1.Sissejuhatus
Raadiosageduse (RF) energia kogumine (RFEH) ja kiirgav traadita jõuülekanne (WPT) on äratanud suurt huvi kui meetodid akuvabade jätkusuutlike traadita võrkude saavutamiseks. Rectennad on WPT- ja RFEH-süsteemide nurgakivi ning neil on oluline mõju koormusele tarnitavale alalisvoolule. Rectenna antennielemendid mõjutavad otseselt kogumise efektiivsust, mis võib koristatud võimsust mitme suurusjärgu võrra muuta. Selles artiklis vaadeldakse WPT ja ümbritseva RFEH rakendustes kasutatavaid antennide konstruktsioone. Teatatud sirgjooned klassifitseeritakse kahe peamise kriteeriumi järgi: antenni alaldustakistusriba laius ja antenni kiirgusomadused. Iga kriteeriumi jaoks määratakse erinevate rakenduste teenete arv (FoM) ja vaadatakse seda võrdlevalt läbi.
Tesla pakkus WPT välja 20. sajandi alguses kui meetodit tuhandete hobujõudude edastamiseks. Termin rectenna, mis kirjeldab raadiosagedusliku võimsuse kogumiseks alaldiga ühendatud antenni, tekkis 1950. aastatel kosmose mikrolaineenergia ülekanderakenduste ja autonoomsete droonide toiteks. Mitmesuunalist pikamaa WPT-d piiravad levikeskkonna (õhu) füüsikalised omadused. Seetõttu piirdub kaubanduslik WPT peamiselt lähivälja mittekiirgusliku jõuülekandega traadita olmeelektroonika laadimise või RFID-i jaoks.
Kuna pooljuhtseadmete ja juhtmeta andurite sõlmede energiatarve väheneb jätkuvalt, muutub andurisõlmede toiteallikaks ümbritseva RFEH-i või hajutatud väikese võimsusega mitmesuunalisi saatjaid kasutavamaks. Ülimadala võimsusega traadita toitesüsteemid koosnevad tavaliselt raadiosagedustuvastuse esiosast, alalisvoolu ja mäluhaldusest ning väikese võimsusega mikroprotsessorist ja transiiverist.
Joonisel 1 on kujutatud RFEH traadita sõlme arhitektuur ja tavaliselt teatatud RF esiotsa rakendused. Traadita toitesüsteemi tõhusus ning sünkroniseeritud traadita teabe- ja toiteedastusvõrgu arhitektuur sõltub üksikute komponentide, nagu antennid, alaldid ja toitehaldusahelad, jõudlusest. Süsteemi erinevate osade kohta on läbi viidud mitmeid kirjandusuuringuid. Tabelis 1 on kokku võetud võimsuse muundamise etapp, tõhusa võimsuse muundamise põhikomponendid ja iga osaga seotud kirjandusuuringud. Hiljutine kirjandus keskendub võimsuse muundamise tehnoloogiale, alaldi topoloogiatele või võrguteadlikule RFEH-ile.
Joonis 1
Siiski ei peeta antenni disaini RFEH-i kriitiliseks komponendiks. Kuigi mõnes kirjanduses käsitletakse antenni ribalaiust ja tõhusust üldisest vaatenurgast või konkreetsest antenni disaini vaatenurgast, näiteks miniatuursed või kantavad antennid, ei analüüsita antenni teatud parameetrite mõju võimsuse vastuvõtule ja muundamise efektiivsusele üksikasjalikult.
Käesolevas artiklis vaadeldakse antennide konstrueerimise tehnikaid sirges antennides eesmärgiga eristada RFEH- ja WPT-spetsiifilisi antennikujunduse väljakutseid standardsetest sideantennide disainist. Antenne võrreldakse kahest vaatenurgast: ots-ots-impedantsi sobitamine ja kiirguskarakteristikud; igal juhul tuvastatakse FoM ja vaadatakse see üle nüüdisaegsetes (SoA) antennides.
2. Ribalaius ja sobitamine: mitte-50Ω RF-võrgud
Iseloomulik impedants 50 Ω on sumbumise ja võimsuse vahelise kompromissi varajane kaalumine mikrolainetehnoloogia rakendustes. Antennides on impedantsi ribalaius määratletud kui sagedusvahemik, kus peegeldunud võimsus on alla 10% (S11< − 10 dB). Kuna madala müraga võimendid (LNA-d), võimsusvõimendid ja detektorid on tavaliselt projekteeritud 50 Ω sisendtakistusega, viidatakse tavaliselt 50 Ω allikale.
Rektennis juhitakse antenni väljund otse alaldi ja dioodi mittelineaarsus põhjustab sisendtakistuses suuri erinevusi, kusjuures domineerib mahtuvuslik komponent. Eeldades 50Ω antenni, on peamiseks väljakutseks täiendava RF-sobitusvõrgu kavandamine, et muuta sisendtakistus huvipakkuval sagedusel alaldi impedantsiks ja optimeerida seda konkreetse võimsustaseme jaoks. Sellisel juhul on tõhusa raadiosagedusliku alalisvoolu konversiooni tagamiseks vajalik ots-otsa impedantsi ribalaius. Seetõttu, kuigi antennid suudavad perioodiliste elementide või isekomplementaarse geomeetria abil teoreetiliselt saavutada lõpmatu või ülilaia ribalaiuse, piirab sirgjoone ribalaiust alaldi sobitusvõrk.
Ühe- ja mitmeribalise kogumise või WPT saavutamiseks on välja pakutud mitu sirge antenni topoloogiat, minimeerides peegeldusi ja maksimeerides antenni ja alaldi vahelist võimsuse ülekannet. Joonisel 2 on näidatud teatatud sirgete topoloogiate struktuurid, mis on liigitatud nende impedantsi sobitamise arhitektuuri järgi. Tabelis 2 on toodud näited suure jõudlusega ristkülikutest, mis on seotud iga kategooria ribalaiusega (antud juhul FoM).
Joonis 2 Rectenna topoloogiad ribalaiuse ja impedantsi sobitamise vaatenurgast. (a) Üheribaline sirge antenn standardantenniga. (b) Mitmeribaline ristmik (koosneb mitmest vastastikku ühendatud antennist) ühe alaldi ja sobiva võrguga riba kohta. (c) lairiba sirge võrk, millel on mitu RF-porti ja iga sagedusala jaoks eraldi sobivad võrgud. d) lairiba antenni lairibaühenduse ja lairiba sobitusvõrguga. (e) Üheribaline ristmik, kasutades elektriliselt väikest antenni, mis on otse alaldiga sobitatud. f) Üheribaline, elektriliselt suur antenn, millel on keeruline takistus alaldiga konjugeerimiseks. (g) Kompleksse impedantsiga lairiba alaldiga konjugeerimiseks sagedusvahemikus.
Kuigi spetsiaalselt toiteallikalt saadav WPT ja ümbritsev RFEH on erinevad sirgjoonelised rakendused, on antenni, alaldi ja koormuse ots-otsa sobivuse saavutamine ülioluline, et saavutada ribalaiuse vaatenurgast kõrge võimsuse muundamise efektiivsus (PCE). Sellest hoolimata keskenduvad WPT rectennad rohkem kõrgema kvaliteediteguri sobitamise saavutamisele (madalam S11), et parandada üheribalist PCE-d teatud võimsustasemetel (topoloogiad a, e ja f). Üheribalise WPT lai ribalaius parandab süsteemi vastupanuvõimet häälestamise, tootmisdefektide ja pakkimisparasiitide suhtes. Teisest küljest eelistavad RFEH rectennad mitmeribalist tööd ja kuuluvad topoloogiatesse bd ja g, kuna ühe riba võimsusspektri tihedus (PSD) on üldiselt madalam.
3. Ristkülikukujuline antenni disain
1. Ühe sagedusega sirgjoon
Ühesagedusliku sirgjoonelise antenni konstruktsioon (topoloogia A) põhineb peamiselt standardantenni konstruktsioonil, nagu lineaarne polarisatsioon (LP) või ringpolarisatsioon (CP), mis kiirgab alusplaadil, dipoolantenn ja pööratud F antenn. Diferentsiaalriba sirgjooneline põhineb alalisvoolu kombineeritud massiivil, mis on konfigureeritud mitme antenniüksusega või mitme plaastriüksuse alalis- ja RF-kombinatsioonil.
Kuna paljud pakutud antennid on ühesageduslikud antennid ja vastavad ühesagedusliku WPT nõuetele, kombineeritakse mitme sagedusega antennid keskkonnakaitselise mitmesagedusliku RFEH-i otsimisel mitmeribalisteks ristantennideks (topoloogia B), millel on vastastikune sidestus summutamine ja sõltumatu alalisvoolu kombinatsioon pärast toitehaldusahelat, et need täielikult isoleerida raadiosagedusliku hankimise ja muundamise ahelast. See nõuab iga sagedusriba jaoks mitut toitehaldusahelat, mis võib vähendada võimendusmuunduri efektiivsust, kuna ühe riba alalisvõimsus on madal.
2. Mitmeribalised ja lairiba RFEH antennid
Keskkonnasõbralik RFEH on sageli seotud mitme sagedusriba omandamisega; seetõttu on standardsete antennikonstruktsioonide ribalaiuse parandamiseks pakutud välja mitmesuguseid tehnikaid ja meetodeid kahe- või ribaantenni massiivi moodustamiseks. Selles jaotises vaatleme kohandatud antennide konstruktsioone RFEH-ide jaoks, aga ka klassikalisi mitmeribalisi antenne, mida saab kasutada sirgete antennidena.
Coplanar waveguide (CPW) monopoolantennid hõivavad vähem pinda kui sama sagedusega mikroriba plaastriantennid ja toodavad LP- või CP-laineid ning neid kasutatakse sageli lairiba keskkonnasisendantennide jaoks. Peegeldustasandiid kasutatakse isolatsiooni suurendamiseks ja võimenduse parandamiseks, mille tulemuseks on plaastriantennidele sarnased kiirgusmustrid. Piludega koplanaarseid lainejuhiantenne kasutatakse impedantsi ribalaiuste parandamiseks mitme sagedusriba jaoks, näiteks 1,8–2,7 GHz või 1–3 GHz. Seotud toitega pesaantenne ja plaastriantenne kasutatakse tavaliselt ka mitmeribaliste sirgete antennide puhul. Joonis 3 näitab mõningaid teatatud mitmeribalisi antenne, mis kasutavad rohkem kui ühte ribalaiuse parandamise tehnikat.
Joonis 3
Antenni-alaldi impedantsi sobitamine
50 Ω antenni sobitamine mittelineaarse alaldiga on keeruline, kuna selle sisendtakistus varieerub sõltuvalt sagedusest suuresti. Topoloogiates A ja B (joonis 2) on ühine sobitusvõrk LC vaste, mis kasutab koondatud elemente; suhteline ribalaius on aga tavaliselt väiksem kui enamikul sideribadel. Üheribalist stub-sobitamist kasutatakse tavaliselt alla 6 GHz mikrolaine- ja millimeeterlaineribades ning esitatud millimeeterlaine risttennidel on oma olemuselt kitsas ribalaius, kuna nende PCE ribalaiust piirab väljundi harmooniliste summutus, mis muudab need eriti sobivaks ühekordseks kasutamiseks. sagedusriba WPT-rakendused 24 GHz litsentsimata sagedusalas.
Topoloogiate C ja D sirgjoontel on keerulisemad sobitusvõrgud. Lairiba sobitamiseks on pakutud välja täielikult hajutatud liinisobitusvõrgud, mille väljundpordis on RF-blokk/DC-lühis (läbipääsfilter) või alalisvoolu blokeeriv kondensaator dioodide harmooniliste tagasiteeks. Alaldi komponente saab asendada trükkplaadi (PCB) interdigiteeritud kondensaatoritega, mis sünteesitakse kaubanduslike elektrooniliste projekteerimisvahendite abil. Teised teatatud lairiba sirgjoonelise sobitamise võrgud ühendavad ühendatud elemente madalamate sagedustega sobitamiseks ja hajutatud elemente, et luua sisendis RF lühis.
Koormuse poolt allika kaudu täheldatud sisendtakistuse muutmist (tuntud kui allikatõmbetehnika) on kasutatud lairiba-alaldi projekteerimiseks, mille suhteline ribalaius on 57% (1,25–2,25 GHz) ja 10% kõrgem PCE võrreldes koondatud või hajutatud vooluahelatega. . Kuigi sobitusvõrgud on tavaliselt kavandatud sobitama antenne kogu 50 Ω ribalaiuse ulatuses, on kirjanduses teateid, kus lairibaantennid on ühendatud kitsariba-alalditega.
Topoloogiates C ja D on laialdaselt kasutatud hübriidseid liitelementide ja hajutatud elementide sobitusvõrke, kusjuures kõige sagedamini kasutatavad koondunud elemendid on järjestikused induktiivpoolid ja kondensaatorid. Need väldivad keerulisi struktuure, nagu interdigiteeritud kondensaatorid, mis nõuavad täpsemat modelleerimist ja valmistamist kui tavalised mikroribaliinid.
Alaldi sisendvõimsus mõjutab dioodi mittelineaarsuse tõttu sisendtakistust. Seetõttu on rectenna loodud selleks, et maksimeerida PCE-d konkreetse sisendvõimsuse taseme ja koormuse impedantsi jaoks. Kuna dioodid on peamiselt mahtuvuslikud kõrge takistusega sagedustel alla 3 GHz, on lairiba sirgjooned, mis välistavad sobitusvõrgud või minimeerivad lihtsustatud sobitusahelaid, keskendunud sagedustele Prf> 0 dBm ja üle 1 GHz, kuna dioodidel on madal mahtuvuslik takistus ja neid saab hästi sobitada. antenni külge, vältides nii antennide projekteerimist, mille sisendreaktants on >1000Ω.
Adaptiivset või ümberkonfigureeritavat impedantsi sobitamist on nähtud CMOS-i sirgjoonelistes, kus sobitusvõrk koosneb kiibil asuvatest kondensaatoripankadest ja induktiivpoolidest. Staatilisi CMOS-i sobitusvõrke on pakutud ka standardsete 50 Ω antennide ja kaasdisainitud silmusantennide jaoks. On teatatud, et passiivseid CMOS-võimsuse detektoreid kasutatakse lülitite juhtimiseks, mis suunavad antenni väljundi erinevatesse alalditesse ja sobitusvõrkudesse sõltuvalt olemasolevast võimsusest. Välja on pakutud ümberkonfigureeritav sobitusvõrk, mis kasutab koondatud häälestatavaid kondensaatoreid, mida häälestatakse peenhäälestusega, mõõtes samal ajal sisendtakistust vektorvõrgu analüsaatori abil. Ümberkonfigureeritavates mikroribade sobitusvõrkudes on kaheribaliste omaduste saavutamiseks sobitusjuppide reguleerimiseks kasutatud väljatransistorlüliteid.
Antennide kohta lisateabe saamiseks külastage:
Postitusaeg: august 09-2024
