повече за антените, моля посетете:
Време на публикуване: 09 август 2024 г
