1. Inleiding
Radiofrequentie-energieoogst (RF-energieoogst, RFEH) en draadloze energieoverdracht via straling (WPT) hebben veel belangstelling gewekt als methoden om batterijloze, duurzame draadloze netwerken te realiseren. Rectenna's vormen de hoeksteen van WPT- en RFEH-systemen en hebben een aanzienlijke invloed op het gelijkstroomvermogen dat aan de belasting wordt geleverd. De antenne-elementen van de rectenna beïnvloeden direct de oogstefficiëntie, die het geoogste vermogen met meerdere ordes van grootte kan variëren. Dit artikel geeft een overzicht van de antenneontwerpen die worden gebruikt in WPT- en omgevings-RFEH-toepassingen. De beschreven rectenna's worden geclassificeerd op basis van twee hoofdcriteria: de bandbreedte van de gelijkrichtende impedantie van de antenne en de stralingskarakteristieken van de antenne. Voor elk criterium wordt de kwaliteitsfactor (FoM) voor verschillende toepassingen bepaald en vergelijkend beoordeeld.
Draadloze energieoverdracht (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 verbonden met een gelijkrichter om RF-energie op te vangen, ontstond in de jaren 50 voor toepassingen in de ruimtevaart, zoals microgolfenergieoverdracht en het aandrijven van autonome drones. Omnidirectionele WPT over lange afstand wordt beperkt door de fysische eigenschappen van het medium (lucht). Commerciële WPT is daarom voornamelijk beperkt tot niet-radiatieve energieoverdracht in het nabije veld, bijvoorbeeld voor draadloos opladen van consumentenelektronica of RFID.
Naarmate het stroomverbruik van halfgeleidercomponenten en draadloze sensornodes blijft dalen, wordt het steeds haalbaarder om sensornodes van stroom te voorzien met behulp van omgevings-RFEH of met behulp van gedistribueerde, energiezuinige omnidirectionele zenders. Draadloze voedingssystemen met ultralaag stroomverbruik bestaan doorgaans uit een RF-acquisitiefront-end, DC-voeding en geheugenbeheer, en een energiezuinige microprocessor en transceiver.
Figuur 1 toont de architectuur van een RFEH-draadloos knooppunt en de meest voorkomende RF-front-end-implementaties. De end-to-end-efficiëntie van het draadloze voedingssysteem en de architectuur van het gesynchroniseerde draadloze informatie- en energieoverdrachtsnetwerk hangen af van de prestaties van individuele componenten, zoals antennes, gelijkrichters en energiebeheercircuits. Er zijn diverse literatuuronderzoeken uitgevoerd naar verschillende onderdelen van het systeem. Tabel 1 vat de energieconversiefase, de belangrijkste componenten voor efficiënte energieconversie en de bijbehorende literatuuronderzoeken voor elk onderdeel samen. Recente literatuur richt zich op energieconversietechnologie, gelijkrichtertopologieën of netwerkbewuste RFEH.
Figuur 1
Antenneontwerp wordt echter niet als een cruciaal onderdeel beschouwd bij RFEH. Hoewel sommige literatuur de bandbreedte en efficiëntie van antennes vanuit een algemeen perspectief of vanuit een specifiek antenneontwerpperspectief behandelt, zoals geminiaturiseerde of draagbare antennes, wordt de impact van bepaalde antenneparameters op de efficiëntie van vermogensontvangst en -conversie niet in detail geanalyseerd.
Dit artikel bespreekt antenneontwerptechnieken voor rectenna's met als doel de specifieke ontwerpuitdagingen voor RFEH- en WPT-antennes te onderscheiden van die voor standaard communicatieantennes. Antennes worden vanuit twee perspectieven vergeleken: impedantieaanpassing van begin tot eind en stralingskarakteristieken; in beide gevallen wordt de FoM (Figure of Merit) geïdentificeerd en besproken voor de meest geavanceerde antennes (State of the Art, SoA).
2. Bandbreedte en aanpassing: RF-netwerken die geen 50Ω vereisen
De karakteristieke impedantie van 50Ω is een vroege overweging bij het vinden van een compromis tussen demping en vermogen in microgolftechnische toepassingen. Bij antennes wordt de impedantiebandbreedte gedefinieerd als het frequentiebereik waarin het gereflecteerde vermogen minder dan 10% is (S11 < −10 dB). Omdat ruisarme versterkers (LNA's), vermogensversterkers en detectoren doorgaans zijn ontworpen met een ingangsimpedantieaanpassing van 50Ω, wordt traditioneel een 50Ω-bron als referentie gebruikt.
In een rectenna wordt het uitgangssignaal van de antenne rechtstreeks naar de gelijkrichter geleid. De niet-lineariteit van de diode veroorzaakt een grote variatie in de ingangsimpedantie, waarbij de capacitieve component dominant is. Uitgaande van een antenne van 50Ω, is de grootste uitdaging het ontwerpen van een extra RF-aanpassingsnetwerk om de ingangsimpedantie om te zetten naar de impedantie van de gelijkrichter bij de gewenste frequentie en deze te optimaliseren voor een specifiek vermogensniveau. In dit geval is een brede impedantiebandbreedte vereist om een efficiënte RF-naar-DC-conversie te garanderen. Hoewel antennes theoretisch een oneindige of ultrabrede bandbreedte kunnen bereiken met behulp van periodieke elementen of zelfcomplementaire geometrie, zal de bandbreedte van de rectenna worden beperkt door het aanpassingsnetwerk van de gelijkrichter.
Er zijn verschillende rectenna-topologieën voorgesteld om energieopwekking in één of meerdere frequentiebanden of draadloze energieoverdracht (WPT) te realiseren door reflecties te minimaliseren en de energieoverdracht tussen de antenne en de gelijkrichter te maximaliseren. Figuur 2 toont de structuren van de gerapporteerde rectenna-topologieën, gecategoriseerd op basis van hun impedantieaanpassingsarchitectuur. Tabel 2 toont voorbeelden van hoogwaardige rectenna's met betrekking tot de totale bandbreedte (in dit geval FoM) voor elke categorie.
Figuur 2. Rectenna-topologieën vanuit het perspectief van bandbreedte en impedantieaanpassing. (a) Enkelbands rectenna met standaardantenne. (b) Multibands rectenna (samengesteld uit meerdere onderling gekoppelde antennes) met één gelijkrichter en aanpassingsnetwerk per band. (c) Breedband rectenna met meerdere RF-poorten en aparte aanpassingsnetwerken voor elke band. (d) Breedband rectenna met breedbandantenne en breedbandaanpassingsnetwerk. (e) Enkelbands rectenna met een elektrisch kleine antenne die direct is aangepast aan de gelijkrichter. (f) Enkelbands rectenna met een elektrisch grote antenne met complexe impedantie die is geconjugeerd met de gelijkrichter. (g) Breedband rectenna met complexe impedantie die is geconjugeerd met de gelijkrichter over een frequentiebereik.
Hoewel WPT en omgevings-RFEH van een dedicated feed verschillende rectenna-toepassingen zijn, is het bereiken van een optimale aanpassing tussen antenne, gelijkrichter en belasting essentieel voor een hoge energieomzettingsrendement (PCE) vanuit bandbreedteperspectief. WPT-rectenna's richten zich echter meer op het bereiken van een hogere kwaliteitsfactor (lagere S11) om de PCE van een enkele band bij bepaalde vermogensniveaus te verbeteren (topologieën a, e en f). De brede bandbreedte van een enkele band WPT verbetert de immuniteit van het systeem tegen ontstemming, fabricagefouten en parasitaire effecten van de behuizing. RFEH-rectenna's daarentegen geven prioriteit aan multibandwerking en behoren tot topologieën bd en g, aangezien de vermogensspectrale dichtheid (PSD) van een enkele band over het algemeen lager is.
3. Ontwerp van een rechthoekige antenne
1. Rectenna met één frequentie
Het antenneontwerp van een enkelfrequentie-rectenna (topologie A) is hoofdzakelijk gebaseerd op standaard antenneontwerpen, zoals een lineair gepolariseerde (LP) of circulair gepolariseerde (CP) stralingspatch op het grondvlak, een dipoolantenne en een omgekeerde F-antenne. Een differentieelband-rectenna is gebaseerd op een DC-combinatie-array die is geconfigureerd met meerdere antenne-eenheden of een gemengde DC- en RF-combinatie van meerdere patch-eenheden.
Omdat veel van de voorgestelde antennes enkelfrequentieantennes zijn en voldoen aan de eisen van enkelfrequentie WPT, worden bij het zoeken naar meerfrequentie RFEH in de omgeving meerdere enkelfrequentieantennes gecombineerd tot meerbands rectenna's (topologie B) met onderdrukking van onderlinge koppeling en onafhankelijke DC-combinatie na het vermogensbeheercircuit om ze volledig te isoleren van het RF-acquisitie- en conversiecircuit. Dit vereist meerdere vermogensbeheercircuits voor elke band, wat de efficiëntie van de boostconverter kan verminderen omdat het DC-vermogen van een enkele band laag is.
2. Multiband- en breedband-RFEH-antennes
Omgevings-RFEH wordt vaak geassocieerd met multiband-acquisitie; daarom zijn er diverse technieken voorgesteld om de bandbreedte van standaardantenneontwerpen te verbeteren en methoden om dual-band- of multiband-antenne-arrays te vormen. In dit gedeelte bespreken we aangepaste antenneontwerpen voor RFEH, evenals klassieke multiband-antennes die potentieel als rectenna's kunnen worden gebruikt.
Coplanar waveguide (CPW) monopoolantennes nemen minder ruimte in beslag dan microstrip patch-antennes bij dezelfde frequentie en produceren LP- of CP-golven. Ze worden vaak gebruikt voor breedbandige omgevingsrectenna's. Reflectievlakken worden gebruikt om de isolatie te vergroten en de versterking te verbeteren, wat resulteert in stralingspatronen die vergelijkbaar zijn met die van patch-antennes. Sleufvormige coplanar waveguide-antennes worden gebruikt om de impedantiebandbreedte te vergroten voor meerdere frequentiebanden, zoals 1,8–2,7 GHz of 1–3 GHz. Gekoppeld gevoede sleufantennes en patch-antennes worden ook vaak gebruikt in multiband-rectenna-ontwerpen. Figuur 3 toont enkele gerapporteerde multiband-antennes die meer dan één bandbreedteverbeteringstechniek gebruiken.
Figuur 3
Antenne-gelijkrichter impedantieaanpassing
Het aanpassen van een 50Ω-antenne aan een niet-lineaire gelijkrichter is een uitdaging, omdat de ingangsimpedantie sterk varieert met de frequentie. In topologieën A en B (figuur 2) is het gebruikelijke aanpassingsnetwerk een LC-aanpassing met discrete componenten; de relatieve bandbreedte is echter meestal lager dan die van de meeste communicatiebanden. Aanpassing met een enkele bandstub wordt vaak gebruikt in microgolf- en millimetergolfbanden onder de 6 GHz, en de beschreven millimetergolfrectenna's hebben een inherent smalle bandbreedte omdat hun PCE-bandbreedte wordt beperkt door onderdrukking van harmonische vervorming aan de uitgang. Dit maakt ze bijzonder geschikt voor WPT-toepassingen met één band in de licentievrije 24 GHz-band.
De rectenna's in topologieën C en D hebben complexere aanpassingsnetwerken. Volledig gedistribueerde lijnaanpassingsnetwerken zijn voorgesteld voor breedbandaanpassing, met een RF-blokkering/DC-kortsluiting (doorlaatfilter) bij de uitgangspoort of een DC-blokkerende condensator als retourpad voor diodeharmonischen. De gelijkrichtercomponenten kunnen worden vervangen door interdigiterende condensatoren op een printplaat (PCB), die worden gesynthetiseerd met behulp van commerciële software voor elektronisch ontwerp. Andere gerapporteerde breedbandaanpassingsnetwerken voor rectenna's combineren discrete componenten voor aanpassing aan lagere frequenties en gedistribueerde componenten voor het creëren van een RF-kortsluiting bij de ingang.
Door de ingangsimpedantie die de belasting via een bron waarneemt te variëren (bekend als de source-pull-techniek), is een breedbandgelijkrichter ontworpen met een relatieve bandbreedte van 57% (1,25–2,25 GHz) en een 10% hogere PCE (Power Conversion Efficiency) in vergelijking met geconcentreerde of gedistribueerde circuits. Hoewel aanpassingsnetwerken doorgaans zijn ontworpen om antennes over de gehele 50Ω-bandbreedte aan te passen, zijn er in de literatuur gevallen beschreven waarin breedbandantennes zijn aangesloten op smalbandgelijkrichters.
Hybride aanpassingsnetwerken met zowel geconcentreerde als verdeelde elementen worden veel gebruikt in topologieën C en D, waarbij serieschakelingen van inductoren en condensatoren de meest gebruikte geconcentreerde elementen zijn. Deze vermijden complexe structuren zoals interdigitated capacitors, die een nauwkeurigere modellering en fabricage vereisen dan standaard microstrip-lijnen.
Het ingangsvermogen van de gelijkrichter beïnvloedt de ingangsimpedantie vanwege de niet-lineariteit van de diode. Daarom is de rectenna ontworpen om de PCE (Power Conversion Efficiency) te maximaliseren voor een specifiek ingangsvermogen en een specifieke belastingsimpedantie. Omdat diodes bij frequenties onder de 3 GHz voornamelijk capacitieve hoogimpedanties hebben, is de focus bij breedbandrectenna's die aanpassingsnetwerken overbodig maken of vereenvoudigde aanpassingscircuits minimaliseren, gericht op frequenties Prf > 0 dBm en boven de 1 GHz. Dit komt doordat diodes een lage capacitieve impedantie hebben en goed kunnen worden aangepast aan de antenne, waardoor het ontwerpen van antennes met ingangsreactanties > 1000 Ω wordt vermeden.
Adaptieve of herconfigureerbare impedantieaanpassing is waargenomen in CMOS-rectenna's, waarbij het aanpassingsnetwerk bestaat uit on-chip condensatorbanken en inductoren. Statische CMOS-aanpassingsnetwerken zijn ook voorgesteld voor standaard 50Ω-antennes en co-ontworpen lusantennes. Er is gerapporteerd dat passieve CMOS-vermogensdetectoren worden gebruikt om schakelaars aan te sturen die de antenne-uitgang naar verschillende gelijkrichters en aanpassingsnetwerken leiden, afhankelijk van het beschikbare vermogen. Een herconfigureerbaar aanpassingsnetwerk met behulp van discrete afstemcondensatoren is voorgesteld, dat wordt afgesteld door fijnafstelling tijdens het meten van de ingangsimpedantie met behulp van een vectornetwerkanalysator. In herconfigureerbare microstrip-aanpassingsnetwerken zijn veldeffecttransistorschakelaars gebruikt om de aanpassingsstubs aan te passen om dual-bandkarakteristieken te bereiken.
Ga voor meer informatie over antennes naar:
Geplaatst op: 9 augustus 2024
