1.Уводзіны
Радыёчастотны (RF) збор энергіі (RFEH) і радыяцыйная бесправадная перадача энергіі (WPT) прыцягнулі вялікую цікавасць як метады стварэння ўстойлівых бесправадных сетак без батарэй. Рэктэны з'яўляюцца краевугольным каменем сістэм WPT і RFEH і аказваюць значны ўплыў на магутнасць пастаяннага току, якая падаецца ў нагрузку. Элементы антэны рэктэны напрамую ўплываюць на эфектыўнасць збору ўраджаю, што можа змяняць магутнасць збору на некалькі парадкаў. У гэтым артыкуле разглядаюцца канструкцыі антэн, якія выкарыстоўваюцца ў прылажэннях WPT і навакольнага асяроддзя RFEH. Прадстаўленыя рэктэны класіфікуюцца па двух асноўных крытэрыях: паласе прапускання выпрамнага супраціўлення антэны і характарыстыкам выпраменьвання антэны. Для кожнага крытэрыю вызначаецца і параўнальна разглядаецца паказчык якасці (FoM) для розных прыкладанняў.
WPT быў прапанаваны Tesla ў пачатку 20-га стагоддзя ў якасці метаду перадачы тысяч конскіх сіл. Тэрмін rectenna, які апісвае антэну, падключаную да выпрамніка для збору радыёчастотнай энергіі, з'явіўся ў 1950-х гадах для прымянення касмічнай мікрахвалевай перадачы энергіі і харчавання аўтаномных беспілотнікаў. Усенакіраваны WPT далёкага дзеяння абмежаваны фізічнымі ўласцівасцямі асяроддзя распаўсюджвання (паветра). Такім чынам, камерцыйны WPT у асноўным абмяжоўваецца невыпраменьвальнай перадачай энергіі блізкага поля для бесправадной зарадкі бытавой электронікі або RFID.
Паколькі энергаспажыванне паўправадніковых прыбораў і вузлоў бесправадных датчыкаў працягвае змяншацца, становіцца больш магчымым сілкаванне вузлоў датчыкаў з дапамогай навакольнага RFEH або з выкарыстаннем размеркаваных маламагутных усенакіраваных перадатчыкаў. Сістэмы бесправаднога сілкавання са звышмалым энергаспажываннем звычайна складаюцца з пярэдняга канца радыёчастотнага збору, кіравання сілкаваннем пастаяннага току і памяці, а таксама маламагутнага мікрапрацэсара і прыёмаперадатчыка.
На малюнку 1 паказана архітэктура бесправаднога вузла RFEH і агульныя паведамленні аб рэалізацыі ўваходных радыёчастот. Скразная эфектыўнасць бесправадной энергасістэмы і архітэктура сінхранізаванай бесправадной сеткі перадачы інфармацыі і энергіі залежыць ад прадукцыйнасці асобных кампанентаў, такіх як антэны, выпрамнікі і схемы кіравання энергаспажываннем. Для розных частак сістэмы было праведзена некалькі даследаванняў літаратуры. Табліца 1 абагульняе стадыю пераўтварэння энергіі, ключавыя кампаненты для эфектыўнага пераўтварэння энергіі і агляды адпаведнай літаратуры для кожнай часткі. Апошняя літаратура засяроджваецца на тэхналогіі пераўтварэння магутнасці, тапалогіях выпрамнікоў або RFEH з улікам сеткі.
Малюнак 1
Аднак канструкцыя антэны не разглядаецца як найважнейшы кампанент у RFEH. Нягледзячы на тое, што ў некаторых літаратурах прапускная здольнасць і эфектыўнасць антэны разглядаюцца з агульнай пункту гледжання або з пункту гледжання канструкцыі канкрэтнай антэны, напрыклад, мініяцюрных або носных антэн, уплыў пэўных параметраў антэны на прыём энергіі і эфектыўнасць пераўтварэння падрабязна не аналізуецца.
У гэтым артыкуле разглядаюцца метады распрацоўкі антэн у рэктэнах з мэтай адрознення канкрэтных задач пры распрацоўцы антэн RFEH і WPT ад канструкцыі стандартнай антэны сувязі. Антэны параўноўваюцца з двух пунктаў гледжання: скразное ўзгадненне імпедансу і характарыстык выпраменьвання; у кожным выпадку, FoM вызначаецца і разглядаецца ў самых сучасных (SoA) антэнах.
2. Прапускная здольнасць і адпаведнасць: радыёчастотныя сеткі без 50 Ом
Характарыстычнае супраціўленне 50Ω з'яўляецца раннім разглядам кампрамісу паміж згасаннем і магутнасцю ў мікрахвалевай тэхніцы. У антэнах шырыня паласы імпедансу вызначаецца як дыяпазон частот, дзе магутнасць адлюстравання складае менш за 10% (S11< − 10 дБ). Паколькі ўзмацняльнікі з нізкім узроўнем шуму (МШУ), узмацняльнікі магутнасці і дэтэктары звычайна распрацоўваюцца з супадзеннем уваходнага супраціўлення 50 Ом, традыцыйна спасылаюцца на крыніцу 50 Ом.
У рэктэне выхадны сігнал антэны непасрэдна падаецца ў выпрамнік, і нелінейнасць дыёда выклікае вялікія змены ва ўваходным імпедансе, з дамінуючым ёмістным кампанентам. Калі выказаць здагадку, што антэна 50 Ом, галоўная задача заключаецца ў распрацоўцы дадатковай ВЧ-сеткі для пераўтварэння ўваходнага супраціўлення ў імпеданс выпрамніка на цікавай частаце і аптымізацыі яго для пэўнага ўзроўню магутнасці. У гэтым выпадку для забеспячэння эфектыўнага пераўтварэння радыёчастотнага сігналу ў пастаянны ток патрабуецца скразная прапускная здольнасць імпедансу. Такім чынам, хоць антэны могуць дасягаць тэарэтычна бясконцай або звышшырокай прапускной здольнасці з выкарыстаннем перыядычных элементаў або самадапаўняльнай геаметрыі, прапускная здольнасць рэктэны будзе вузкім месцам з-за сеткі ўзгаднення выпрамніка.
Было прапанавана некалькі тапалогій рэктэны для дасягнення аднадыяпазоннага і шматдыяпазоннага збору або WPT за кошт мінімізацыі адлюстраванняў і максімальнай перадачы магутнасці паміж антэнай і выпрамніком. На малюнку 2 паказаны структуры зарэгістраваных тапалогій рэктэны, класіфікаваныя па іх архітэктуры ўзгаднення імпедансу. Табліца 2 паказвае прыклады высокапрадукцыйных рэктэн у дачыненні да скразной прапускной здольнасці (у дадзеным выпадку FoM) для кожнай катэгорыі.
Малюнак 2. Тапалогіі Rectenna з пункту гледжання ўзгаднення прапускной здольнасці і імпедансу. (а) Аднадыяпазонная рэктэна са стандартнай антэнай. (b) Шматпалосная рэктэна (складаецца з некалькіх узаемна звязаных антэн) з адным выпрамніком і адпаведнай сеткай на дыяпазон. (c) Шырокапалосная рэктэна з некалькімі радыёчастотнымі партамі і асобнымі адпаведнымі сеткамі для кожнага дыяпазону. (d) Шырокапалосная рэктэна з шырокапалоснай антэнай і шырокапалоснай адпаведнай сеткай. (e) Аднадыяпазонная рэктэна з электрычна маленькай антэнай, непасрэдна падлучанай да выпрамніка. (f) Аднадыяпазонная, электрычна вялікая антэна з комплексным імпедансам для спалучэння з выпрамніком. (g) Шырокапалосная рэктэна з комплексным імпедансам для спалучэння з выпрамніком у дыяпазоне частот.
У той час як WPT і навакольны RFEH ад спецыяльнага канала з'яўляюцца рознымі прылажэннямі rectenna, дасягненне скразнога супадзення паміж антэнай, выпрамніком і нагрузкай з'яўляецца фундаментальным для дасягнення высокай эфектыўнасці пераўтварэння магутнасці (PCE) з пункту гледжання прапускной здольнасці. Тым не менш, рэктэны WPT больш засяроджваюцца на дасягненні больш высокага супадзення каэфіцыента якасці (ніжэй S11), каб палепшыць аднапалосны PCE на пэўных узроўнях магутнасці (тапалогіі a, e і f). Шырокая прапускная здольнасць аднадыяпазоннага WPT павышае ўстойлівасць сістэмы да расстройкі, вытворчых дэфектаў і паразітаў упакоўкі. З іншага боку, рэктэны RFEH аддаюць перавагу шматдыяпазоннай працы і належаць да тапалогій bd і g, паколькі спектральная шчыльнасць магутнасці (PSD) аднаго дыяпазону, як правіла, ніжэй.
3. Прастакутная канструкцыя антэны
1. Адначастотная рэктэна
Канструкцыя антэны адначастотнай рэктэны (тапалогія A) у асноўным заснавана на стандартнай канструкцыі антэны, напрыклад, з лінейнай палярызацыяй (LP) або кругавой палярызацыяй (CP) на плоскасці зямлі, дыпольнай антэнай і перавернутай F-антэнай. Рэктэна дыферэнцыяльнага дыяпазону заснавана на камбінацыйнай рашотцы пастаяннага току, настроенай на некалькі антэнных блокаў, або змешанай камбінацыі пастаяннага і радыёчастотнага току з некалькіх патч-блокаў.
Паколькі многія з прапанаваных антэн з'яўляюцца адначастотнымі антэнамі і адпавядаюць патрабаванням адначастотнага WPT, пры пошуку экалагічнага шматчастотнага RFEH некалькі адначастотных антэн аб'ядноўваюцца ў шматдыяпазонныя рэктэны (тапалогія B) з падаўленнем узаемнай сувязі і незалежная камбінацыя пастаяннага току пасля ланцуга кіравання харчаваннем, каб цалкам ізаляваць іх ад ланцуга атрымання і пераўтварэння ВЧ. Гэта патрабуе некалькіх схем кіравання сілкаваннем для кожнага дыяпазону, што можа знізіць эфектыўнасць павышаючага пераўтваральніка, таму што магутнасць пастаяннага току ў адным дыяпазоне нізкая.
2. Шматдыяпазонныя і шырокапалосныя антэны RFEH
Экалагічны RFEH часта асацыюецца з шматдыяпазонным захопам; таму былі прапанаваны розныя метады для паляпшэння прапускной здольнасці стандартных канструкцый антэн і метады для фарміравання двухдыяпазонных або дыяпазонных антэнных рашотак. У гэтым раздзеле мы разглядаем нестандартныя канструкцыі антэн для RFEH, а таксама класічныя шматдыяпазонныя антэны, якія можна выкарыстоўваць у якасці рэктэн.
Манапольныя антэны з капланарным хваляводам (CPW) займаюць меншую плошчу, чым мікрапалоскавыя патч-антэны на аднолькавай частаце і ствараюць хвалі LP або CP і часта выкарыстоўваюцца для шырокапалосных экалагічных рэктэн. Плоскасці адлюстравання выкарыстоўваюцца для павелічэння ізаляцыі і паляпшэння ўзмацнення, у выніку чаго дыяграмы выпраменьвання падобныя на накладныя антэны. Шчылінныя капланарныя хваляводныя антэны выкарыстоўваюцца для паляпшэння паласы імпедансу для некалькіх дыяпазонаў частот, такіх як 1,8–2,7 ГГц або 1–3 ГГц. Шчылінныя антэны са спалучэннем і патч-антэны таксама звычайна выкарыстоўваюцца ў шматдыяпазонных канструкцыях рэктэн. На малюнку 3 паказаны некаторыя шматдыяпазонныя антэны, у якіх выкарыстоўваецца больш чым адзін метад паляпшэння прапускной здольнасці.
Малюнак 3
Адпаведнасць імпедансу антэны і выпрамніка
Адпаведнасць антэны 50 Ом і нелінейнага выпрамніка складаная, таму што яе ўваходны супраціў моцна змяняецца ў залежнасці ад частаты. У тапалогіях A і B (малюнак 2) агульная сетка супастаўлення - гэта супастаўленне LC з выкарыстаннем згрупаваных элементаў; аднак адносная прапускная здольнасць звычайна ніжэй, чым у большасці дыяпазонаў сувязі. Аднапалоснае ўзгадненне заглушак звычайна выкарыстоўваецца ў дыяпазонах мікрахвалевых і міліметровых хваль ніжэй за 6 ГГц, а зарэгістраваныя рэктэны міліметровага дыяпазону маюць вузкую паласу прапускання, таму што іх паласа прапускання PCE абмежавана падаўленнем выхадных гармонік, што робіць іх асабліва прыдатнымі для адзінкавых дыяпазону прыкладанняў WPT у неліцэнзійным дыяпазоне 24 ГГц.
Рэктэны ў тапалогіях C і D маюць больш складаныя сеткі супастаўлення. Для шырокапалоснага ўзгаднення былі прапанаваны цалкам размеркаваныя сеткі ўзгаднення ліній з ВЧ-блокам/кароткім замыканнем пастаяннага току (прахадны фільтр) на выхадным порце або кандэнсатарам блакіроўкі пастаяннага току ў якасці зваротнага шляху для дыёдных гармонік. Кампаненты выпрамніка могуць быць заменены міжштыревымі кандэнсатарамі на друкаванай плаце (PCB), якія сінтэзаваны з выкарыстаннем камерцыйных інструментаў аўтаматызацыі распрацоўкі электронікі. Іншыя паведамленні аб шырокапалосных рэктэнных сетках сумяшчаюць згрупаваныя элементы для ўзгаднення з больш нізкімі частотамі і размеркаваныя элементы для стварэння РЧ-замыкання на ўваходзе.
Змена уваходнага супраціўлення, якое назіраецца пры нагрузцы праз крыніцу (вядомы як метад выцягвання крыніцы), выкарыстоўвалася для распрацоўкі шырокапалоснага выпрамніка з 57% адноснай прапускной здольнасцю (1,25–2,25 ГГц) і на 10% вышэйшым PCE у параўнанні з групавымі або размеркаванымі схемамі . Нягледзячы на тое, што ўзгоднельныя сеткі звычайна распрацаваны для ўзгаднення антэн па ўсёй паласе прапускання 50 Ом, у літаратуры ёсць паведамленні, дзе шырокапалосныя антэны падключаліся да вузкапалосных выпрамнікоў.
Гібрыдныя сеткі ўзгаднення з злучанымі элементамі і з размеркаванымі элементамі шырока выкарыстоўваюцца ў тапалогіях C і D, прычым паслядоўныя шпулькі індуктыўнасці і кандэнсатары з'яўляюцца найбольш часта выкарыстоўванымі злучанымі элементамі. Гэта дазваляе пазбегнуць складаных канструкцый, такіх як міжштыревыя кандэнсатары, якія патрабуюць больш дакладнага мадэлявання і вырабу, чым стандартныя мікрапалоскавыя лініі.
Уваходная магутнасць выпрамніка ўплывае на ўваходны супраціў з-за нелінейнасці дыёда. Такім чынам, рэктэна прызначана для максімальнага павышэння PCE для пэўнага ўзроўню ўваходнай магутнасці і імпедансу нагрузкі. Паколькі дыёды маюць галоўным чынам ёмістны высокі імпеданс на частотах ніжэй за 3 ГГц, шырокапалосныя рэктэны, якія выключаюць узгодненыя сеткі або мінімізуюць спрошчаныя схемы ўзгаднення, сканцэнтраваны на частотах Prf>0 дБм і вышэй за 1 ГГц, паколькі дыёды маюць нізкі ёмістны супраціў і могуць быць добра ўзгоднены да антэны, што дазваляе пазбегнуць канструкцыі антэн з уваходным рэактыўным супраціўленнем >1000Ω.
Адаптыўнае або рэканфігурацыйнае ўзгадненне імпедансу было заўважана ў рэктэнах CMOS, дзе сетка ўзгаднення складаецца з кандэнсатарных батарэй і шпулек індуктыўнасці на чыпе. Статычныя сеткі ўзгаднення CMOS таксама былі прапанаваны для стандартных антэн 50Ω, а таксама сумесна распрацаваных рамачных антэн. Паведамлялася, што пасіўныя дэтэктары магутнасці CMOS выкарыстоўваюцца для кіравання пераключальнікамі, якія накіроўваюць выхад антэны на розныя выпрамнікі і адпаведныя сеткі ў залежнасці ад даступнай магутнасці. Была прапанавана рэканфігурацыйная ўзгадняючая сетка з выкарыстаннем перабудоўваемых кандэнсатараў з канцэнтрацыяй, якая наладжваецца шляхам тонкай налады пры вымярэнні ўваходнага імпедансу з дапамогай вектарнага аналізатара сеткі. У рэканфігураваных мікрапалоскавых узгоднельных сетках палявыя транзістарныя перамыкачы выкарыстоўваліся для рэгулявання адпаведных заглушак для дасягнення двухдыяпазонных характарыстык.
Каб даведацца больш пра антэны, наведайце:
Час публікацыі: 9 жніўня 2024 г
