1. Inleiding
Radiofrequentie (RF) energieoogst (RFEH) en stralingsdraadloze energieoverdracht (WPT) hebben grote belangstelling gekregen als methoden om batterijloze duurzame draadloze netwerken te realiseren. Rectenna's vormen de hoeksteen van WPT- en RFEH-systemen en hebben een aanzienlijke impact op het gelijkstroomvermogen dat aan de belasting wordt geleverd. De antenne-elementen van de rectenna hebben rechtstreeks invloed op de oogstefficiëntie, waardoor het geoogste vermogen verschillende ordes van grootte kan variëren. Dit artikel bespreekt de antenneontwerpen die worden gebruikt in WPT- en omgevings-RFEH-toepassingen. De gerapporteerde rectenna's worden geclassificeerd op basis van twee hoofdcriteria: de antenne-rectificerende impedantiebandbreedte en de stralingskarakteristieken van de antenne. Voor elk criterium wordt het ‘figure of merit’ (FoM) voor verschillende toepassingen bepaald en vergelijkend beoordeeld.
WPT werd begin 20e eeuw door Tesla voorgesteld als een methode om duizenden pk's over te brengen. De term rectenna, die een antenne beschrijft die is aangesloten op een gelijkrichter om RF-vermogen te oogsten, ontstond in de jaren vijftig voor toepassingen voor krachtoverdracht in de ruimte en voor het aandrijven van autonome drones. Omnidirectionele langeafstands-WPT wordt beperkt door de fysieke eigenschappen van het voortplantingsmedium (lucht). Daarom is commerciële WPT voornamelijk beperkt tot niet-stralingsvermogensoverdracht in het nabije veld voor het draadloos opladen van consumentenelektronica of RFID.
Naarmate het stroomverbruik van halfgeleiderapparaten en draadloze sensorknooppunten blijft afnemen, wordt het haalbaarder om sensorknooppunten van stroom te voorzien met behulp van omgevings-RFEH of met behulp van gedistribueerde omnidirectionele zenders met laag vermogen. Draadloze voedingssystemen met ultralaag vermogen bestaan doorgaans uit een front-end voor RF-acquisitie, gelijkstroom- en geheugenbeheer, en een microprocessor en transceiver met laag vermogen.
Figuur 1 toont de architectuur van een draadloos RFEH-knooppunt en de vaak gerapporteerde RF-front-end-implementaties. De end-to-end efficiëntie van het draadloze energiesysteem en de architectuur van het gesynchroniseerde draadloze informatie- en energieoverdrachtsnetwerk hangt af van de prestaties van individuele componenten, zoals antennes, gelijkrichters en energiebeheercircuits. Voor verschillende delen van het systeem zijn verschillende literatuuronderzoeken uitgevoerd. Tabel 1 vat de fase van de stroomconversie samen, de belangrijkste componenten voor efficiënte stroomconversie en gerelateerde literatuuronderzoeken voor elk onderdeel. Recente literatuur richt zich op energieconversietechnologie, gelijkrichtertopologieën of netwerkbewuste RFEH.
Figuur 1
Het antenneontwerp wordt echter niet als een cruciaal onderdeel van RFEH beschouwd. Hoewel sommige literatuur de antennebandbreedte en -efficiëntie beschouwt vanuit een algemeen perspectief of vanuit een specifiek antenneontwerpperspectief, zoals geminiaturiseerde of draagbare antennes, wordt de impact van bepaalde antenneparameters op de stroomontvangst en conversie-efficiëntie niet in detail geanalyseerd.
Dit artikel bespreekt antenneontwerptechnieken in rectenna's met als doel RFEH- en WPT-specifieke antenneontwerpuitdagingen te onderscheiden van standaard communicatieantenneontwerp. Antennes worden vanuit twee perspectieven vergeleken: end-to-end impedantiematching en stralingskarakteristieken; in elk geval wordt de FoM geïdentificeerd en beoordeeld in de ultramoderne (SoA) antennes.
2. Bandbreedte en afstemming: niet-50Ω RF-netwerken
De karakteristieke impedantie van 50Ω is een vroege overweging van het compromis tussen verzwakking en vermogen in microgolftechnische toepassingen. Bij antennes wordt de impedantiebandbreedte gedefinieerd als het frequentiebereik waarbij het gereflecteerde vermogen minder dan 10% bedraagt (S11< − 10 dB). Omdat versterkers met lage ruis (LNA's), eindversterkers en detectoren doorgaans zijn ontworpen met een ingangsimpedantie van 50 Ω, wordt traditioneel naar een bron van 50 Ω verwezen.
In een rectenna wordt de uitgang van de antenne rechtstreeks naar de gelijkrichter gevoerd, en de niet-lineariteit van de diode veroorzaakt een grote variatie in de ingangsimpedantie, waarbij de capacitieve component domineert. Uitgaande van een antenne van 50 Ω, is de belangrijkste uitdaging het ontwerpen van een aanvullend RF-aanpassingsnetwerk om de ingangsimpedantie om te zetten in de impedantie van de gelijkrichter op de betreffende frequentie en dit te optimaliseren voor een specifiek vermogensniveau. In dit geval is end-to-end impedantiebandbreedte vereist om een efficiënte RF-naar-DC-conversie te garanderen. Daarom zal, hoewel antennes theoretisch oneindige of ultrabrede bandbreedte kunnen bereiken met behulp van periodieke elementen of zelf-complementaire geometrie, de bandbreedte van de rectenna worden belemmerd door het gelijkrichteraanpassingsnetwerk.
Er zijn verschillende rectenna-topologieën voorgesteld om single-band en multi-band harvesting of WPT te bereiken door reflecties te minimaliseren en de vermogensoverdracht tussen de antenne en de gelijkrichter te maximaliseren. Figuur 2 toont de structuren van de gerapporteerde rectenna-topologieën, gecategoriseerd op basis van hun impedantie-matchingarchitectuur. Tabel 2 toont voorbeelden van krachtige rectenna's met betrekking tot end-to-end bandbreedte (in dit geval FoM) voor elke categorie.
Figuur 2 Rectenna-topologieën vanuit het perspectief van bandbreedte- en impedantie-matching. (a) Enkelbands rectenna met standaardantenne. (b) Multiband rectenna (samengesteld uit meerdere onderling gekoppelde antennes) met één gelijkrichter en bijpassend netwerk per band. (c) Breedband-rectenna met meerdere RF-poorten en afzonderlijke bijpassende netwerken voor elke band. (d) Breedbandrectenna met breedbandantenne en breedbandnetwerk. (e) Enkelbands rectenna met behulp van een elektrisch kleine antenne die rechtstreeks op de gelijkrichter is afgestemd. (f) Enkelbands, elektrisch grote antenne met complexe impedantie om te conjugeren met de gelijkrichter. (g) Breedbandrectenna met complexe impedantie om te conjugeren met de gelijkrichter over een reeks frequenties.
Hoewel WPT en ambient RFEH van speciale feeds verschillende rectenna-toepassingen zijn, is het bereiken van end-to-end matching tussen antenne, gelijkrichter en belasting van fundamenteel belang om een hoge energieconversie-efficiëntie (PCE) te bereiken vanuit een bandbreedteperspectief. Niettemin richten WPT-rectenna's zich meer op het bereiken van een hogere kwaliteitsfactormatching (lagere S11) om de single-band PCE op bepaalde vermogensniveaus te verbeteren (topologieën a, e en f). De grote bandbreedte van single-band WPT verbetert de systeemimmuniteit tegen ontstemming, fabricagefouten en verpakkingsparasitaire problemen. Aan de andere kant geven RFEH-rectenna's prioriteit aan multi-bandwerking en behoren ze tot de topologieën bd en g, aangezien de spectrale vermogensdichtheid (PSD) van een enkele band over het algemeen lager is.
3. Rechthoekig antenneontwerp
1. Rectenna met enkele frequentie
Het antenneontwerp van rectenna met één frequentie (topologie A) is voornamelijk gebaseerd op standaard antenneontwerp, zoals lineaire polarisatie (LP) of circulaire polarisatie (CP) die een patch op het grondvlak uitstraalt, dipoolantenne en omgekeerde F-antenne. Differentiële band rectenna is gebaseerd op een DC-combinatiearray geconfigureerd met meerdere antenne-eenheden of een gemengde DC- en RF-combinatie van meerdere patch-eenheden.
Omdat veel van de voorgestelde antennes antennes met één frequentie zijn en voldoen aan de vereisten van WPT met één frequentie, worden bij het zoeken naar RFEH met meerdere frequenties in de omgeving meerdere antennes met één frequentie gecombineerd tot multiband rectenna's (topologie B) met onderdrukking van onderlinge koppeling en onafhankelijke DC-combinatie na het stroombeheercircuit om ze volledig te isoleren van het RF-acquisitie- en conversiecircuit. Dit vereist meerdere stroombeheercircuits voor elke band, wat de efficiëntie van de boost-omzetter kan verminderen omdat het gelijkstroomvermogen van een enkele band laag is.
2. Multiband- en breedband RFEH-antennes
Milieu-RFEH wordt vaak geassocieerd met multi-band acquisitie; daarom is een verscheidenheid aan technieken voorgesteld voor het verbeteren van de bandbreedte van standaard antenneontwerpen en werkwijzen voor het vormen van dual-band- of bandantenne-arrays. In deze sectie bespreken we aangepaste antenneontwerpen voor RFEH's, evenals klassieke multibandantennes met de potentie om als rectenna's te worden gebruikt.
Coplanaire golfgeleider (CPW) monopoolantennes nemen minder oppervlakte in beslag dan microstrip-patchantennes op dezelfde frequentie en produceren LP- of CP-golven, en worden vaak gebruikt voor breedband-omgevingsrectennes. Reflectievlakken worden gebruikt om de isolatie te vergroten en de versterking te verbeteren, wat resulteert in stralingspatronen die lijken op patchantennes. Coplanaire golfgeleiderantennes met sleuven worden gebruikt om de impedantiebandbreedtes voor meerdere frequentiebanden, zoals 1,8–2,7 GHz of 1–3 GHz, te verbeteren. Gekoppelde slotantennes en patchantennes worden ook vaak gebruikt in multiband rectenna-ontwerpen. Figuur 3 toont enkele gerapporteerde multibandantennes die meer dan één bandbreedteverbeteringstechniek gebruiken.
Figuur 3
Antenne-gelijkrichter impedantie-aanpassing
Het matchen van een 50Ω-antenne met een niet-lineaire gelijkrichter is een uitdaging omdat de ingangsimpedantie sterk varieert met de frequentie. In de topologieën A en B (Afbeelding 2) is het gemeenschappelijke matchingnetwerk een LC-match die gebruikmaakt van samengevoegde elementen; de relatieve bandbreedte is echter gewoonlijk lager dan bij de meeste communicatiebanden. Single-band stub-matching wordt vaak gebruikt in microgolf- en millimetergolfbanden onder 6 GHz, en de gerapporteerde millimetergolf-rectenna's hebben een inherent smalle bandbreedte omdat hun PCE-bandbreedte wordt belemmerd door harmonische uitgangsonderdrukking, waardoor ze bijzonder geschikt zijn voor single-band-stub-matching. band WPT-toepassingen in de 24 GHz-band zonder licentie.
De rectennes in topologieën C en D hebben complexere matchingnetwerken. Er zijn volledig gedistribueerde lijnaanpassingsnetwerken voorgesteld voor breedbandaanpassing, met een RF-blok / DC-kortsluiting (doorlaatfilter) aan de uitgangspoort of een DC-blokkeercondensator als retourpad voor diodeharmonischen. De gelijkrichtercomponenten kunnen worden vervangen door in elkaar grijpende condensatoren op de printplaat (PCB), die worden gesynthetiseerd met behulp van commerciële elektronische ontwerpautomatiseringstools. Andere gemelde breedband rectenna-matchingnetwerken combineren samengevoegde elementen voor afstemming op lagere frequenties en gedistribueerde elementen voor het creëren van een RF-kortsluiting aan de ingang.
Het variëren van de ingangsimpedantie die wordt waargenomen door de belasting via een bron (bekend als de source-pull-techniek) is gebruikt om een breedbandgelijkrichter te ontwerpen met een relatieve bandbreedte van 57% (1,25-2,25 GHz) en een 10% hogere PCE vergeleken met gebundelde of gedistribueerde circuits . Hoewel matchingnetwerken doorgaans zijn ontworpen om antennes over de gehele bandbreedte van 50Ω te matchen, zijn er berichten in de literatuur waarin breedbandantennes zijn aangesloten op smalbandgelijkrichters.
Hybride matchingnetwerken met samengevoegde elementen en gedistribueerde elementen zijn op grote schaal gebruikt in de topologieën C en D, waarbij serie-inductoren en condensatoren de meest gebruikte samengevoegde elementen zijn. Deze vermijden complexe structuren zoals interdigitated condensatoren, die een nauwkeurigere modellering en fabricage vereisen dan standaard microstriplijnen.
Het ingangsvermogen naar de gelijkrichter beïnvloedt de ingangsimpedantie vanwege de niet-lineariteit van de diode. Daarom is de rectenna ontworpen om de PCE te maximaliseren voor een specifiek ingangsvermogensniveau en belastingsimpedantie. Omdat diodes voornamelijk capacitieve hoge impedantie hebben bij frequenties onder 3 GHz, zijn breedbandrectennes die aanpassingsnetwerken elimineren of vereenvoudigde aanpassingscircuits minimaliseren, gericht op frequenties Prf> 0 dBm en boven 1 GHz, aangezien de diodes een lage capacitieve impedantie hebben en goed op elkaar kunnen worden afgestemd. naar de antenne, waardoor het ontwerp van antennes met ingangsreactanties >1.000Ω wordt vermeden.
Adaptieve of herconfigureerbare impedantie-aanpassing is waargenomen in CMOS-rectenna's, waarbij het aanpassingsnetwerk bestaat uit condensatorbanken en inductoren op de chip. Er zijn ook statische CMOS-aanpassingsnetwerken voorgesteld voor standaard 50Ω-antennes, evenals voor mede ontworpen lusantennes. Er is gemeld dat passieve CMOS-vermogensdetectoren worden gebruikt om schakelaars te besturen die de uitvoer van de antenne naar verschillende gelijkrichters en bijpassende netwerken sturen, afhankelijk van het beschikbare vermogen. Er is een herconfigureerbaar aanpassingsnetwerk voorgesteld dat gebruik maakt van afstembare condensatoren, dat wordt afgestemd door fijnafstemming terwijl de ingangsimpedantie wordt gemeten met behulp van een vectornetwerkanalysator. In herconfigureerbare microstrip-aanpassingsnetwerken zijn veldeffecttransistorschakelaars gebruikt om de aanpassingsstubs aan te passen om dubbelbandkarakteristieken te bereiken.
Voor meer informatie over antennes kunt u terecht op:
Posttijd: 09-aug-2024
