1. Ynlieding
Radiofrekwinsje (RF) enerzjy-rispinge (RFEH) en radiative draadloze krêftoerdracht (WPT) hawwe grutte belangstelling lutsen as metoaden om batterijfrije duorsume draadloze netwurken te berikken. Rectenna's binne de hoekstien fan WPT- en RFEH-systemen en hawwe in wichtige ynfloed op 'e DC-krêft dy't oan 'e lading levere wurdt. De antenne-eleminten fan 'e rectenna beynfloedzje direkt de rispingseffisjinsje, wat it rispinge fermogen mei ferskate oarders fan grutte kin fariearje. Dit artikel besjocht de antenne-ûntwerpen dy't brûkt wurde yn WPT- en ambient RFEH-tapassingen. De rapportearre rectenna's wurde klassifisearre neffens twa haadkritearia: de antenne-rjochtlinende impedânsjebânbreedte en de strielingseigenskippen fan 'e antenne. Foar elk kritearium wurdt it figuer fan merite (FoM) foar ferskate tapassingen bepaald en fergelikend beoardiele.
WPT waard yn 'e iere 20e iuw troch Tesla foarsteld as in metoade om tûzenen pk's oer te bringen. De term rectenna, dy't in antenne beskriuwt dy't ferbûn is mei in gelijkrichter om RF-krêft te rispjen, ûntstie yn 'e jierren 1950 foar tapassingen foar romte-mikrogolfoerdracht en om autonome drones oan te driuwen. Omnidireksjonele, lange-ôfstân WPT wurdt beheind troch de fysike eigenskippen fan it fuortplantingsmedium (loft). Dêrom is kommersjele WPT benammen beheind ta net-strieljende krêftoerdracht yn it tichtbye fjild foar draadloos opladen fan konsuminte-elektroanika of RFID.
As it enerzjyferbrûk fan healgeleiderapparaten en draadloze sensorknooppunten bliuwt ôfnimme, wurdt it hieltyd makliker om sensorknooppunten fan stroom te foarsjen mei help fan ambient RFEH of mei help fan ferspraat leech-enerzjy omnidireksjonele transmitters. Ultra-leech-enerzjy draadloze stroomsystemen besteane meastentiids út in RF-akwisysjefrontend, DC-stroom- en ûnthâldbehear, en in leech-enerzjy mikroprosessor en transceiver.
Figuer 1 lit de arsjitektuer fan in RFEH draadloze knooppunt en de faak rapportearre RF front-end ymplemintaasjes sjen. De end-to-end effisjinsje fan it draadloze stroomsysteem en de arsjitektuer fan it syngronisearre draadloze ynformaasje- en stroomoerdrachtnetwurk hinget ôf fan 'e prestaasjes fan yndividuele komponinten, lykas antennes, gelijkrichters en stroombehearskringen. Ferskate literatuerûndersiken binne útfierd foar ferskate dielen fan it systeem. Tabel 1 jout in gearfetting fan 'e stroomkonverzjefase, wichtige komponinten foar effisjinte stroomkonverzje, en relatearre literatuerûndersiken foar elk ûnderdiel. Resinte literatuer rjochtet him op stroomkonverzjetechnology, gelijkrichtertopologyen, of netwurkbewuste RFEH.
Figuer 1
Antenne-ûntwerp wurdt lykwols net beskôge as in krityske komponint yn RFEH. Hoewol guon literatuer antennebânbreedte en effisjinsje beskôget út in algemien perspektyf of út in spesifyk antenne-ûntwerpperspektyf, lykas miniaturisearre of draachbere antennes, wurdt de ynfloed fan bepaalde antenneparameters op stroomûntfangst en konverzje-effisjinsje net yn detail analysearre.
Dit artikel besjocht antenne-ûntwerptechniken yn rectennas mei it doel om RFEH- en WPT-spesifike antenne-ûntwerpútdagings te ûnderskieden fan standert kommunikaasjeantenne-ûntwerp. Antennes wurde fergelike fanút twa perspektiven: end-to-end impedânsjematching en strielingseigenskippen; yn elk gefal wurdt de FoM identifisearre en besjoen yn 'e state-of-the-art (SoA) antennes.
2. Bânbreedte en oerienkomst: Net-50Ω RF-netwurken
De karakteristike impedânsje fan 50Ω is in iere beskôging fan it kompromis tusken demping en krêft yn mikrogolftechnyske tapassingen. Yn antennes wurdt de impedânsjebânbreedte definiearre as it frekwinsjeberik wêr't it reflektearre krêft minder is as 10% (S11< − 10 dB). Om't leechrûsfersterkers (LNA's), krêftfersterkers en detektors typysk ûntworpen binne mei in ynfierimpedânsje-oerienkomst fan 50Ω, wurdt tradisjoneel ferwiisd nei in 50Ω boarne.
Yn in rectenna wurdt de útfier fan 'e antenne direkt yn 'e gelijkrichter fiede, en de net-lineariteit fan 'e diode feroarsaket in grutte fariaasje yn 'e ynfierimpedânsje, wêrby't de kapasitive komponint domineart. Utgeande fan in 50Ω antenne, is de wichtichste útdaging om in ekstra RF-oanpassingsnetwurk te ûntwerpen om de ynfierimpedânsje te transformearjen nei de impedânsje fan 'e gelijkrichter by de frekwinsje fan belang en it te optimalisearjen foar in spesifyk fermogensnivo. Yn dit gefal is end-to-end impedânsjebânbreedte fereaske om effisjinte RF nei DC-konverzje te garandearjen. Dêrom, hoewol antennes teoretysk ûneinige of ultrabrede bânbreedte kinne berikke mei periodike eleminten of selskomplementêre geometry, sil de bânbreedte fan 'e rectenna in knelpunt hawwe troch it gelijkrichter-oanpassingsnetwurk.
Ferskate rektenna-topologyen binne foarsteld om single-band en multi-band rispinge of WPT te berikken troch refleksjes te minimalisearjen en krêftoerdracht tusken de antenne en de gelijkrichter te maksimalisearjen. Figuer 2 lit de struktueren sjen fan 'e rapportearre rektenna-topologyen, kategorisearre troch har impedânsje-oanpassingsarsjitektuer. Tabel 2 lit foarbylden sjen fan hege prestaasjes rektenna's mei respekt foar end-to-end bânbreedte (yn dit gefal, FoM) foar elke kategory.
Figuer 2 Rectenna-topologyen út it perspektyf fan bânbreedte- en impedânsjeoanpassing. (a) Ienbands rectenna mei standertantenne. (b) Mearbands rectenna (gearstald út meardere ûnderling keppele antennes) mei ien gelijkrichter en oanpassingsnetwurk per band. (c) Breedbâns rectenna mei meardere RF-poarten en aparte oanpassingsnetwurken foar elke band. (d) Breedbâns rectenna mei breedbânantenne en breedbânoanpassingsnetwurk. (e) Ienbands rectenna mei in elektrysk lytse antenne dy't direkt oan 'e gelijkrichter is oanpast. (f) Ienbands, elektrysk grutte antenne mei komplekse impedânsje om te konjugearjen mei de gelijkrichter. (g) Breedbâns rectenna mei komplekse impedânsje om te konjugearjen mei de gelijkrichter oer in berik fan frekwinsjes.
Wylst WPT en ambient RFEH fan tawijde feed ferskillende rectenna-tapassingen binne, is it berikken fan end-to-end matching tusken antenne, gelykrichter en lading essensjeel om hege krêftkonverzje-effisjinsje (PCE) te berikken út in bânbreedteperspektyf. Nettsjinsteande rjochtsje WPT-rektenna's har mear op it berikken fan hegere kwaliteitsfaktormatching (legere S11) om single-band PCE op bepaalde krêftnivo's te ferbetterjen (topologyen a, e en f). De brede bânbreedte fan single-band WPT ferbetteret de systeemimmuniteit foar detuning, produksjefouten en ferpakkingsparasitêr. Oan 'e oare kant jouwe RFEH-rektenna's prioriteit oan multiband-operaasje en hearre se ta topologyen bd en g, om't de krêftspektrale tichtens (PSD) fan in inkele band oer it algemien leger is.
3. Rjochthoekich antenne-ûntwerp
1. Ienfrekwinsje-rekton
It antenne-ûntwerp fan ienfrekwinsje-rektenna (topology A) is benammen basearre op standert antenne-ûntwerp, lykas lineêre polarisaasje (LP) of sirkelfoarmige polarisaasje (CP) dy't in útstrielingspatch op it grûnflak útstrielt, dipoolantenne en invertearre F-antenne. Differinsjaalband-rektenna is basearre op in DC-kombinaasje-array konfigurearre mei meardere antenne-ienheden of in mingde DC- en RF-kombinaasje fan meardere patch-ienheden.
Omdat in protte fan 'e foarstelde antennes ienfrekwinsje-antennes binne en foldogge oan 'e easken fan ienfrekwinsje-WPT, wurde by it sykjen nei miljeufreonlike multifrekwinsje-RFEH meardere ienfrekwinsje-antennes kombineare ta multiband-rjochtingen (topology B) mei ûnderdrukking fan ûnderlinge koppeling en ûnôfhinklike DC-kombinaasje nei it stroombehearsirkwy om se folslein te isolearjen fan it RF-akwisysje- en konverzjesirkwy. Dit fereasket meardere stroombehearsirkwy's foar elke band, wat de effisjinsje fan 'e boost-converter kin ferminderje, om't it DC-fermogen fan in inkele band leech is.
2. Multiband- en breedbân RFEH-antennes
Miljeu-RFEH wurdt faak assosjeare mei multiband-akwisysje; dêrom binne in ferskaat oan techniken foarsteld foar it ferbetterjen fan de bânbreedte fan standert antenne-ûntwerpen en metoaden foar it foarmjen fan dual-band of band antenne-arrays. Yn dizze seksje besprekke wy oanpaste antenne-ûntwerpen foar RFEH's, lykas klassike multiband-antennes mei de mooglikheid om te brûken as rectenna's.
Koplanêre waveguide (CPW) monopoalantennes nimme minder oerflak yn as mikrostrip-patchantennes op deselde frekwinsje en produsearje LP- of CP-weagen, en wurde faak brûkt foar breedbân-omjouwingsrektenna's. Refleksjefleantugen wurde brûkt om isolaasje te fergrutsjen en fersterking te ferbetterjen, wat resulteart yn strielingspatroanen dy't fergelykber binne mei patchantennes. Slotte koplanêre waveguide-antennes wurde brûkt om impedânsjebânbreedten foar meardere frekwinsjebannen te ferbetterjen, lykas 1,8–2,7 GHz of 1–3 GHz. Keppele-fed slotantennes en patchantennes wurde ek faak brûkt yn multiband-rektenna-ûntwerpen. Figuer 3 lit guon rapportearre multibandantennes sjen dy't mear as ien technyk foar bânbreedteferbettering brûke.
Figuer 3
Antenne-gelijkrichter-impedânsje-oerienkomst
It oanpassen fan in 50Ω-antenne oan in net-lineaire gelijkrichter is in útdaging, om't de ynfierimpedânsje sterk ferskilt mei de frekwinsje. Yn topologyen A en B (figuer 2) is it mienskiplike oerienkomstnetwurk in LC-oerienkomst mei lumped eleminten; de relative bânbreedte is lykwols meastentiids leger as de measte kommunikaasjebannen. Single-band stub-oerienkomst wurdt faak brûkt yn mikrogolf- en millimetergolfbannen ûnder 6 GHz, en de rapportearre millimetergolf-rechten hawwe in ynherint smelle bânbreedte, om't har PCE-bânbreedte beheind is troch ûnderdrukking fan útfierharmoniken, wat se benammen geskikt makket foar single-band WPT-tapassingen yn 'e 24 GHz net-lisinsjeband.
De rjochthoeken yn topologyen C en D hawwe kompleksere oerienkommende netwurken. Folslein ferdielde line-oerienkommende netwurken binne foarsteld foar breedbân-oerienkomst, mei in RF-blok/DC-koartsluting (passfilter) by de útfierpoarte of in DC-blokkearjende kondensator as in werompad foar diodeharmoniken. De gelykrichterkomponinten kinne wurde ferfongen troch ynterdigitearre kondensators fan printe circuit boards (PCB's), dy't synthetisearre wurde mei kommersjele ark foar automatisearring fan elektroanyske ûntwerpen. Oare rapportearre breedbân-rjochthoeken-oerienkommende netwurken kombinearje lumped eleminten foar oerienkomst mei legere frekwinsjes en ferdielde eleminten foar it meitsjen fan in RF-koartsluting by de ynfier.
It fariearjen fan 'e ynfierimpedânsje dy't waarnommen wurdt troch de lading fia in boarne (bekend as de boarne-lûktechnyk) is brûkt om in breedbângelijkrichter te ûntwerpen mei 57% relative bânbreedte (1,25–2,25 GHz) en 10% hegere PCE yn ferliking mei lumped of ferspraat circuits. Hoewol oerienkommende netwurken typysk ûntworpen binne om antennes oer de heule 50Ω bânbreedte oerien te bringen, binne d'r rapporten yn 'e literatuer wêr't breedbânantennes ferbûn binne mei smelbângelijkrichters.
Hybride lumped-elemint en ferspraat-elemint matching netwurken binne in soad brûkt yn topologyen C en D, wêrby't searje induktors en kondensators de meast brûkte lumped eleminten binne. Dizze foarkomme komplekse struktueren lykas ynterdigitearre kondensators, dy't krekter modellering en fabrikaazje fereaskje as standert mikrostriplinen.
It ynfierfermogen nei de gelijkrichter beynfloedet de ynfierimpedânsje fanwegen de net-lineariteit fan 'e diode. Dêrom is de rectenna ûntworpen om de PCE te maksimalisearjen foar in spesifyk ynfierfermogennivo en ladingimpedânsje. Om't diodes primêr kapasitive hege impedânsje hawwe by frekwinsjes ûnder 3 GHz, binne breedbân-rectenna's dy't oerienkommende netwurken eliminearje of ferienfâldige oerienkommende sirkels minimalisearje, rjochte op frekwinsjes Prf>0 dBm en boppe 1 GHz, om't de diodes in lege kapasitive impedânsje hawwe en goed oanpast wurde kinne oan 'e antenne, wêrtroch it ûntwerp fan antennes mei ynfierreaktânsjes >1.000Ω foarkommen wurdt.
Adaptive of herkonfigurearbere impedânsjematching is sjoen yn CMOS-rektenna's, wêrby't it matchingnetwurk bestiet út on-chip-kondensatorbanken en induktors. Statyske CMOS-matchingnetwurken binne ek foarsteld foar standert 50Ω-antennes, lykas ek foar mei-ûntworpen loopantennes. Der is rapportearre dat passive CMOS-krêftdetektors brûkt wurde om skeakels te kontrolearjen dy't de útfier fan 'e antenne nei ferskate gelijkrichters en matchingnetwurken rjochtsje, ôfhinklik fan it beskikbere fermogen. In herkonfigurearber matchingnetwurk mei lumped-afstimmbere kondensatoren is foarsteld, dat ôfstimd wurdt troch fynôfstimming wylst de ynfierimpedânsje mjitten wurdt mei in fektornetwurkanalysator. Yn herkonfigurearbere mikrostrip-matchingnetwurken binne fjildeffekttransistorskakelaars brûkt om de matching-stubs oan te passen om dûbele-band-karakteristiken te berikken.
Om mear te learen oer antennes, kinne jo terecht op:
Pleatsingstiid: 9 augustus 2024
