1. Introduktion
Radiofrekvens (RF) energihøstning (RFEH) og radiativ trådløs effektoverførsel (WPT) har vakt stor interesse som metoder til at opnå batterifri bæredygtige trådløse netværk. Rektenner er hjørnestenen i WPT- og RFEH-systemer og har en betydelig indflydelse på den jævnstrøm, der leveres til belastningen. Antenneelementerne i rektennen påvirker direkte høstningseffektiviteten, hvilket kan variere den høstede effekt med flere størrelsesordener. Denne artikel gennemgår de antennedesign, der anvendes i WPT- og omgivende RFEH-applikationer. De rapporterede rektenner er klassificeret efter to hovedkriterier: antennens ensretningsimpedansbåndbredde og antennens strålingskarakteristika. For hvert kriterium bestemmes og gennemgås værdien (Figure of Merit) for forskellige applikationer sammenlignende.
WPT blev foreslået af Tesla i begyndelsen af det 20. århundrede som en metode til at overføre tusindvis af hestekræfter. Udtrykket rectenna, som beskriver en antenne forbundet til en ensretter for at høste RF-effekt, opstod i 1950'erne til applikationer til mikrobølge-effekttransmission i rummet og til at drive autonome droner. Omnidirektionel WPT med lang rækkevidde er begrænset af de fysiske egenskaber ved udbredelsesmediet (luft). Derfor er kommerciel WPT hovedsageligt begrænset til ikke-strålende effektoverførsel i nærfeltet til trådløs opladning af forbrugerelektronik eller RFID.
Efterhånden som strømforbruget for halvlederkomponenter og trådløse sensornoder fortsætter med at falde, bliver det mere muligt at forsyne sensornoder med strøm ved hjælp af omgivende RFEH eller ved hjælp af distribuerede lav-effekt omnidirektionelle sendere. Ultra-lav-effekt trådløse strømforsyningssystemer består normalt af en RF-opsamlingsfrontend, DC-strøm- og hukommelsesstyring samt en lav-effekt mikroprocessor og transceiver.
Figur 1 viser arkitekturen af en RFEH trådløs node og de almindeligt rapporterede RF front-end implementeringer. End-to-end effektiviteten af det trådløse strømforsyningssystem og arkitekturen af det synkroniserede trådløse informations- og strømoverførselsnetværk afhænger af ydeevnen af individuelle komponenter, såsom antenner, ensrettere og strømstyringskredsløb. Adskillige litteraturundersøgelser er blevet udført for forskellige dele af systemet. Tabel 1 opsummerer effektkonverteringsfasen, nøglekomponenter til effektiv effektkonvertering og relaterede litteraturundersøgelser for hver del. Nyere litteratur fokuserer på effektkonverteringsteknologi, ensrettertopologier eller netværksbevidst RFEH.
Figur 1
Antennedesign betragtes dog ikke som en kritisk komponent i RFEH. Selvom noget litteratur betragter antennebåndbredde og effektivitet fra et overordnet perspektiv eller fra et specifikt antennedesignperspektiv, såsom miniaturiserede eller bærbare antenner, analyseres virkningen af visse antenneparametre på effektmodtagelse og konverteringseffektivitet ikke i detaljer.
Denne artikel gennemgår antennedesignteknikker i rektangler med det formål at skelne mellem RFEH- og WPT-specifikke antennedesignudfordringer og standard kommunikationsantennedesign. Antenner sammenlignes ud fra to perspektiver: end-to-end impedansmatching og strålingskarakteristika; i hvert tilfælde identificeres og gennemgås FoM i de mest avancerede (SoA) antenner.
2. Båndbredde og matching: Ikke-50Ω RF-netværk
Den karakteristiske impedans på 50Ω er en tidlig overvejelse af kompromiset mellem dæmpning og effekt i mikrobølgetekniske applikationer. I antenner defineres impedansbåndbredden som det frekvensområde, hvor den reflekterede effekt er mindre end 10% (S11< − 10 dB). Da lavstøjsforstærkere (LNA'er), effektforstærkere og detektorer typisk er designet med en 50Ω indgangsimpedansmatchning, refereres der traditionelt til en 50Ω kilde.
I en rectenna føres antennens udgang direkte ind i ensretteren, og diodens ulinearitet forårsager en stor variation i indgangsimpedansen, hvor den kapacitive komponent dominerer. Hvis man antager en 50Ω antenne, er den største udfordring at designe et yderligere RF-matchningsnetværk til at transformere indgangsimpedansen til ensretterens impedans ved den pågældende frekvens og optimere den til et specifikt effektniveau. I dette tilfælde kræves en end-to-end impedansbåndbredde for at sikre effektiv RF til DC-konvertering. Selvom antenner kan opnå teoretisk uendelig eller ultrabred båndbredde ved hjælp af periodiske elementer eller selvkomplementær geometri, vil rektennas båndbredde derfor blive flaskehalset af ensretterens matchningsnetværk.
Adskillige rektennetopologier er blevet foreslået for at opnå enkeltbånds- og flerbåndshøstning eller WPT ved at minimere refleksioner og maksimere effektoverførslen mellem antennen og ensretteren. Figur 2 viser strukturerne af de rapporterede rektennetopologier, kategoriseret efter deres impedansmatchningsarkitektur. Tabel 2 viser eksempler på højtydende rektenner med hensyn til end-to-end båndbredde (i dette tilfælde FoM) for hver kategori.
Figur 2 Rektennetopologier set fra båndbredde- og impedanstilpasningsperspektivet. (a) Enkeltbåndsrektenne med standardantenne. (b) Flerbåndsrektenne (bestående af flere indbyrdes koblede antenner) med én ensretter og et tilpasningsnetværk pr. bånd. (c) Bredbåndsrektenne med flere RF-porte og separate tilpasningsnetværk for hvert bånd. (d) Bredbåndsrektenne med bredbåndsantenne og bredbåndstilpasningsnetværk. (e) Enkeltbåndsrektenne med en elektrisk lille antenne direkte tilpasset ensretteren. (f) Enkeltbånds, elektrisk stor antenne med kompleks impedans til konjugering med ensretteren. (g) Bredbåndsrektenne med kompleks impedans til konjugering med ensretteren over et frekvensområde.
Selvom WPT og ambient RFEH fra dedikeret feed er forskellige rektenneapplikationer, er opnåelse af end-to-end-matching mellem antenne, ensretter og belastning fundamental for at opnå høj effektkonverteringseffektivitet (PCE) fra et båndbreddeperspektiv. Ikke desto mindre fokuserer WPT-rektenner mere på at opnå højere kvalitetsfaktormatching (lavere S11) for at forbedre enkeltbånds-PCE ved bestemte effektniveauer (topologier a, e og f). Den brede båndbredde ved enkeltbånds-WPT forbedrer systemets immunitet over for fortuning, fabrikationsfejl og pakningsparasitter. På den anden side prioriterer RFEH-rektenner multibåndsdrift og tilhører topologierne bd og g, da effektspektraltætheden (PSD) for et enkelt bånd generelt er lavere.
3. Rektangulær antennedesign
1. Enkeltfrekvens rektenna
Antennedesignet for enkeltfrekvens-rektenner (topologi A) er hovedsageligt baseret på standardantennedesign, såsom lineær polarisering (LP) eller cirkulær polarisering (CP) med udstrålende patch på jordplanet, dipolantenne og inverteret F-antenne. Differentialbånd-rektenner er baseret på DC-kombinationsarray konfigureret med flere antenneenheder eller en blandet DC- og RF-kombination af flere patch-enheder.
Da mange af de foreslåede antenner er enkeltfrekvensantenner og opfylder kravene til enkeltfrekvens-WPT, kombineres flere enkeltfrekvensantenner til flerbåndsrektenner (topologi B) med gensidig koblingsundertrykkelse og uafhængig DC-kombination efter strømstyringskredsløbet, når man søger miljømæssig multifrekvens RFEH, for at isolere dem fuldstændigt fra RF-opsamlings- og konverteringskredsløbet. Dette kræver flere strømstyringskredsløb for hvert bånd, hvilket kan reducere boost-konverterens effektivitet, fordi DC-effekten i et enkelt bånd er lav.
2. Multibånds- og bredbånds-RFEH-antenner
Miljømæssig RFEH er ofte forbundet med multibåndsoptagelse; derfor er der blevet foreslået en række teknikker til at forbedre båndbredden af standardantennedesigns og metoder til dannelse af dobbeltbånds- eller båndantennearrays. I dette afsnit gennemgår vi brugerdefinerede antennedesigns til RFEH'er, såvel som klassiske multibåndsantenner med potentiale til at blive brugt som rektenner.
Coplanære bølgelederantenner (CPW) optager mindre areal end mikrostrip-patchantenner ved samme frekvens og producerer LP- eller CP-bølger, og bruges ofte til bredbånds-rektenner i omgivelserne. Reflektionsplaner bruges til at øge isolation og forbedre forstærkning, hvilket resulterer i strålingsmønstre, der ligner patchantenner. Slidsede coplanære bølgelederantenner bruges til at forbedre impedansbåndbredder for flere frekvensbånd, såsom 1,8-2,7 GHz eller 1-3 GHz. Koblede slotantenner og patchantenner bruges også almindeligvis i multibånds-rektennedesigns. Figur 3 viser nogle rapporterede multibåndsantenner, der anvender mere end én båndbreddeforbedringsteknik.
Figur 3
Antenne-ensretter impedanstilpasning
Det er udfordrende at matche en 50Ω antenne til en ikke-lineær ensretter, fordi dens indgangsimpedans varierer meget med frekvensen. I topologierne A og B (figur 2) er det fælles matchingnetværk en LC-matchning, der bruger klumpede elementer; den relative båndbredde er dog normalt lavere end i de fleste kommunikationsbånd. Enkeltbånds stub-matchning bruges almindeligvis i mikrobølge- og millimeterbølgebånd under 6 GHz, og de rapporterede millimeterbølge-rektenner har en iboende smal båndbredde, fordi deres PCE-båndbredde er flaskehalset af undertrykkelse af udgangsharmonisk, hvilket gør dem særligt velegnede til enkeltbånds WPT-applikationer i det ulicenserede 24 GHz-bånd.
Rektennerne i topologierne C og D har mere komplekse matchingnetværk. Fuldt distribuerede linjematchingnetværk er blevet foreslået til bredbåndsmatching med en RF-blok/DC-kortslutning (pasfilter) ved udgangsporten eller en DC-blokeringskondensator som returvej for diodeharmoniske. Ensretterkomponenterne kan erstattes af printkort (PCB)-interdigiterede kondensatorer, som syntetiseres ved hjælp af kommercielle elektroniske designautomatiseringsværktøjer. Andre rapporterede bredbånds-rektennematchingnetværk kombinerer klumpede elementer til matchning til lavere frekvenser og distribuerede elementer til at skabe en RF-kortslutning ved indgangen.
Variation af den indgangsimpedans, der observeres af belastningen gennem en kilde (kendt som source-pull-teknikken), er blevet brugt til at designe en bredbånds-ensretter med 57 % relativ båndbredde (1,25-2,25 GHz) og 10 % højere PCE sammenlignet med klumpede eller distribuerede kredsløb. Selvom matchende netværk typisk er designet til at matche antenner over hele 50Ω båndbredden, er der rapporter i litteraturen, hvor bredbåndsantenner er blevet forbundet til smalbånds-ensrettere.
Hybride matchingnetværk med klumpede elementer og distribuerede elementer er blevet brugt i vid udstrækning i topologierne C og D, hvor serieinduktorer og kondensatorer er de mest almindeligt anvendte klumpede elementer. Disse undgår komplekse strukturer såsom sammenflettede kondensatorer, som kræver mere præcis modellering og fabrikation end standard mikrostriplinjer.
Indgangseffekten til ensretteren påvirker indgangsimpedansen på grund af diodens ulinearitet. Derfor er rektennaen designet til at maksimere PCE for et specifikt indgangseffektniveau og belastningsimpedans. Da dioder primært er kapacitive med høj impedans ved frekvenser under 3 GHz, har bredbåndsrektennaer, der eliminerer matchingnetværk eller minimerer forenklede matchingkredsløb, været fokuseret på frekvenser Prf > 0 dBm og over 1 GHz, da dioderne har lav kapacitiv impedans og kan matches godt til antennen, hvorved man undgår design af antenner med indgangsreaktanser > 1.000 Ω.
Adaptiv eller rekonfigurerbar impedanstilpasning er set i CMOS-rektenner, hvor tilpasningsnetværket består af on-chip kondensatorbanker og induktorer. Statiske CMOS-tilpasningsnetværk er også blevet foreslået til standard 50Ω antenner samt co-designede loop-antenner. Det er blevet rapporteret, at passive CMOS-effektdetektorer bruges til at styre kontakter, der dirigerer antennens output til forskellige ensrettere og tilpasningsnetværk afhængigt af den tilgængelige effekt. Et rekonfigurerbart tilpasningsnetværk, der bruger klumpede, afstemmelige kondensatorer, er blevet foreslået, som finjusteres, mens indgangsimpedansen måles ved hjælp af en vektornetværksanalysator. I rekonfigurerbare mikrostrip-tilpasningsnetværk er felteffekttransistorkontakter blevet brugt til at justere tilpasningsstubs for at opnå dobbeltbåndskarakteristika.
For at lære mere om antenner, besøg venligst:
Opslagstidspunkt: 9. august 2024
