1.Yntroduksje
Radiofrekwinsje (RF) enerzjyopfang (RFEH) en radiative wireless power transfer (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 levere oan' e lading. De antenne-eleminten fan 'e rectenna beynfloedzje direkt de rispinge-effisjinsje, dy't de rispe krêft kin fariearje mei ferskate oarders fan grutte. Dit papier besjocht de antenne-ûntwerpen brûkt yn WPT- en ambient RFEH-applikaasjes. De rapportearre rectenna's wurde klassifisearre neffens twa haadkritearia: de bânbreedte fan 'e antenne-rjochtsjende impedânsje en de stralingskarakteristiken fan' e antenne. Foar elk kritearium wurdt it figuer fan fertsjinste (FoM) foar ferskate tapassingen bepaald en fergelykber besjoen.
WPT waard foarsteld troch Tesla yn 'e iere 20e ieu as in metoade om tûzenen hynstekrêft oer te dragen. De term rectenna, dy't in antenne beskriuwt dy't ferbûn is mei in lykrjochter om RF-krêft te rispjen, ûntstie yn 'e 1950's foar tapassingen foar romte-mikrogolf-oerdracht en om autonome drones te betsjinjen. Omnidireksjoneel, lange berik WPT wurdt beheind troch de fysike eigenskippen fan it fuortplanting medium (loft). Dêrom is kommersjele WPT benammen beheind ta near-field net-strieljende macht oerdracht foar draadloze konsumint elektroanika opladen as RFID.
As it enerzjyferbrûk fan semiconductor-apparaten en draadloze sensorknooppunten trochgiet te ferminderjen, wurdt it mear mooglik om sensorknooppunten oan te jaan mei ambient RFEH of it brûken fan ferspraat omnidireksjonele transmitters mei lege macht. Ultra-low-power draadloze macht systemen besteane meastentiids út in RF oanwinst front-end, DC macht en ûnthâld behear, en in lege-power mikroprosessor en transceiver.
Ofbylding 1 toant de arsjitektuer fan in RFEH-draadloze knooppunt en de algemien rapporteare RF-front-end-ymplemintaasjes. De ein-oan-ein-effisjinsje fan it draadloze krêftsysteem en de arsjitektuer fan it syngronisearre netwurk foar draadloze ynformaasje en machtoerdracht hinget ôf fan 'e prestaasjes fan yndividuele komponinten, lykas antennes, gelykrjochters, en stroombehearsirken. Ferskate literatuerûndersiken binne útfierd foar ferskate dielen fan it systeem. Tabel 1 vat it poadium foar machtkonverzje gear, wichtige komponinten foar effisjinte enerzjykonverzje, en relatearre literatuerûndersiken foar elk diel. Resinte literatuer rjochtet him op technology foar machtkonverzje, rjochtertopologyen, as netwurkbewuste RFEH.
figuer 1
Antenne-ûntwerp wurdt lykwols net beskôge as in kritysk komponint yn RFEH. Hoewol't guon literatuer beskôget antenne bânbreedte en effisjinsje út in algemien perspektyf of út in spesifyk antenne design perspektyf, lykas miniaturized of wearable antennes, de ynfloed fan bepaalde antenne parameters op macht ûntfangst en konverzje effisjinsje wurdt net analysearre yn detail.
Dit papier beoardielet antenne-ûntwerptechniken yn rectennas mei it doel om RFEH- en WPT-spesifike antenne-ûntwerpútdagings te ûnderskieden fan standert kommunikaasjeantenne-ûntwerp. Antennas wurde fergelike út twa perspektiven: ein-to-ein impedance matching en straling skaaimerken; yn elk gefal wurdt de FoM identifisearre en besjoen yn 'e state-of-the-art (SoA) antennes.
2. Bânbreedte en oerienkommende: Non-50Ω RF Networks
De karakteristike impedânsje fan 50Ω is in betide beskôging fan it kompromis tusken attenuation en macht yn mikrogolftechnykapplikaasjes. Yn antennes wurdt de impedânsjebânbreedte definiearre as it frekwinsjeberik dêr't de wjerspegele krêft minder is as 10% (S11 <- 10 dB). Sûnt fersterkers mei lege lûd (LNA's), krêftfersterkers en detektors typysk binne ûntworpen mei in 50Ω-ynputimpedânsje-oerienkomst, wurdt tradisjoneel ferwiisd nei in 50Ω-boarne.
Yn in rectenna wurdt de útfier fan 'e antenne direkt yn' e likrichter ynfierd, en de netlineariteit fan 'e diode soarget foar in grutte fariaasje yn' e ynfierimpedânsje, wêrby't de kapasitive komponint dominearret. Oannommen fan in 50Ω-antenne, is de wichtichste útdaging om in ekstra RF-oerienkommende netwurk te ûntwerpen om de ynfierimpedânsje te transformearjen nei de impedânsje fan 'e gelykrjochter by de frekwinsje fan belang en it te optimalisearjen foar in spesifyk krêftnivo. Yn dit gefal is bânbreedte fan ein-oan-ein impedânsje fereaske om effisjinte RF nei DC-konverzje te garandearjen. Dêrom, hoewol't antennes teoretysk ûneinige of ultra-brede bânbreedte kinne berikke mei periodike eleminten as sels-komplementêre mjitkunde, sil de bânbreedte fan 'e rectenna knipe wurde troch it oerienkommende netwurk fan' e gelykrichter.
Ferskate rectenna-topologyen binne foarsteld om single-band en multi-band rispinge as WPT te berikken troch refleksjes te minimalisearjen en machtoerdracht te maksimalisearjen tusken de antenne en de likrichter. Figuer 2 toant de struktueren fan de rapportearre rectenna topologyen, kategorisearre troch harren impedance oerienkommende arsjitektuer. Tabel 2 toant foarbylden fan hege-optreden rectennas mei respekt foar ein-to-ein bânbreedte (yn dit gefal, FoM) foar eltse kategory.
figuer 2 Rectenna topologyen út it perspektyf fan bânbreedte en impedance matching. (a) Single-band rectenna mei standert antenne. (b) Multiband rectenna ( gearstald út meardere ûnderling keppele antennes) mei ien gelykrichter en oerienkommende netwurk per band. (c) Breedbân rectenna mei meardere RF havens en aparte oerienkommende netwurken foar eltse band. (d) Breedbân rectenna mei breedbân antenne en breedbân matching netwurk. (e) Single-band rectenna mei help fan elektrysk lytse antenne direkt oerienkomt mei de likrichter. (f) Single-band, elektrysk grutte antenne mei komplekse impedânsje om te konjugearjen mei de likrichter. (g) Breedbân-rectenna mei komplekse impedânsje om te konjugearjen mei de likrichter oer in berik fan frekwinsjes.
Wylst WPT en ambient RFEH út tawijd feed binne ferskillende rectenna applikaasjes, it berikken fan ein-to-ein oerienkomst tusken antenne, rectifier en load is fûnemintele te berikken hege macht konverzje effisjinsje (PCE) út in bânbreedte perspektyf. Dochs rjochtsje WPT rectennas mear op it berikken fan hegere kwaliteit faktor matching (legere S11) te ferbetterjen single-band PCE op bepaalde macht nivo (topology a, e en f). De brede bânbreedte fan single-band WPT ferbettert de systeemimmuniteit foar detuning, fabrikaazjedefekten en ferpakkingsparasyten. Oan de oare kant, RFEH rectennas prioriteit multi-band operaasje en hearre ta topology bd en g, as de macht spektrale tichtheid (PSD) fan in inkele band is oer it algemien leger.
3. Rjochthoekige antenne design
1. Single-frekwinsje rectenna
De antenne-ûntwerp fan single-frekwinsje rectenna (topology A) is benammen basearre op standert antenne design, lykas lineêre polarisaasje (LP) of sirkulêre polarisaasje (CP) útstrieling patch op 'e grûn fleantúch, dipole antenne en inverted F antenne. Differinsjaal band rectenna is basearre op DC kombinaasje array konfigurearre mei meardere antenne ienheden of mingde DC en RF kombinaasje fan meardere patch ienheden.
Sûnt in protte fan 'e foarstelde antennes binne single-frekwinsje antennes en foldogge oan de easken fan single-frekwinsje WPT, by it sykjen fan miljeu multi-frekwinsje RFEH, meardere single-frekwinsje antennes wurde kombinearre yn multi-band rectennas (topology B) mei ûnderlinge koppeling ûnderdrukking en ûnôfhinklike DC-kombinaasje nei it stroombehearsirkwy om se folslein te isolearjen fan 'e RF-oanwinst- en konverzjekring. Dit fereasket meardere macht behear circuits foar eltse band, dat kin ferminderjen de effisjinsje fan de boost converter omdat de DC macht fan in inkele band is leech.
2. Multi-band en breedbân RFEH antennes
Miljeu RFEH wurdt faak yn ferbân brocht mei multi-band acquisition; dêrom, in ferskaat oan techniken binne 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 beoardielje wy oanpaste antenne-ûntwerpen foar RFEH's, lykas klassike multi-band-antennes mei it potinsjeel om te brûken as rectennas.
Coplanar waveguide (CPW) monopoal antennes besette minder gebiet as microstrip patch antennes op deselde frekwinsje en produsearje LP- of CP weagen, en wurde faak brûkt foar breedbân miljeu rectennas. Refleksjefleantugen wurde brûkt om isolaasje te fergrutsjen en winst te ferbetterjen, wat resulteart yn stralingspatroanen fergelykber mei patchantennes. Slotted coplanar waveguide antennes wurde brûkt om te ferbetterjen impedance bânbreedtes foar meardere frekwinsje bands, lykas 1,8-2,7 GHz of 1-3 GHz. Keppele-fed slot antennes en patch antennes wurde ek faak brûkt yn multi-band rectenna ûntwerpen. Figuer 3 toant guon rapportearre multi-band antennes dy't brûke mear as ien bânbreedte ferbettering technyk.
figuer 3
Antenne-Rectifier Impedance Matching
It oerienkomme mei in 50Ω-antenne oan in net-lineêre gelykrichter is útdaagjend, om't de ynfierimpedânsje derfan sterk ferskilt mei frekwinsje. Yn topologyen A en B (figuer 2), de mienskiplike oerienkommende netwurk is in LC wedstriid mei help fan lumped eleminten; lykwols, de relative bânbreedte is meastal leger as de measte kommunikaasje bands. Single-band stub matching wurdt faak brûkt yn magnetron en millimeter-wave bands ûnder 6 GHz, en de rapportearre millimeter-wave rectennas hawwe in ynherinte smelle bânbreedte omdat harren PCE bânbreedte wurdt knipepunten troch output harmonic ûnderdrukking, wat makket se benammen geskikt foar single- band WPT applikaasjes yn de 24 GHz net lisinsearre band.
De rectennas yn topologyen C en D hawwe mear komplekse oerienkommende netwurken. Folslein ferspraat line oerienkommende netwurken binne foarsteld foar breedbân matching, mei in RF blok / DC koartsluting (pass filter) by de útfier haven of in DC blocking capacitor as werom paad foar diode harmonics. De gelykrjochterkomponinten kinne wurde ferfongen troch interdigitearre kondensatoren mei printe circuit board (PCB), dy't wurde synthesisearre mei kommersjele ark foar automatisearring fan elektroanysk ûntwerp. Oare rapportearre breedbân rectenna oerienkommende netwurken kombinearje lumped eleminten foar oerienkommende nei legere frekwinsjes en ferspraat eleminten foar it meitsjen fan in RF koart by de ynfier.
It feroarjen fan de ynfierimpedânsje waarnommen troch de lading troch in boarne (bekend as de boarne-pull-technyk) is brûkt om in breedbânlikerjochter te ûntwerpen mei 57% relative bânbreedte (1,25–2,25 GHz) en 10% hegere PCE yn ferliking mei lumped of ferdield circuits . Hoewol oerienkommende netwurken typysk binne ûntworpen om antennes oer de heule 50Ω-bânbreedte te passen, binne d'r rapporten yn 'e literatuer wêr't breedbânantennes binne ferbûn mei smelbânlikerjochters.
Hybride lumped-elemint en ferdield elemint oerienkommende netwurken binne in protte brûkt yn topologyen C en D, mei searje inductors en capacitors binne de meast brûkte lumped eleminten. Dy mije komplekse struktueren lykas interdigitated capacitors, dy't fereaskje krekter modellering en fabrication dan standert microstrip rigels.
De ynfierkrêft nei de lykrjochter beynfloedet de ynfierimpedânsje fanwegen de netlineariteit fan 'e diode. Dêrom is de rectenna ûntworpen om de PCE te maksimalisearjen foar in spesifyk ynfierkrêftnivo en loadimpedânsje. Sûnt diodes binne yn it foarste plak kapasityf hege impedânsje op frekwinsjes ûnder 3 GHz, breedbân rectennas dy't elimineren oerienkommende netwurken of minimalisearje ferienfâldige oerienkommende circuits binne rjochte op frekwinsjes Prf> 0 dBm en boppe 1 GHz, sûnt de diodes hawwe lege kapasitive impedânsje en kin wurde goed matched nei de antenne, sadat it ûntwerp fan antennes mei ynputreaktânsjes foarkomt >1.000Ω.
Adaptive of reconfigurable impedance matching is sjoen yn CMOS rectennas, dêr't de oerienkommende netwurk bestiet út on-chip capacitor banken en inductors. Statyske CMOS-oerienkommende netwurken binne ek foarsteld foar standert 50Ω-antennes lykas mei-ûntwurpen loopantennes. It is rapportearre dat passive CMOS-krêftdetektors wurde brûkt om skeakels te kontrolearjen dy't de útfier fan 'e antenne rjochtsje op ferskate gelykrjochters en oerienkommende netwurken ôfhinklik fan de beskikbere krêft. In reconfigurable oerienkommende netwurk mei help fan lumped tunable capacitors is foarsteld, dat wurdt ôfstimd troch fyn-tuning wylst mjitten de ynfier impedânsje mei help fan in vector netwurk analysator. Yn reconfigurable microstrip oerienkommende netwurken, fjild effekt transistor Switches binne brûkt foar it oanpassen fan de oerienkommende stubs te berikken dual-band skaaimerken.
Om mear te learen oer antennes, besykje asjebleaft:
Post tiid: Aug-09-2024
