1.Įvadas
Radijo dažnio (RF) energijos surinkimas (RFEH) ir spinduliuotės belaidis energijos perdavimas (WPT) sulaukė didelio susidomėjimo kaip būdai sukurti tvarius belaidžius tinklus be baterijų. „Rectennas“ yra WPT ir RFEH sistemų kertinis akmuo ir daro didelę įtaką apkrovai tiekiamai nuolatinei srovei. Tiesiosios žarnos antenos elementai tiesiogiai veikia derliaus nuėmimo efektyvumą, o tai gali keisti surinktą galią keliais dydžiais. Šiame dokumente apžvelgiami WPT ir aplinkos RFEH programose naudojami antenų dizainai. Praneštos tiesiosios žarnos klasifikuojamos pagal du pagrindinius kriterijus: antenos lyginančios varžos dažnių juostos plotį ir antenos spinduliavimo charakteristikas. Kiekvienam kriterijui nustatomas ir palyginamas nuopelnų skaičius (FoM) skirtingoms paraiškoms.
XX amžiaus pradžioje Tesla pasiūlė WPT kaip būdą perduoti tūkstančius arklio galių. Terminas rectenna, apibūdinantis anteną, prijungtą prie lygintuvo, kad gautų RF galią, atsirado XX a. šeštajame dešimtmetyje, skirtoje kosminėms mikrobangų energijos perdavimo programoms ir autonominiams dronams maitinti. Daugiakryptis, tolimojo nuotolio WPT yra ribojamas sklidimo terpės (oro) fizinių savybių. Todėl komercinis WPT daugiausia apsiriboja artimojo lauko nespinduliuojančiu galios perdavimu belaidžiam plataus vartojimo elektronikos įkrovimui arba RFID.
Kadangi puslaidininkinių įrenginių ir belaidžių jutiklių mazgų energijos suvartojimas ir toliau mažėja, tampa labiau įmanoma maitinti jutiklių mazgus naudojant aplinkos RFEH arba paskirstytus mažos galios daugiakrypčius siųstuvus. Itin mažos galios belaidės maitinimo sistemos paprastai susideda iš RF gavimo priekinės dalies, nuolatinės srovės maitinimo ir atminties valdymo bei mažos galios mikroprocesoriaus ir siųstuvo-imtuvo.
1 paveiksle parodyta RFEH belaidžio mazgo architektūra ir dažniausiai praneštos RF sąsajos diegimai. Belaidės maitinimo sistemos efektyvumas ir sinchronizuoto belaidžio informacijos bei energijos perdavimo tinklo architektūra priklauso nuo atskirų komponentų, tokių kaip antenos, lygintuvai ir energijos valdymo grandinės, našumo. Buvo atlikta keletas literatūros tyrimų apie skirtingas sistemos dalis. 1 lentelėje apibendrinamas galios konvertavimo etapas, pagrindiniai efektyvaus energijos konvertavimo komponentai ir susijusios literatūros apžvalgos kiekvienai daliai. Naujausioje literatūroje daugiausia dėmesio skiriama galios konvertavimo technologijoms, lygintuvų topologijoms arba tinklo RFEH.
1 pav
Tačiau antenos dizainas nėra laikomas svarbiu RFEH komponentu. Nors kai kuriose literatūroje antenos dažnių juostos plotis ir efektyvumas nagrinėjamas iš bendros perspektyvos arba iš konkrečios antenos konstrukcijos perspektyvos, pavyzdžiui, miniatiūrinės arba nešiojamos antenos, tam tikrų antenos parametrų įtaka galios priėmimui ir konversijos efektyvumui nėra išsamiai analizuojama.
Šiame darbe apžvelgiami antenų projektavimo būdai tiesiosiose kanaluose, siekiant atskirti RFEH ir WPT specifinius antenų projektavimo iššūkius nuo standartinės ryšio antenos dizaino. Antenos lyginamos iš dviejų perspektyvų: impedanso suderinimo iki galo ir spinduliavimo charakteristikos; kiekvienu atveju FoM identifikuojamas ir peržiūrimas naujausiose (SoA) antenose.
2. Pralaidumas ir atitikimas: ne 50Ω RF tinklai
Būdinga 50 Ω varža yra ankstyvas kompromisas tarp slopinimo ir galios mikrobangų inžinerijos programose. Antenose impedanso juostos plotis apibrėžiamas kaip dažnių diapazonas, kuriame atspindėta galia yra mažesnė nei 10 % (S11< – 10 dB). Kadangi mažo triukšmo stiprintuvai (LNA), galios stiprintuvai ir detektoriai paprastai suprojektuoti su 50 Ω įvesties varžos atitikmeniu, tradiciškai nurodomas 50 Ω šaltinis.
Tiesiojoje antenoje antenos išvestis tiesiogiai tiekiama į lygintuvą, o diodo netiesiškumas sukelia didelius įvesties varžos pokyčius, o dominuoja talpinis komponentas. Darant prielaidą, kad antena yra 50 Ω, pagrindinis iššūkis yra sukurti papildomą RF suderinimo tinklą, kad įvesties varža būtų transformuota į lygintuvo varžą dominančiu dažniu ir optimizuotų ją tam tikram galios lygiui. Šiuo atveju norint užtikrinti efektyvų RF konvertavimą į DC, reikalingas galutinis impedanso dažnių juostos plotis. Todėl, nors antenos teoriškai gali pasiekti begalinį arba itin platų pralaidumą naudojant periodinius elementus arba save papildančią geometriją, tiesiosios juostos plotis bus sumažintas dėl lygintuvo suderinimo tinklo.
Siekiant sumažinti atspindžius ir maksimaliai padidinti galios perdavimą tarp antenos ir lygintuvo, buvo pasiūlytos kelios tiesiosios juostos topologijos. 2 paveiksle parodytos praneštų tiesiosios žarnos topologijų struktūros, suskirstytos į kategorijas pagal jų varžos atitikimo architektūrą. 2 lentelėje pateikiami kiekvienos kategorijos didelio našumo lygintuvų pavyzdžiai, atsižvelgiant į pralaidumą nuo galo iki galo (šiuo atveju FoM).
2 pav. Tiesiosios žarnos topologijos pralaidumo ir varžos suderinimo požiūriu. a) Vienos juostos tiesinė antena su standartine antena. b) Daugiajuostė tiesioji juosta (sudaryta iš kelių tarpusavyje sujungtų antenų) su vienu lygintuvu ir atitinkamu tinklu kiekvienoje juostoje. (c) Plačiajuostis tiesioji juosta su keliais RF prievadais ir atskirais atitinkamais tinklais kiekvienai juostai. d) plačiajuosčio ryšio tiesinė linija su plačiajuosčio ryšio antena ir plačiajuosčio ryšio suderinimo tinklu. e) Vienos juostos tiesinė antena, naudojant elektriškai mažą anteną, tiesiogiai suderintą su lygintuvu. f) vienos juostos, elektriškai didelė antena su sudėtinga varža, kad būtų galima sujungti su lygintuvu. (g) Plačiajuostis lygintuvas su sudėtinga varža, kad būtų galima konjuguoti su lygintuvu per dažnių diapazoną.
Nors WPT ir aplinkos RFEH iš specialaus tiekimo yra skirtingos tiesiosios žarnos programos, norint pasiekti aukštą galios konversijos efektyvumą (PCE) iš pralaidumo perspektyvos, labai svarbu pasiekti galutinį antenos, lygintuvo ir apkrovos suderinimą. Nepaisant to, WPT rectennas daugiau dėmesio skiria aukštesnės kokybės koeficiento atitikimui (žemesnis S11), kad pagerintų vienos juostos PCE esant tam tikriems galios lygiams (topologijos a, e ir f). Platus vienos juostos WPT pralaidumas pagerina sistemos atsparumą derinimui, gamybos defektams ir pakavimo parazitams. Kita vertus, RFEH rectennas teikia pirmenybę kelių juostų veikimui ir priklauso topologijoms bd ir g, nes vienos juostos galios spektrinis tankis (PSD) paprastai yra mažesnis.
3. Stačiakampio formos antenos dizainas
1. Vieno dažnio tiesinė
Vieno dažnio tiesinės antenos (topologija A) antenos konstrukcija daugiausia pagrįsta standartine antenos konstrukcija, tokia kaip tiesinė poliarizacija (LP) arba apskrita poliarizacija (CP), spinduliuojanti įžeminimo plokštumoje, dipoline antena ir apversta F antena. Diferencialinė juosta yra pagrįsta nuolatinės srovės derinio matrica, sukonfigūruota su keliais antenos įrenginiais arba mišriu DC ir RF deriniu iš kelių pataisų blokų.
Kadangi daugelis siūlomų antenų yra vieno dažnio antenos ir atitinka vieno dažnio WPT reikalavimus, ieškant aplinkos daugiadažnio RFEH, kelios vieno dažnio antenos sujungiamos į kelių juostų tiesiąsias antenas (topologija B) su abipusio sujungimo slopinimu ir nepriklausomas nuolatinės srovės derinys po galios valdymo grandinės, kad būtų visiškai izoliuotas nuo RF gavimo ir konvertavimo grandinės. Tam reikia kelių galios valdymo grandinių kiekvienai juostai, o tai gali sumažinti padidinimo keitiklio efektyvumą, nes vienos juostos nuolatinės srovės galia yra maža.
2. Daugiajuostės ir plačiajuostės RFEH antenos
Aplinkosaugos RFEH dažnai siejamas su kelių juostų įsigijimu; todėl buvo pasiūlyta įvairių metodų, kaip pagerinti standartinių antenų konstrukcijų pralaidumą ir metodus, kaip formuoti dviejų juostų arba juostų antenų matricas. Šiame skyriuje apžvelgiame pasirinktinius RFEH antenų dizainus, taip pat klasikines kelių juostų antenas, kurias galima naudoti kaip tiesiąsias antenas.
Vienopolio bangolaidžio (CPW) monopolio antenos užima mažiau ploto nei mikrojuostos antenos tuo pačiu dažniu ir sukuria LP arba CP bangas, todėl dažnai naudojamos plačiajuosčio ryšio aplinkos lyginamiesiems kanalams. Atspindžio plokštumos naudojamos siekiant padidinti izoliaciją ir pagerinti stiprinimą, todėl spinduliuotės modeliai yra panašūs į pleistrų antenas. Plyšinės koplanarinės bangolaidžio antenos naudojamos siekiant pagerinti kelių dažnių juostų, pvz., 1,8–2,7 GHz arba 1–3 GHz, varžos juostos plotį. Sujungtos maitinimo lizdinės antenos ir pataisinės antenos taip pat dažnai naudojamos kelių juostų tiesiosios žarnos projektuose. 3 paveiksle parodytos kai kurios praneštos kelių juostų antenos, kuriose naudojama daugiau nei viena pralaidumo gerinimo technika.
3 pav
Antenos ir lygintuvo varžos suderinimas
Suderinti 50 Ω anteną su netiesiniu lygintuvu yra sudėtinga, nes jos įvesties varža labai skiriasi priklausomai nuo dažnio. Topologijose A ir B (2 pav.) bendras atitikimo tinklas yra LC atitikmuo, naudojant sugrupuotus elementus; tačiau santykinis pralaidumas paprastai yra mažesnis nei daugumos ryšio juostų. Vienos juostos stuburo suderinimas dažniausiai naudojamas mikrobangų ir milimetrinių bangų juostose, mažesnėse nei 6 GHz, o praneštos milimetrinių bangų tiesinės juostos yra iš prigimties siauros, nes jų PCE dažnių juostos plotis yra susilpnintas dėl išvesties harmonikų slopinimo, todėl jos ypač tinka vienos juostos WPT programas 24 GHz nelicencijuotoje juostoje.
C ir D topologijų tiesiosios dalys turi sudėtingesnius atitikimo tinklus. Plačiajuosčio ryšio suderinimui buvo pasiūlyti visiškai paskirstyti linijų suderinimo tinklai su RF bloku / nuolatinės srovės trumpuoju jungimu (praėjimo filtru) prie išvesties prievado arba nuolatinės srovės blokuojančiu kondensatoriumi kaip diodų harmonikų grįžimo keliu. Lygintuvo komponentai gali būti pakeisti spausdintinės plokštės (PCB) tarpusavyje sujungtais kondensatoriais, kurie sintezuojami naudojant komercinius elektroninio projektavimo automatizavimo įrankius. Kiti pranešimai apie plačiajuosčio ryšio tiesiosios žarnos suderinimo tinklus sujungia sugrupuotus elementus, skirtus suderinti su žemesniais dažniais, ir paskirstytus elementus, kad būtų sukurtas RF trumpasis įvestis.
Įvesties varžos, kurią stebi apkrova per šaltinį, keitimas (žinomas kaip šaltinio traukimo technika) buvo naudojamas kuriant plačiajuosčio ryšio lygintuvą, kurio santykinis dažnių juostos plotis yra 57 % (1,25–2,25 GHz) ir 10 % didesnis PCE, palyginti su vienkartinėmis arba paskirstytomis grandinėmis. . Nors suderinimo tinklai paprastai yra sukurti taip, kad atitiktų antenas visame 50 Ω dažnių juostos plotyje, literatūroje yra pranešimų, kad plačiajuosčio ryšio antenos buvo prijungtos prie siaurajuosčio ryšio lygintuvų.
Hibridiniai vienkartinių elementų ir paskirstytų elementų atitikimo tinklai buvo plačiai naudojami topologijose C ir D, o nuoseklieji induktoriai ir kondensatoriai yra dažniausiai naudojami vienkartiniai elementai. Taip išvengiama sudėtingų struktūrų, tokių kaip tarpusavyje sujungti kondensatoriai, kuriems reikia tikslesnio modeliavimo ir gamybos nei standartinėms mikrojuostelėms.
Lygintuvo įvesties galia turi įtakos įėjimo varžai dėl diodo netiesiškumo. Todėl rectenna sukurta taip, kad maksimaliai padidintų PCE tam tikram įvesties galios lygiui ir apkrovos varžai. Kadangi diodai pirmiausia yra talpinės didelės varžos, kai dažnis mažesnis nei 3 GHz, plačiajuosčio ryšio tiesinės linijos, kurios pašalina suderinamus tinklus arba sumažina supaprastintas suderinimo grandines, buvo sutelktos į dažnius Prf> 0 dBm ir virš 1 GHz, nes diodai turi mažą talpinę varžą ir gali būti gerai suderinti. prie antenos, taip išvengiant antenų su įėjimo reaktyvinėmis varžomis projektavimo >1000Ω.
Adaptyvusis arba perkonfigūruojamas varžos suderinimas buvo pastebėtas CMOS rectennuose, kur suderinimo tinklą sudaro lusto kondensatorių blokai ir induktoriai. Statiniai CMOS suderinimo tinklai taip pat buvo pasiūlyti standartinėms 50Ω antenoms, taip pat bendrai suprojektuotoms kilpinėms antenoms. Buvo pranešta, kad pasyvūs CMOS galios detektoriai naudojami valdyti jungiklius, kurie nukreipia antenos išvestį į skirtingus lygintuvus ir suderinamus tinklus, priklausomai nuo turimos galios. Buvo pasiūlytas perkonfigūruojamas suderinimo tinklas, naudojant suderinamus kondensatorius, kuris sureguliuojamas tiksliai sureguliuojant, matuojant įvesties varžą naudojant vektorinį tinklo analizatorių. Perkonfigūruojamuose mikrojuostelių derinimo tinkluose lauko efekto tranzistorių jungikliai buvo naudojami derinimo stubams reguliuoti, kad būtų pasiektos dviejų juostų charakteristikos.
Norėdami sužinoti daugiau apie antenas, apsilankykite:
Paskelbimo laikas: 2024-09-09
