1. Įvadas
Radijo dažnių (RF) energijos surinkimas (RFEH) ir spinduliavimo belaidis energijos perdavimas (WPT) sulaukė didelio susidomėjimo kaip metodai, skirti sukurti tvarius belaidžius tinklus be baterijų. Tiesiosios antenos yra WPT ir RFEH sistemų kertinis akmuo ir daro didelę įtaką apkrovai tiekiamai nuolatinei srovei. Tiesiosios antenos elementai tiesiogiai veikia surinkimo efektyvumą, kuris gali pakeisti surinktą galią keliais dydžio eilėmis. Šiame straipsnyje apžvelgiamos antenų konstrukcijos, naudojamos WPT ir aplinkos RFEH taikymuose. Aprašomos tiesiosios antenos klasifikuojamos pagal du pagrindinius kriterijus: antenos išlyginamosios varžos pralaidumą ir antenos spinduliuotės charakteristikas. Kiekvienam kriterijui nustatomas ir palyginamas skirtingų taikymų kokybės rodiklis (FoM).
XX a. pradžioje „Tesla“ pasiūlė belaidžio ryšio mikrobangų perdavimo technologiją kaip būdą perduoti tūkstančius arklio galių. Terminas „rectenna“, apibūdinantis prie lygintuvo prijungtą anteną, skirtą radijo dažnių (RF) galiai surinkti, atsirado šeštajame dešimtmetyje kosminių mikrobangų energijos perdavimo reikmėms ir autonominių dronų maitinimui. Visakryptę, didelio nuotolio belaidžio ryšio mikrobangų perdavimo technologiją riboja sklidimo terpės (oro) fizinės savybės. Todėl komercinė belaidžio ryšio mikrobangų perdavimo technologija daugiausia apsiriboja artimojo lauko nespinduliuojančiu energijos perdavimu belaidžiam plataus vartojimo elektronikos įkrovimui arba RFID.
Kadangi puslaidininkinių įtaisų ir belaidžių jutiklių mazgų energijos suvartojimas toliau mažėja, tampa vis labiau įmanoma maitinti jutiklių mazgus naudojant aplinkos RFEH arba paskirstytus mažos galios visakrypčius siųstuvus. Itin mažos galios belaidės maitinimo sistemos paprastai susideda iš RF duomenų rinkimo priekinio galo, nuolatinės srovės maitinimo ir atminties valdymo bei mažos galios mikroprocesoriaus ir siųstuvo-imtuvo.
1 paveiksle parodyta belaidžio RFEH mazgo architektūra ir dažniausiai aprašomi RF priekinių sąsajų įgyvendinimai. Belaidės maitinimo sistemos efektyvumas nuo galo iki galo ir sinchronizuoto belaidžio informacijos ir energijos perdavimo tinklo architektūra priklauso nuo atskirų komponentų, tokių kaip antenos, lygintuvai ir energijos valdymo grandinės, našumo. Buvo atlikta keletas literatūros apžvalgų, skirtų skirtingoms sistemos dalims. 1 lentelėje apibendrinta energijos konvertavimo stadija, pagrindiniai efektyvaus energijos konvertavimo komponentai ir susijusios literatūros apžvalgos, skirtos kiekvienai daliai. Naujausia literatūra daugiausia dėmesio skiria energijos konvertavimo technologijai, lygintuvų topologijoms arba tinklą optimizuojančiam RFEH.
1 pav.
Vis dėlto antenos konstrukcija nelaikoma kritiniu RFEH komponentu. Nors kai kuriose literatūros šaltiniuose antenos pralaidumas ir efektyvumas nagrinėjami iš bendros perspektyvos arba iš konkretaus antenos dizaino perspektyvos, pavyzdžiui, miniatiūrinių ar nešiojamų antenų, tam tikrų antenos parametrų poveikis galios priėmimui ir konversijos efektyvumui nėra išsamiai analizuojamas.
Šiame straipsnyje apžvelgiami antenų projektavimo metodai tiesiosiose bangose, siekiant atskirti RFEH ir WPT specifinius antenų projektavimo iššūkius nuo standartinių ryšio antenų projektavimo. Antenos palyginamos dviem aspektais: ištisinės varžos suderinimas ir spinduliuotės charakteristikos; kiekvienu atveju nustatomas ir apžvelgiamas FoM (aplinkosaugos elementas) pažangiausiose (SoA) antenose.
2. Pralaidumas ir suderinimas: ne 50Ω RF tinklai
Būdingoji 50 Ω varža yra ankstyvas svarstymas dėl kompromiso tarp slopinimo ir galios mikrobangų inžinerijos taikymuose. Antenose varžos pralaidumas apibrėžiamas kaip dažnių diapazonas, kuriame atspindėta galia yra mažesnė nei 10 % (S11 < −10 dB). Kadangi mažo triukšmo stiprintuvai (LNA), galios stiprintuvai ir detektoriai paprastai projektuojami su 50 Ω įėjimo varžos atitikimu, tradiciškai etaloniniu būdu naudojamas 50 Ω šaltinis.
Tiesiojoje laidinėje antenoje antenos išėjimas tiesiogiai tiekiamas į lygintuvą, o diodo netiesiškumas sukelia didelį įėjimo varžos kitimą, kuriame dominuoja talpinė dedamoji. Darant prielaidą, kad antena yra 50Ω, pagrindinis iššūkis yra suprojektuoti papildomą RF derinimo tinklą, kuris transformuotų įėjimo varžą į lygintuvo varžą norimu dažniu ir optimizuotų ją konkrečiam galios lygiui. Šiuo atveju, norint užtikrinti efektyvų RF konvertavimą į nuolatinę srovę, reikalingas viso galo varžos pralaidumas. Todėl, nors antenos teoriškai gali pasiekti begalinį arba itin platų pralaidumą, naudodamos periodinius elementus arba save papildančią geometriją, tiesiosios laidinės pralaidumą apribos lygintuvo derinimo tinklas.
Buvo pasiūlytos kelios tiesiosios antenos topologijos, skirtos pasiekti vienos juostos ir kelių juostų duomenų nuėmimą arba WPT, sumažinant atspindžius ir maksimaliai padidinant galios perdavimą tarp antenos ir lygintuvo. 2 paveiksle parodytos pateiktų tiesiosios antenos topologijų struktūros, suskirstytos pagal jų impedanso derinimo architektūrą. 2 lentelėje pateikti didelio našumo tiesiosios antenos pavyzdžiai, atsižvelgiant į kiekvienos kategorijos ištisinį pralaidumą (šiuo atveju – FoM).
2 pav. Tiesiosios antenos topologijos pralaidumo ir impedanso suderinimo požiūriu. (a) Vienos juostos tiesioji antena su standartine antena. (b) Daugiajuostė tiesioji antena (sudaryta iš kelių tarpusavyje sujungtų antenų) su vienu lygintuvu ir derinimo tinklu kiekvienoje juostoje. (c) Plačiajuostė tiesioji antena su keliais RF prievadais ir atskirais derinimo tinklais kiekvienai juostai. (d) Plačiajuostė tiesioji antena su plačiajuoste antena ir plačiajuosčiu derinimo tinklu. (e) Vienos juostos tiesioji antena, naudojanti elektriškai mažą anteną, tiesiogiai suderintą su lygintuvu. (f) Vienos juostos, elektriškai didelė antena su kompleksine varža, skirta konjuguoti su lygintuvu. (g) Plačiajuostė tiesioji antena su kompleksine varža, skirta konjuguoti su lygintuvu dažnių diapazone.
Nors belaidžio ryšio transliacijos (WPT) ir aplinkos RFEH iš dedikuoto tiekimo kanalo yra skirtingos tiesiosios kanalo taikymo sritys, visiškas antenos, lygintuvo ir apkrovos suderinimas yra esminis dalykas siekiant didelio galios konversijos efektyvumo (PCE) pralaidumo požiūriu. Nepaisant to, belaidžio ryšio transliacijos tiesiosios kanalo sritys labiau orientuotos į didesnio kokybės koeficiento suderinimą (mažesnis S11), kad pagerintų vienos juostos PCE tam tikrais galios lygiais (topologijos a, e ir f). Platus vienos juostos WPT pralaidumas pagerina sistemos atsparumą derinimo sutrikimams, gamybos defektams ir pakavimo parazitams. Kita vertus, RFEH tiesiosios kanalo sritys teikia pirmenybę daugiajuosčiam veikimui ir priklauso bd ir g topologijoms, nes vienos juostos galios spektrinis tankis (PSD) paprastai yra mažesnis.
3. Stačiakampė antenos konstrukcija
1. Vieno dažnio tiesioji žarna
Vieno dažnio tiesiosios juostos (A topologija) antenos konstrukcija daugiausia pagrįsta standartine antenos konstrukcija, pavyzdžiui, tiesinės poliarizacijos (LP) arba apskritosios poliarizacijos (CP) spinduliuojančia antenos dalimi įžeminimo plokštumoje, dipolinės antenos ir apverstos F antenos. Diferencialinės juostos tiesioji juosta pagrįsta nuolatinės srovės kombinuotu masyvu, sukonfigūruotu su keliais antenų blokais arba mišriu nuolatinės ir radijo dažnių deriniu iš kelių pleistrų blokų.
Kadangi daugelis siūlomų antenų yra vieno dažnio ir atitinka vieno dažnio belaidžio dažnio perdavimo (WPT) reikalavimus, siekiant aplinkos daugiadažnio RFEH, kelios vieno dažnio antenos sujungiamos į daugiajuostes tiesiąsias grandines (topologija B) su abipusio sujungimo slopinimu ir nepriklausomu nuolatinės srovės derinimu po galios valdymo grandinės, kad jos būtų visiškai izoliuotos nuo RF gavimo ir konvertavimo grandinės. Tam reikia kelių galios valdymo grandinių kiekvienai juostai, o tai gali sumažinti stiprinimo keitiklio efektyvumą, nes vienos juostos nuolatinės srovės galia yra maža.
2. Daugiajuostės ir plačiajuostės RFEH antenos
Aplinkos RFEH dažnai siejamas su daugiajuosčiu signalo įgijimu; todėl buvo pasiūlyta įvairių metodų, kaip pagerinti standartinių antenų konstrukcijų pralaidumą, ir dviejų juostų arba juostų antenų matricų formavimo metodų. Šiame skyriuje apžvelgiame individualius RFEH antenų dizainus, taip pat klasikines daugiajuostes antenas, kurios gali būti naudojamos kaip tiesiosios bangos.
Koplanarinės bangolaidžio (CPW) monopolinės antenos užima mažiau ploto nei mikrojuostelinės pleistrinės antenos tuo pačiu dažniu ir skleidžia LP arba CP bangas, todėl dažnai naudojamos plačiajuosčio ryšio aplinkos tiesiosiose antenose. Atspindžio plokštumos naudojamos izoliacijai padidinti ir stiprinimui pagerinti, todėl spinduliuotės modeliai yra panašūs į pleistrinių antenų. Plyšinės koplanarinės bangolaidžio antenos naudojamos varžos pralaidumui pagerinti keliose dažnių juostose, pvz., 1,8–2,7 GHz arba 1–3 GHz. Susieti maitinamos plyšinės antenos ir pleistrinės antenos taip pat dažnai naudojamos daugiajuosčiuose tiesiosiose antenose. 3 paveiksle parodytos kai kurios aprašytos daugiajuostės antenos, kuriose naudojamas daugiau nei vienas pralaidumo didinimo būdas.
3 pav.
Antenos ir lygintuvo impedanso suderinimas
50Ω antenos suderinimas su netiesiniu lygintuvu yra sudėtingas, nes jos įėjimo varža labai kinta priklausomai nuo dažnio. A ir B topologijose (2 pav.) įprastas suderinimo tinklas yra LC suderinimas, naudojant sutelktuosius elementus; tačiau santykinis pralaidumas paprastai yra mažesnis nei daugumos ryšio juostų. Vienos juostos atšakų suderinimas dažniausiai naudojamas mikrobangų ir milimetrinių bangų juostose, mažesnėse nei 6 GHz, o aprašytos milimetrinių bangų lygintuvo juostos turi iš esmės siaurą pralaidumą, nes jų PCE pralaidumą riboja išėjimo harmonikų slopinimas, todėl jos ypač tinka vienos juostos WPT taikymams 24 GHz nelicencijuotoje juostoje.
C ir D topologijų tiesiosios linijos turi sudėtingesnius derinimo tinklus. Plačiajuosčiam derinimui buvo pasiūlyti visiškai paskirstyti linijų derinimo tinklai su RF bloku / nuolatinės srovės trumpuoju jungimu (pralaidumo filtru) išėjimo prievade arba nuolatinės srovės blokavimo kondensatoriumi kaip diodų harmonikų grįžtamuoju keliu. Lygintuvo komponentus galima pakeisti spausdintinės plokštės (PCB) susipynusiais kondensatoriais, kurie sintezuojami naudojant komercines elektronikos projektavimo automatizavimo priemones. Kituose aprašytuose plačiajuosčiuose tiesiosios linijos derinimo tinkluose derinami sutelkti elementai, skirti derinimui su žemesniais dažniais, ir paskirstyti elementai, skirti RF trumpajam jungimui įėjime sukurti.
Keičiant apkrovos per šaltinį stebimą įėjimo varžą (žinomą kaip šaltinio traukimo technika), buvo suprojektuotas plačiajuostis lygintuvas, turintis 57 % santykinį pralaidumą (1,25–2,25 GHz) ir 10 % didesnį PCE, palyginti su sutelktomis arba paskirstytomis grandinėmis. Nors suderinimo tinklai paprastai projektuojami taip, kad suderintų antenas per visą 50 Ω pralaidumą, literatūroje yra pranešimų, kai plačiajuostės antenos buvo prijungtos prie siaurajuosčių lygintuvų.
Hibridiniai sugrupuotų elementų ir paskirstytų elementų derinimo tinklai buvo plačiai naudojami C ir D topologijose, o nuoseklieji induktoriai ir kondensatoriai yra dažniausiai naudojami sugrupuoti elementai. Taip išvengiama sudėtingų struktūrų, tokių kaip susipynę kondensatoriai, kuriems reikalingas tikslesnis modeliavimas ir gamyba nei standartinėms mikrobangų juostoms.
Dėl diodo netiesiškumo įėjimo galia turi įtakos įėjimo varžai. Todėl lygintuvas yra suprojektuotas taip, kad maksimaliai padidintų PCE esant konkrečiam įėjimo galios lygiui ir apkrovos varžai. Kadangi diodai pirmiausia pasižymi talpine didele varža, esant dažniams žemiau 3 GHz, plačiajuosčiai lygintuvai, kurie pašalina suderinimo tinklus arba sumažina supaprastintas suderinimo grandines, buvo sutelkti į dažnius Prf > 0 dBm ir didesnius nei 1 GHz, nes diodai turi mažą talpinę varžą ir gali būti gerai suderinti su antena, taip išvengiant antenų, kurių įėjimo reaktyvumas yra > 1000 Ω, projektavimo.
Adaptyvus arba perkonfigūruojamas impedanso derinimas buvo pastebėtas CMOS tiesiosiose linijose, kur derinimo tinklą sudaro lustu įmontuoti kondensatorių bankai ir induktoriai. Standartinėms 50Ω antenoms, taip pat bendrai suprojektuotoms kilpinėms antenoms taip pat buvo pasiūlyti statiniai CMOS derinimo tinklai. Buvo pranešta, kad pasyvūs CMOS galios detektoriai naudojami jungikliams, kurie nukreipia antenos išvestį į skirtingus lygintuvus ir derinimo tinklus, priklausomai nuo turimos galios, valdyti. Buvo pasiūlytas perkonfigūruojamas derinimo tinklas, naudojant kaupiamuosius derinamus kondensatorius, kurie derinami tiksliai derinant, matuojant įėjimo impedansą naudojant vektorinį tinklo analizatorių. Perkonfigūruojamuose mikrobangų juostelių derinimo tinkluose lauko tranzistorių jungikliai buvo naudojami derinimo kontaktams reguliuoti, kad būtų pasiektos dviejų juostų charakteristikos.
Norėdami sužinoti daugiau apie antenas, apsilankykite:
Įrašo laikas: 2024 m. rugpjūčio 9 d.
