1. Sissejuhatus
Raadiosageduslik (RF) energia kogumine (RFEH) ja kiirguslik traadita energiaülekanne (WPT) on äratanud suurt huvi kui meetodid akuvabade jätkusuutlike traadita võrkude loomiseks. Rettennad on WPT ja RFEH süsteemide nurgakivi ning neil on oluline mõju koormusele edastatavale alalisvooluvõimsusele. Rettenna antennielemendid mõjutavad otseselt kogumise efektiivsust, mis võib kogutud võimsust mitme suurusjärgu võrra muuta. Käesolevas artiklis antakse ülevaade WPT ja ümbritseva RFEH rakendustes kasutatavatest antenni konstruktsioonidest. Avaldatud retennad liigitatakse kahe peamise kriteeriumi alusel: antenni alaldi impedantsi ribalaius ja antenni kiirgusomadused. Iga kriteeriumi puhul määratakse ja vaadeldakse võrdlevalt erinevate rakenduste teenetetegur (FoM).
Tesla pakkus WPT välja 20. sajandi alguses meetodina tuhandete hobujõudude edastamiseks. Mõiste rectenna, mis kirjeldab alaldiga ühendatud antenni raadiosagedusliku võimsuse kogumiseks, tekkis 1950. aastatel kosmose mikrolaineenergia edastamise rakenduste ja autonoomsete droonide toiteks. Igasuunalist ja pika ulatusega WPT-d piiravad levikeskkonna (õhu) füüsikalised omadused. Seetõttu piirdub kommertslik WPT peamiselt lähivälja mittekiirgusliku energiaülekandega traadita tarbeelektroonika laadimiseks või RFID-ks.
Kuna pooljuhtseadmete ja traadita andurite sõlmede energiatarve jätkuvalt väheneb, muutub andurite sõlmede toiteks üha teostatavamaks ümbritseva raadiosagedusliku ehh-kiirguse (RFEH) või hajutatud väikese energiatarbega igasuunaliste saatjate kasutamine. Üliväikese energiatarbega traadita toitesüsteemid koosnevad tavaliselt raadiosagedusliku signaali omandamise esiotsast, alalisvoolu toite- ja mäluhaldusest ning väikese energiatarbega mikroprotsessorist ja saatjast-vastuvõtjast.
Joonis 1 näitab RFEH traadita sõlme arhitektuuri ja levinumaid raadiosagedusliku esiotsa rakendusi. Traadita toitesüsteemi otsast lõpuni efektiivsus ja sünkroniseeritud traadita teabe ja toite ülekandevõrgu arhitektuur sõltuvad üksikute komponentide, näiteks antennide, alaldite ja toitehaldusahelate jõudlusest. Süsteemi eri osade kohta on läbi viidud mitu kirjanduse ülevaadet. Tabel 1 võtab kokku toitemuundamise etapi, tõhusa toitemuundamise põhikomponendid ja iga osaga seotud kirjanduse ülevaated. Hiljutine kirjandus keskendub toitemuundamise tehnoloogiale, alaldi topoloogiatele või võrguteadlikule RFEH-le.
Joonis 1
Siiski ei peeta antenni konstruktsiooni raadiosagedusliku energiahõõgvea (RFEH) puhul kriitiliseks komponendiks. Kuigi mõnes kirjanduses käsitletakse antenni ribalaiust ja efektiivsust üldisest vaatenurgast või konkreetse antenni konstruktsiooni, näiteks miniatuursete või kantavate antennide, vaatenurgast, ei analüüsita teatud antenniparameetrite mõju võimsuse vastuvõtule ja muundamise efektiivsusele üksikasjalikult.
See artikkel annab ülevaate antennide disainitehnikatest rectennas, eesmärgiga eristada RFEH ja WPT spetsiifilisi antennide disainiprobleeme standardsetest sideantennide disainidest. Antenne võrreldakse kahest vaatenurgast: ots-ots impedantsi sobitamine ja kiirgusomadused; igal juhul tuvastatakse ja vaadatakse üle FoM tipptasemel (SoA) antennides.
2. Ribalaius ja sobitamine: mitte-50Ω raadiosagedusvõrgud
50 Ω iseloomulik impedants on varajane kaalutlus sumbumise ja võimsuse vahelise kompromissi osas mikrolaineahju insenerirakendustes. Antennides on impedantsi ribalaius defineeritud kui sagedusvahemik, kus peegeldunud võimsus on alla 10% (S11 < −10 dB). Kuna madala müratasemega võimendid (LNA-d), võimsusvõimendid ja detektorid on tavaliselt konstrueeritud 50 Ω sisendimpedantsiga, siis traditsiooniliselt kasutatakse 50 Ω allikat.
Alaldi puhul suunatakse antenni väljund otse alaldisse ja dioodi mittelineaarsus põhjustab sisendtakistuse suurt varieerumist, kusjuures mahtuvuslik komponent domineerib. Eeldades 50Ω antenni, on peamiseks väljakutseks täiendava raadiosagedusliku sobitusvõrgu kujundamine, mis teisendaks sisendtakistuse alaldi takistuseks huvipakkuva sageduse juures ja optimeeriks seda kindla võimsustaseme jaoks. Sellisel juhul on efektiivse raadiosagedusliku alalisvoolu muundamise tagamiseks vaja otsast otsani takistuse ribalaiust. Seega, kuigi antennid võivad perioodiliste elementide või ennast täiendava geomeetria abil saavutada teoreetiliselt lõpmatu või ülilaia ribalaiuse, on alaldi sobitusvõrgu tõttu asfaldil asfaldi ribalaius kitsaskohaks.
Ühe- ja mitmeribalise signaali kogumise ehk WPT saavutamiseks on pakutud välja mitu rectenna topoloogiat, minimeerides peegeldusi ja maksimeerides võimsusülekannet antenni ja alaldi vahel. Joonis 2 näitab avaldatud rectenna topoloogiate struktuure, mis on liigitatud nende impedantsi sobitamise arhitektuuri järgi. Tabel 2 näitab iga kategooria otsast otsani ribalaiuse (antud juhul FoM) osas suure jõudlusega rectenna näiteid.
Joonis 2. Retenna topoloogiad ribalaiuse ja impedantsi sobitamise seisukohast. (a) Üheribaline retenna standardantenniga. (b) Mitmeribaline retenna (koosneb mitmest omavahel ühendatud antennist) ühe alaldi ja sobitusvõrguga iga sagedusala kohta. (c) Lairibaline retenna mitme raadiosageduspordi ja iga sagedusala jaoks eraldi sobitusvõrkudega. (d) Lairibaline retenna lairibaantenni ja lairiba sobitusvõrguga. (e) Üheribaline retenna, mis kasutab alaldiga otse sobitatud elektriliselt väikest antenni. (f) Üheribaline, elektriliselt suur antenn kompleksse impedantsiga alaldiga konjugeerimiseks. (g) Lairibaline retenna kompleksse impedantsiga alaldiga konjugeerimiseks sagedusvahemikus.
Kuigi WPT ja eraldatud toitest tulev ümbritsev RFEH on sirkli erinevad rakendused, on antenni, alaldi ja koormuse ots-otsa sobitamine ülioluline, et saavutada ribalaiuse seisukohast kõrge võimsusmuundamise efektiivsus (PCE). Sellest hoolimata keskenduvad WPT sirklid rohkem kõrgema kvaliteediteguri sobitamisele (madalam S11), et parandada üheribalist PCE-d teatud võimsustasemetel (topoloogiad a, e ja f). Üheribalise WPT lai ribalaius parandab süsteemi immuunsust hääbumise, tootmisdefektide ja pakendiparasiitide suhtes. Teisest küljest seavad RFEH sirklid esikohale mitmeribalise töö ja kuuluvad topoloogiatesse bd ja g, kuna ühe ribalaiuse võimsusspektritihedus (PSD) on üldiselt madalam.
3. Ristkülikukujuline antenni disain
1. Ühesageduslik sirge
Ühesagedusliku sirgjoonelise antenni (topoloogia A) disain põhineb peamiselt standardsetel antenni konstruktsioonidel, näiteks lineaarse polarisatsiooniga (LP) või ringpolarisatsiooniga (CP) kiirgava plaastriga maandustasandil, dipoolantennil ja inverteeritud F-antennil. Diferentsiaalriba sirgjooneline antenn põhineb alalisvoolu kombinatsiooniga massiivil, mis on konfigureeritud mitme antenniüksusega või mitme plaastriüksuse segatud alalisvoolu ja raadiosageduse kombinatsiooniga.
Kuna paljud pakutud antennid on ühesageduslikud ja vastavad ühesagedusliku lainepikkuse võimsuse mõõtmise (WPT) nõuetele, siis keskkonna mitmesagedusliku raadiosagedusliku kõrgsagedusliku energia (RFEH) saavutamiseks kombineeritakse mitu ühesageduslikku antenni mitmesageduslikeks sirgeteks antennideks (topoloogia B), millel on vastastikune sidestuse summutamine ja sõltumatu alalisvoolu kombineerimine pärast toitehaldusahelat, et need täielikult raadiosagedusliku signaali omandamise ja muundamise ahelast isoleerida. See nõuab iga sagedusala jaoks mitut toitehaldusahelat, mis võib vähendada võimendusmuunduri efektiivsust, kuna ühe sagedusala alalisvoolu võimsus on madal.
2. Mitme sagedusribaga ja lairiba RFEH-antennid
Keskkonnaalane RFEH seostatakse sageli mitme sagedusribaga signaali omandamisega; seetõttu on pakutud välja mitmesuguseid tehnikaid standardsete antennide ribalaiuse parandamiseks ja meetodeid kahe sagedusribaga või sagedusribaga antennimassiivide moodustamiseks. Selles osas vaatame üle RFEH-de jaoks mõeldud kohandatud antennide disainid, samuti klassikalised mitme sagedusribaga antennid, mida saab kasutada sirgjooneliste antennidena.
Koplaarsed lainejuhtantennid (CPW) hõivavad samal sagedusel vähem pinda kui mikroribaplaasterantennid ja tekitavad LP- või CP-laineid ning neid kasutatakse sageli lairiba keskkonna sirgjooneliste antennide jaoks. Peegeldustasandilisi antenne kasutatakse isolatsiooni suurendamiseks ja võimenduse parandamiseks, mille tulemuseks on sirgjooneliste antennidega sarnased kiirgusmustrid. Piluga koplaarseid lainejuhtantenne kasutatakse impedantsi ribalaiuste parandamiseks mitmes sagedusribas, näiteks 1,8–2,7 GHz või 1–3 GHz. Seotud toitega piluantenne ja sirgjoonelisi antenne kasutatakse sageli ka mitme sagedusribaga sirgjoonelistes konstruktsioonides. Joonis 3 näitab mõningaid teadaolevaid mitme sagedusribaga antenne, mis kasutavad rohkem kui ühte ribalaiuse parandamise tehnikat.
Joonis 3
Antenni ja alaldi impedantsi sobitamine
50Ω antenni sobitamine mittelineaarse alaldiga on keeruline, kuna selle sisendtakistus varieerub sagedusest olenevalt oluliselt. Topoloogiates A ja B (joonis 2) on tavaline sobitusvõrk LC-sobitus, mis kasutab koondatud elemente; suhteline ribalaius on aga tavaliselt madalam kui enamikul sidesagedusribadel. Ühesagedusribalist stub-sobitust kasutatakse tavaliselt mikrolaine- ja millimeeterlainesagedusalades alla 6 GHz ning teatatud millimeeterlaine alalditel on loomupäraselt kitsas ribalaius, kuna nende PCE-ribalaiust piirab väljundharmooniliste summutamine, mis muudab need eriti sobivaks ühesagedusribalise WPT-rakenduste jaoks 24 GHz litsentseerimata sagedusalas.
Topoloogiates C ja D olevad sirgjooned omavad keerukamaid sobitusvõrke. Lairiba sobitamiseks on pakutud täielikult hajutatud liini sobitusvõrke, mille väljundporti kuulub raadiosagedusplokk/alalisvoolu lühis (pääsfilter) või dioodi harmooniliste tagasivoolukanaliks alalisvoolu blokeeriv kondensaator. Alaldi komponente saab asendada trükkplaadil (PCB) olevate omavahel ühendatud kondensaatoritega, mis sünteesitakse kaubanduslike elektroonikaseadmete projekteerimise automatiseerimise tööriistade abil. Teistes teadaolevates lairiba sirgjoonelistes sobitusvõrkudes on ühendatud koondatud elemendid madalamate sagedustega sobitamiseks ja hajutatud elemendid raadiosageduslühise loomiseks sisendis.
Koormuse kaudu allika kaudu vaadeldava sisendtakistuse varieerimist (tuntud kui allika-tõmbe tehnika) on kasutatud lairiba alaldi konstrueerimiseks, millel on 57% suhteline ribalaius (1,25–2,25 GHz) ja 10% kõrgem PCE võrreldes koondatud või hajutatud vooluringidega. Kuigi sobitusvõrgud on tavaliselt konstrueeritud antennide sobitamiseks kogu 50Ω ribalaiuse ulatuses, on kirjanduses teateid, kus lairiba antennid on ühendatud kitsaribaliste alalditega.
Hübriidseid koondelementidega ja hajuselementidega sobitusvõrke on laialdaselt kasutatud topoloogiates C ja D, kusjuures kõige sagedamini kasutatavad koondelemendid on jadapoolid ja kondensaatorid. Need väldivad keerukaid struktuure, näiteks põimitud kondensaatoreid, mis nõuavad täpsemat modelleerimist ja valmistamist kui tavalised mikroribaliinid.
Alaldi sisendvõimsus mõjutab sisendtakistust dioodi mittelineaarsuse tõttu. Seetõttu on sirgendaja konstrueeritud nii, et see maksimeeriks PCE-d konkreetse sisendvõimsuse taseme ja koormustakistuse korral. Kuna dioodid on peamiselt mahtuvuslikud ja suure takistusega sagedustel alla 3 GHz, on lairiba sirgendajad, mis välistavad sobitusvõrgud või minimeerivad lihtsustatud sobitusahelad, keskendunud sagedustele Prf > 0 dBm ja üle 1 GHz, kuna dioodidel on madal mahtuvuslik takistus ja neid saab antenniga hästi sobitada, vältides seega antennide projekteerimist sisendreaktantsiga > 1000 Ω.
Adaptiivset ehk rekonfigureeritavat impedantsi sobitamist on täheldatud CMOS-aasantennides, kus sobitusvõrk koosneb kiibil olevatest kondensaatorpankadest ja induktiivpoolidest. Staatilisi CMOS-sobitusvõrke on pakutud ka standardsete 50Ω antennide ja kaasprojekteeritud silmusantennide jaoks. On teatatud, et passiivseid CMOS-võimsusdetektoreid kasutatakse lülitite juhtimiseks, mis suunavad antenni väljundi erinevatele alalditele ja sobitusvõrkudele olenevalt saadaolevast võimsusest. On välja pakutud rekonfigureeritav sobitusvõrk, mis kasutab koondatud häälestatavaid kondensaatoreid, mida häälestatakse peenhäälestamise teel, mõõtes samal ajal sisendimpedantsi vektorvõrgu analüsaatori abil. Rekonfigureeritavates mikroriba sobitusvõrkudes on kaheribaliste omaduste saavutamiseks kasutatud väljatransistorilüliteid sobitusotsade reguleerimiseks.
Antennide kohta lisateabe saamiseks külastage palun järgmist saiti:
Postituse aeg: 09.08.2024
