1. Уводзіны
Збор энергіі радыёчастот (РЧ) (ЗРЭ) і радыяцыйная бесправадная перадача энергіі (ББЭ) выклікалі вялікую цікавасць як метады стварэння ўстойлівых бесправадных сетак без батарэй. Прамыя антэны з'яўляюцца краевугольным каменем сістэм БПЭ і ББЭ і аказваюць значны ўплыў на магутнасць пастаяннага току, якая падаецца ў нагрузку. Элементы антэны прамой антэны непасрэдна ўплываюць на эфектыўнасць збору, што можа змяняць атрыманую магутнасць на некалькі парадкаў. У гэтым артыкуле разглядаюцца канструкцыі антэн, якія выкарыстоўваюцца ў прымяненнях БПЭ і навакольнага ББЭ. Апісаныя прамыя антэны класіфікуюцца па двух асноўных крытэрыях: прапускная здольнасць выпрамляльнага імпедансу антэны і характарыстыкі выпраменьвання антэны. Для кожнага крытэрыя вызначаецца і параўнальна разглядаецца паказчык якасці (КК) для розных прымяненняў.
Бесправадная зарадка паветра (БПВ) была прапанавана Тэслай у пачатку 20 стагоддзя як метад перадачы тысяч конскіх сіл. Тэрмін «рэктэнна», які апісвае антэну, падлучаную да выпрамніка для збору радыёчастотнай магутнасці, з'явіўся ў 1950-х гадах для прымянення ў перадачы касмічнай мікрахвалевай энергіі і для харчавання аўтаномных беспілотнікаў. Усенакіраваная БПВ далёкага радыусу дзеяння абмежаваная фізічнымі ўласцівасцямі асяроддзя распаўсюджвання (паветра). Такім чынам, камерцыйная БПВ у асноўным абмежавана блізкапалевай невыпраменьвальнай перадачай энергіі для бесправадной зарадкі бытавой электронікі або RFID.
Па меры таго, як спажыванне энергіі паўправадніковымі прыладамі і бесправаднымі сэнсарнымі вузламі працягвае змяншацца, становіцца больш мэтазгодным сілкаваць сэнсарныя вузлы з выкарыстаннем навакольнага радыёчастотнага электраэнергетычнага выпраменьвання (РЧЭВ) або з выкарыстаннем размеркаваных маламагутных усенакіраваных перадатчыкаў. Бесправадныя сістэмы харчавання з ультрамаленькім энергаспажываннем звычайна складаюцца з пярэдняга блока збору радыёчастотных сігналаў, блока харчавання пастаяннага току і кіравання памяццю, а таксама маламагутнага мікрапрацэсара і прыёмаперадатчыка.
На малюнку 1 паказана архітэктура бесправаднога вузла RFEH і распаўсюджаныя рэалізацыі пярэдняга радыёчастотнага інтэрфейсу. Эфектыўнасць бесправадной сістэмы харчавання ад пачатку да канца і архітэктура сінхранізаванай бесправадной сеткі перадачы інфармацыі і энергіі залежыць ад прадукцыйнасці асобных кампанентаў, такіх як антэны, выпрамнікі і схемы кіравання харчаваннем. Было праведзена некалькі аглядаў літаратуры для розных частак сістэмы. У табліцы 1 падсумаваны этап пераўтварэння энергіі, ключавыя кампаненты для эфектыўнага пераўтварэння энергіі і адпаведныя агляды літаратуры для кожнай часткі. Нядаўняя літаратура сканцэнтравана на тэхналогіі пераўтварэння энергіі, тапалогіях выпрамнікоў або сеткава-арыентаваных RFEH.
Малюнак 1
Аднак канструкцыя антэны не лічыцца крытычна важным кампанентам у RFEH. Нягледзячы на тое, што ў некаторых літаратурах прапускная здольнасць і эфектыўнасць антэны разглядаюцца з агульнага пункту гледжання або з пункту гледжання канкрэтнай канструкцыі антэны, напрыклад, мініяцюрных або носных антэн, уплыў пэўных параметраў антэны на эфектыўнасць прыёму і пераўтварэння магутнасці не аналізуецца падрабязна.
У гэтым артыкуле разглядаюцца метады праектавання антэн для прамых тэн з мэтай адрознення праблем, спецыфічных для праектавання антэн RFEH і WPT, ад стандартных праблем праектавання камунікацыйных антэн. Антэны параўноўваюцца з двух пунктаў гледжання: поўнае ўзгадненне імпедансу і характарыстыкі выпраменьвання; у кожным выпадку FoM вызначаецца і разглядаецца ў сучасных (SoA) антэнах.
2. Прапускная здольнасць і ўзгадненне: радыёчастотныя сеткі з напругай не 50 Ом
Характарыстычны імпеданс 50 Ом — гэта ранні разгляд кампрамісу паміж аслабленнем і магутнасцю ў прымяненні ў мікрахвалевай інжынерыі. У антэнах паласа прапускання імпедансу вызначаецца як дыяпазон частот, дзе адлюстраваная магутнасць менш за 10% (S11< −10 дБ). Паколькі малашумлівыя ўзмацняльнікі (LNA), узмацняльнікі магутнасці і дэтэктары звычайна распрацоўваюцца з узгадненнем уваходнага імпедансу 50 Ом, традыцыйна выкарыстоўваецца крыніца з імпедансам 50 Ом.
У прамой антэне выхадны сігнал антэны падаецца непасрэдна на выпрамнік, і нелінейнасць дыёда выклікае вялікія змены ўваходнага імпедансу, прычым дамінуе ёмістны кампанент. Калі выказаць здагадку, што гэта антэна 50 Ом, асноўная задача заключаецца ў распрацоўцы дадатковай сеткі ўзгаднення радыёчастотных сігналаў для пераўтварэння ўваходнага імпедансу ў імпеданс выпрамніка на частаце, якая цікавіць, і аптымізацыі яго для пэўнага ўзроўню магутнасці. У гэтым выпадку для забеспячэння эфектыўнага пераўтварэння радыёчастотнага сігналу ў пастаянны патрабуецца поўная прапускная здольнасць імпедансу. Такім чынам, хоць антэны могуць дасягнуць тэарэтычна бясконцай або звышшырокай прапускной здольнасці з выкарыстаннем перыядычных элементаў або самадапаўняльнай геаметрыі, прапускная здольнасць прамой антэны будзе абмежаваная сеткай узгаднення выпрамніка.
Для дасягнення адна- і шматдыяпазоннага збору магутнасці або БПВ шляхам мінімізацыі адлюстраванняў і максімізацыі перадачы магутнасці паміж антэнай і выпрамніком было прапанавана некалькі тапалогій прамой тэны. На малюнку 2 паказаны структуры прадстаўленых тапалогій прамой тэны, класіфікаваных па архітэктуры ўзгаднення імпедансу. У табліцы 2 прыведзены прыклады высокапрадукцыйных прамой тэны адносна поўнай прапускной здольнасці (у дадзеным выпадку FoM) для кожнай катэгорыі.
Малюнак 2. Тапалогіі прамой антэны з пункту гледжання прапускной здольнасці і ўзгаднення імпедансу. (a) Аднапалосная прамая антэна са стандартнай антэнай. (b) Шматпалосная прамая антэна (складаецца з некалькіх узаемна звязаных антэн) з адным выпрамніком і ўзгадняльнай сеткай на дыяпазон. (c) Шырокапалосная прамая антэна з некалькімі радыёчастотнымі портамі і асобнымі ўзгадняльнымі сеткамі для кожнай дыяпазону. (d) Шырокапалосная прамая антэна з шырокапалоснай антэнай і шырокапалоснай узгадняльнай сеткай. (e) Аднапалосная прамая антэна з выкарыстаннем электрычна малой антэны, непасрэдна ўзгадняльнай з выпрамніком. (f) Аднапалосная, электрычна вялікая антэна з комплексным імпедансам для спалучэння з выпрамніком. (g) Шырокапалосная прамая антэна з комплексным імпедансам для спалучэння з выпрамніком у дыяпазоне частот.
Хоць бесправадны выпраменьвальнік (БПВ) і навакольны радыёчастотны выпраменьвальнік (РВЭГ) ад спецыяльнага харчавання з'яўляюцца рознымі прымяненнямі прамых выпраменьвальнікаў, дасягненне поўнага ўзгаднення паміж антэнай, выпрамніком і нагрузкай мае фундаментальнае значэнне для дасягнення высокай эфектыўнасці пераўтварэння магутнасці (КПМ) з пункту гледжання прапускной здольнасці. Тым не менш, прамыя выпраменьвальнікі БПВ больш сканцэнтраваны на дасягненні больш высокага ўзгаднення каэфіцыента якасці (ніжэйшы S11) для паляпшэння аднадыяпазоннага КПМ пры пэўных узроўнях магутнасці (тапалогіі a, e і f). Шырокая прапускная здольнасць аднадыяпазоннага БПВ паляпшае ўстойлівасць сістэмы да расстройкі, вытворчых дэфектаў і паразітаў упакоўкі. З іншага боку, прамыя выпраменьвальнікі РВЭГ аддаюць прыярытэт шматдыяпазоннай працы і адносяцца да тапалогій bd і g, паколькі спектральная шчыльнасць магутнасці (СПШМ) адной паласы звычайна ніжэйшая.
3. Прамавугольная канструкцыя антэны
1. Адначастотная прамая вентыляцыя
Канструкцыя антэны адначастотнай прамой антэны (тапалогія А) у асноўным заснавана на стандартнай канструкцыі антэны, напрыклад, на выпраменьвальнай антэне з лінейнай палярызацыяй (LP) або кругавой палярызацыяй (CP) на зазямляльнай плоскасці, дыпольнай антэне і перавернутай F-вобразнай антэне. Дыферэнцыяльная прамая антэны заснавана на камбінаванай рашотцы пастаяннага току, сканфігураванай з некалькімі антэннымі блокамі, або змяшанай камбінацыяй пастаяннага і радыёчастотнага выпраменьвання некалькіх антэнных блокаў.
Паколькі многія з прапанаваных антэн з'яўляюцца адначастотнымі і адпавядаюць патрабаванням адначастотнай бесправадной перадачы дадзеных (WPT), пры пошуку шматчастотнай радыёчастотнай перадачы энергіі (RFEH) у асяроддзі некалькі адначастотных антэн аб'ядноўваюцца ў шматдыяпазонныя прамыя антэны (тапалогія B) з падаўленнем узаемнай сувязі і незалежным аб'яднаннем пастаяннага току пасля схемы кіравання харчаваннем, каб цалкам ізаляваць іх ад схемы захопу і пераўтварэння радыёчастотных сігналаў. Гэта патрабуе некалькіх схем кіравання харчаваннем для кожнай паласы, што можа знізіць эфектыўнасць павышальнага пераўтваральніка, паколькі магутнасць пастаяннага току адной паласы нізкая.
2. Шматдыяпазонныя і шырокапалосныя антэны RFEH
Экалагічныя радыёчастотныя электраэнергетычныя рэфлексы (РЭЭ) часта асацыююцца з шматдыяпазонным захопам сігналу; таму быў прапанаваны шэраг метадаў паляпшэння прапускной здольнасці стандартных канструкцый антэн і метадаў фарміравання двухдыяпазонных або паласатых антэнных рашотак. У гэтым раздзеле мы разгледзім канструкцыі антэн на заказ для РЭЭ, а таксама класічныя шматдыяпазонныя антэны, якія могуць быць выкарыстаны ў якасці прамых тэн.
Манапольныя антэны з кампланарным хваляводам (CPW) займаюць меншую плошчу, чым мікрапалосныя патч-антэны на той жа частаце, і ствараюць хвалі LP або CP, і часта выкарыстоўваюцца для шырокапалосных прамых тэн. Плоскасці адлюстравання выкарыстоўваюцца для павелічэння ізаляцыі і паляпшэння ўзмацнення, што прыводзіць да дыяграм выпраменьвання, падобных да патч-антэн. Шчылінныя капланарныя хваляводныя антэны выкарыстоўваюцца для паляпшэння паласы прапускання імпедансу для некалькіх частотных дыяпазонаў, такіх як 1,8–2,7 ГГц або 1–3 ГГц. Шчылінныя антэны са звязаным харчаваннем і патч-антэны таксама шырока выкарыстоўваюцца ў шматдыяпазонных канструкцыях прамых тэн. На малюнку 3 паказаны некаторыя апісаныя шматдыяпазонныя антэны, якія выкарыстоўваюць больш чым адзін метад паляпшэння паласы прапускання.
Малюнак 3
Узгадненне імпедансу антэны і выпрамніка
Узгадненне антэны 50 Ом з нелінейным выпрамніком з'яўляецца складанай задачай, паколькі яго ўваходны імпеданс значна змяняецца ў залежнасці ад частаты. У тапалогіях А і В (малюнак 2) распаўсюджанай схемай узгаднення з'яўляецца LC-сетка з выкарыстаннем згрупаваных элементаў; аднак адносная прапускная здольнасць звычайна ніжэйшая, чым у большасці дыяпазонаў сувязі. Аднадыяпазоннае шлейкавае ўзгадненне звычайна выкарыстоўваецца ў мікрахвалевых і міліметровых дыяпазонах хваль ніжэй за 6 ГГц, і апісаныя міліметровыя прамыя выпрамнікі маюць вузкую паласу прапускання, паколькі іх прапускная здольнасць PCE абмежаваная падаўленнем выходных гармонік, што робіць іх асабліва прыдатнымі для аднадыяпазонных прыкладанняў бесправаднога радыёперадачы ў неліцэнзійным дыяпазоне 24 ГГц.
Прамыя выпрамнікі ў тапалогіях C і D маюць больш складаныя сеткі ўзгаднення. Для шырокапалоснага ўзгаднення былі прапанаваны цалкам размеркаваныя сеткі ўзгаднення ліній з ВЧ-блокам/кароткім замыканнем пастаяннага току (прапускальным фільтрам) на выходным порце або блакавальным кандэнсатарам пастаяннага току ў якасці зваротнага шляху для дыёдных гармонік. Кампаненты выпрамніка могуць быць заменены кандэнсатарамі з пераплеценымі элементамі на друкаванай плаце (PCB), якія сінтэзуюцца з выкарыстаннем камерцыйных інструментаў аўтаматызацыі праектавання электронікі. Іншыя апісаныя шырокапалосныя сеткі ўзгаднення прамых выпрамнікоў спалучаюць у сабе згрупаваныя элементы для ўзгаднення з ніжэйшымі частотамі і размеркаваныя элементы для стварэння кароткага замыкання ВЧ на ўваходзе.
Змена ўваходнага імпедансу, які назіраецца нагрузкай праз крыніцу (вядомая як тэхніка source-pull), была выкарыстана для распрацоўкі шырокапалоснага выпрамніка з адноснай прапускной здольнасцю 57% (1,25–2,25 ГГц) і на 10% большай PCE ў параўнанні з размеркаванымі або згрупаванымі схемамі. Нягледзячы на тое, што ўзгадняльныя сеткі звычайна распрацоўваюцца для ўзгаднення антэн па ўсёй прапускной здольнасці 50 Ом, у літаратуры ёсць паведамленні пра тое, што шырокапалосныя антэны былі падключаны да вузкапалосных выпрамнікоў.
У тапалогіях C і D шырока выкарыстоўваюцца гібрыдныя сеткі з размеркаванымі і згрупаванымі элементамі, прычым найбольш часта выкарыстоўваюцца паслядоўныя індуктыўнасці і кандэнсатары. Гэта дазваляе пазбегнуць складаных структур, такіх як кандэнсатары з пераплеценымі элементамі, якія патрабуюць больш дакладнага мадэлявання і вырабу, чым стандартныя мікрапалоскавыя лініі.
Уваходная магутнасць выпрамніка ўплывае на ўваходны імпеданс з-за нелінейнасці дыёда. Такім чынам, прамыя выпрамнікі распрацаваны для максімізацыі PCE для пэўнага ўзроўню ўваходнай магутнасці і імпедансу нагрузкі. Паколькі дыёды ў асноўным маюць высокі імпеданс ёмістнай структуры на частотах ніжэй за 3 ГГц, шырокапалосныя прамыя выпрамнікі, якія выключаюць сеткі ўзгаднення або мінімізуюць спрошчаныя схемы ўзгаднення, былі сканцэнтраваны на частотах Prf > 0 дБм і вышэй за 1 ГГц, паколькі дыёды маюць нізкі ёмістны імпеданс і могуць быць добра ўзгаднены з антэнай, што дазваляе пазбегнуць праектавання антэн з уваходным рэактыўным супрацівам > 1000 Ом.
Адаптыўнае або рэканфігуруемае ўзгадненне імпедансу назіралася ў КМОП-прамніках, дзе сетка ўзгаднення складаецца з кандэнсатарных батарэй і індуктываў на чыпе. Статычныя КМОП-сеткі ўзгаднення таксама былі прапанаваны для стандартных антэн з імпедансам 50 Ом, а таксама для сумесна распрацаваных пятлёвых антэн. Паведамлялася, што пасіўныя КМОП-дэтэктары магутнасці выкарыстоўваюцца для кіравання перамыкачамі, якія накіроўваюць выхад антэны на розныя выпрамнікі і сеткі ўзгаднення ў залежнасці ад даступнай магутнасці. Была прапанавана рэканфігуруемае ўзгадненне з выкарыстаннем згрупаваных настройваемых кандэнсатараў, якое наладжваецца шляхам тонкай падстройкі пры вымярэнні ўваходнага імпедансу з дапамогай вектарнага аналізатара ланцугоў. У рэканфігуруемых мікрапалосных сетках узгаднення для рэгулявання шлейфаў узгаднення для дасягнення двухдыяпазонных характарыстык выкарыстоўваліся перамыкачы на палявых транзістарах.
Каб даведацца больш пра антэны, наведайце:
Час публікацыі: 09 жніўня 2024 г.
