1.Introduktion
Radiofrekvens (RF) energihøst (RFEH) og radiativ trådløs kraftoverførsel (WPT) har tiltrukket sig stor interesse som metoder til at opnå batterifrie, bæredygtige trådløse netværk. Rectennaer er hjørnestenen i WPT- og RFEH-systemer og har en væsentlig indflydelse på den jævnstrøm, der leveres til belastningen. Rectennaens antenneelementer påvirker direkte høsteffektiviteten, som kan variere den høstede effekt med flere størrelsesordener. Dette papir gennemgår de antennedesign, der anvendes i WPT- og omgivende RFEH-applikationer. De rapporterede rektenner er klassificeret efter to hovedkriterier: antenneens båndbredde for ensretter impedans og antennens strålingskarakteristika. For hvert kriterium bestemmes og gennemgås værdien af merit (FoM) for forskellige ansøgninger.
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-strøm, opstod i 1950'erne til rummikrobølgestrømtransmissionsapplikationer og til at drive autonome droner. Omnidirektionel, langtrækkende WPT er begrænset af de fysiske egenskaber af udbredelsesmediet (luft). Derfor er kommerciel WPT hovedsageligt begrænset til nærfelts ikke-strålende strømoverførsel til trådløs forbrugerelektronikopladning eller RFID.
Efterhånden som strømforbruget for halvlederenheder og trådløse sensorknudepunkter fortsætter med at falde, bliver det mere muligt at forsyne sensorknudepunkter ved hjælp af omgivende RFEH eller ved at bruge distribuerede rundstrålende sendere med lav effekt. Ultra-low-power trådløse strømsystemer består normalt af en RF-indsamlingsfrontend, DC-strøm og hukommelsesstyring og 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 strømsystem og arkitekturen af det synkroniserede trådløse informations- og strømoverførselsnetværk afhænger af ydeevnen af individuelle komponenter, såsom antenner, ensrettere og strømstyringskredsløb. Der er gennemført flere litteraturundersøgelser for forskellige dele af systemet. Tabel 1 opsummerer effektkonverteringsstadiet, nøglekomponenter til effektiv strømkonvertering og relaterede litteraturundersøgelser for hver del. Nyere litteratur fokuserer på strømkonverteringsteknologi, ensrettertopologier eller netværksbevidste 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.
Dette papir gennemgår antennedesignteknikker i rektenner med det formål at skelne RFEH- og WPT-specifikke antennedesignudfordringer fra standardkommunikationsantennedesign. Antenner sammenlignes fra to perspektiver: ende-til-ende impedanstilpasning og strålingskarakteristika; i hvert tilfælde identificeres og gennemgås FoM i de avancerede (SoA) antenner.
2. Båndbredde og matchning: Ikke-50Ω RF-netværk
Den karakteristiske impedans på 50Ω er en tidlig overvejelse af kompromiset mellem dæmpning og effekt i mikrobølgetekniske applikationer. I antenner er impedansbåndbredden defineret som frekvensområdet, hvor den reflekterede effekt er mindre end 10 % (S11< − 10 dB). Da lavstøjsforstærkere (LNA'er), effektforstærkere og detektorer typisk er designet med en 50Ω indgangsimpedansmatch, refereres der traditionelt til en 50Ω-kilde.
I en rektenne føres antennens output direkte ind i ensretteren, og diodens ulinearitet forårsager en stor variation i indgangsimpedansen, hvor den kapacitive komponent dominerer. Forudsat en 50Ω-antenne er hovedudfordringen at designe et ekstra RF-tilpasningsnetværk for at transformere indgangsimpedansen til ensretterens impedans ved den aktuelle frekvens og optimere den til et specifikt effektniveau. I dette tilfælde kræves ende-til-ende-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 rektennaens båndbredde være flaskehalsede af ensretterens matchende netværk.
Adskillige rektennetopologier er blevet foreslået for at opnå enkeltbånds- og multibånds-høstning eller WPT ved at minimere refleksioner og maksimere strømoverførsel mellem antennen og ensretteren. Figur 2 viser strukturerne af de rapporterede rectenna-topologier, kategoriseret efter deres impedanstilpasningsarkitektur. Tabel 2 viser eksempler på højtydende rektenner med hensyn til ende-til-ende båndbredde (i dette tilfælde FoM) for hver kategori.
Figur 2 Rectenna-topologier set ud fra båndbredde- og impedanstilpasning. (a) Enkeltbåndsrektenne med standardantenne. (b) Multibåndsrektenne (sammensat af flere indbyrdes koblede antenner) med en ensretter og matchende netværk pr. bånd. (c) Bredbåndsrektenna med flere RF-porte og separate matchende netværk for hvert bånd. d) Bredbåndsrektenne med bredbåndsantenne og bredbåndsmatchende netværk. (e) Enkeltbåndsrektenne, der anvender en elektrisk lille antenne, der er direkte tilpasset til ensretteren. (f) Enkeltbånds, elektrisk stor antenne med kompleks impedans til at konjugere med ensretteren. (g) Bredbåndsrektenne med kompleks impedans til at konjugere med ensretteren over en række frekvenser.
Mens WPT og ambient RFEH fra dedikeret feed er forskellige rectenna-applikationer, er opnåelse af end-to-end-matching mellem antenne, ensretter og belastning grundlæggende for at opnå høj effektkonverteringseffektivitet (PCE) fra et båndbreddeperspektiv. Ikke desto mindre fokuserer WPT-rektennaer mere på at opnå højere kvalitetsfaktortilpasning (lavere S11) for at forbedre enkeltbånds PCE ved bestemte effektniveauer (topologi a, e og f). Den brede båndbredde af enkeltbånds WPT forbedrer systemets immunitet over for detuning, fabrikationsfejl og pakkeparasitter. På den anden side prioriterer RFEH-rektenner flerbåndsdrift og tilhører topologierne bd og g, da effektspektraltætheden (PSD) for et enkelt bånd generelt er lavere.
3. Rektangulært antennedesign
1. Enkeltfrekvens rektenne
Antennedesignet af enkeltfrekvensrektenner (topologi A) er hovedsageligt baseret på standardantennedesign, såsom lineær polarisation (LP) eller cirkulær polarisering (CP) udstrålende patch på jordplanet, dipolantenne og inverteret F-antenne. Differentialbåndsrektenna er baseret på DC-kombinationsarray konfigureret med flere antenneenheder eller 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 multibåndsrektenner (topologi B) med gensidig koblingsundertrykkelse, når der søges miljømæssig multifrekvens RFEH. uafhængig DC-kombination efter strømstyringskredsløbet for fuldstændigt at isolere dem fra RF-opsamlings- og konverteringskredsløbet. Dette kræver flere strømstyringskredsløb for hvert bånd, hvilket kan reducere effektiviteten af boost-konverteren, fordi DC-effekten af et enkelt bånd er lav.
2. Multibånds- og bredbånds RFEH-antenner
Miljømæssig RFEH er ofte forbundet med multi-band erhvervelse; derfor er en række forskellige teknikker blevet foreslået til at forbedre båndbredden af standardantennedesigns og metoder til dannelse af dobbeltbånds- eller båndantennearrays. I dette afsnit gennemgår vi brugerdefinerede antennedesign til RFEH'er, såvel som klassiske multibåndsantenner med potentiale til at blive brugt som rektenner.
Coplanar waveguide (CPW) monopol-antenner optager mindre areal end mikrostrip patch-antenner ved samme frekvens og producerer LP- eller CP-bølger og bruges ofte til bredbåndsmiljørektenner. Refleksionsplaner bruges til at øge isolationen og forbedre forstærkningen, hvilket resulterer i strålingsmønstre, der ligner patch-antenner. Slidsede koplanære bølgelederantenner bruges til at forbedre impedansbåndbredder for flere frekvensbånd, såsom 1,8–2,7 GHz eller 1–3 GHz. Koblet-føde slot-antenner og patch-antenner er også almindeligt anvendt i multi-band rektenne design. Figur 3 viser nogle rapporterede multibåndsantenner, der anvender mere end én båndbreddeforbedringsteknik.
Figur 3
Antenne-Ensretter Impedans Matching
At matche en 50Ω-antenne til en ikke-lineær ensretter er udfordrende, fordi dens indgangsimpedans varierer meget med frekvensen. I topologi A og B (figur 2) er det fælles matchende netværk et LC-match ved hjælp af klumpede elementer; dog er den relative båndbredde normalt lavere end de fleste kommunikationsbånd. Single-band stub matching bruges almindeligvis i mikrobølge- og millimeterbølgebånd under 6 GHz, og de rapporterede millimeterbølge-rektenner har en iboende smal båndbredde, fordi deres PCE-båndbredde er flaskehalsede af output harmonisk undertrykkelse, hvilket gør dem særligt velegnede til enkelt- bånd WPT-applikationer i det 24 GHz ulicenserede bånd.
Rektennerne i topologi C og D har mere komplekse matchende netværk. Fuldt distribuerede linjetilpasningsnetværk er blevet foreslået til bredbåndstilpasning med en RF-blok/DC-kortslutning (pasfilter) ved udgangsporten eller en DC-blokerende kondensator som returvej for diodeharmoniske. Ensretterkomponenterne kan erstattes af printkort (PCB) interdigiterede kondensatorer, som er syntetiseret ved hjælp af kommercielle elektroniske designautomatiseringsværktøjer. Andre rapporterede bredbånds-rektenna-tilpasningsnetværk kombinerer sammenklumpede elementer til tilpasning til lavere frekvenser og distribuerede elementer til at skabe en RF-kortslutning ved indgangen.
Variation af inputimpedansen observeret 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 med smalbånds-ensrettere.
Hybrid-tilpasningsnetværk med klumpelementer og distribuerede elementer er blevet brugt i vid udstrækning i topologi C og D, hvor serieinduktorer og kondensatorer er de mest almindeligt anvendte klumpelementer. Disse undgår komplekse strukturer såsom interdigiterede kondensatorer, som kræver mere nøjagtig modellering og fremstilling end standard mikrostrip-linjer.
Indgangseffekten til ensretteren påvirker indgangsimpedansen på grund af diodens ulinearitet. Derfor er rectennaen designet til at maksimere PCE'en for et specifikt indgangseffektniveau og belastningsimpedans. Da dioder primært er kapacitive højimpedanser ved frekvenser under 3 GHz, er bredbåndsrektenner, der eliminerer matchende netværk eller minimerer forenklede matchende kredsløb, blevet 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 >1.000Ω.
Adaptiv eller rekonfigurerbar impedanstilpasning er set i CMOS-rektenner, hvor det matchende netværk består af on-chip kondensatorbanker og induktorer. Statiske CMOS-matchende netværk er også blevet foreslået til standard 50Ω-antenner såvel som co-designede sløjfeantenner. Det er blevet rapporteret, at passive CMOS-effektdetektorer bruges til at styre kontakter, der dirigerer antennens output til forskellige ensrettere og matchende netværk afhængigt af den tilgængelige effekt. Der er blevet foreslået et rekonfigurerbart matchende netværk, der bruger sammensatte tunbare kondensatorer, som er tunet ved finjustering, mens inputimpedansen måles ved hjælp af en vektornetværksanalysator. I rekonfigurerbare mikrostrip-tilpasningsnetværk er felteffekttransistoromskiftere blevet brugt til at justere de matchende stubber for at opnå dobbeltbåndskarakteristika.
For at lære mere om antenner, besøg venligst:
Indlægstid: Aug-09-2024
