1. Inleiding
Radiofrequentie (RF) energie-oogst (RFEH) en radiatieve draadloze energieoverdracht (WPT) hebben grote 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 impact op het gelijkstroomvermogen dat aan de belasting wordt geleverd. De antenne-elementen van de rectenna beïnvloeden de oogstefficiëntie direct, waardoor het geoogste vermogen met meerdere ordes van grootte kan variëren. Dit artikel bespreekt de antenneontwerpen die worden gebruikt in WPT- en ambient RFEH-toepassingen. De gerapporteerde rectenna's worden geclassificeerd op basis van twee hoofdcriteria: de gelijkrichtende impedantiebandbreedte van de antenne en de stralingskarakteristieken van de antenne. Voor elk criterium wordt de merit-factor (FoM) voor verschillende toepassingen bepaald en vergeleken.
WPT werd begin 20e eeuw door Tesla voorgesteld als een methode om duizenden pk's over te brengen. De term rectenna, een term die een antenne beschrijft die is verbonden met een gelijkrichter om RF-vermogen te verzamelen, ontstond in de jaren 50 voor toepassingen in de ruimte met microgolven en voor de aandrijving van autonome drones. Omnidirectionele WPT met een groot bereik wordt beperkt door de fysieke eigenschappen van het voortplantingsmedium (lucht). Daarom is commerciële WPT voornamelijk beperkt tot niet-stralingsvrije energieoverdracht in het nabije veld voor draadloos opladen van consumentenelektronica of RFID.
Naarmate het stroomverbruik van halfgeleiderapparaten en draadloze sensorknooppunten blijft dalen, wordt het steeds haalbaarder om sensorknooppunten van stroom te voorzien met behulp van ambient RFEH of met gedistribueerde, energiezuinige omnidirectionele zenders. Draadloze systemen met ultralaag vermogen bestaan meestal uit een RF-acquisitiefront-end, gelijkstroomvoeding en geheugenbeheer, en een energiezuinige microprocessor en transceiver.
Figuur 1 toont de architectuur van een draadloos RFEH-knooppunt en de veelgebruikte RF-front-end-implementaties. De end-to-end-efficiëntie van het draadloze energiesysteem en de architectuur van het gesynchroniseerde draadloze informatie- en energieoverdrachtsnetwerk zijn afhankelijk van de prestaties van afzonderlijke componenten, zoals antennes, gelijkrichters en powermanagementcircuits. Er zijn verschillende literatuurstudies uitgevoerd voor verschillende onderdelen van het systeem. Tabel 1 vat de fase van vermogensconversie, de belangrijkste componenten voor efficiënte vermogensconversie en gerelateerde literatuurstudies voor elk onderdeel samen. Recente literatuur richt zich op vermogensconversietechnologie, gelijkrichtertopologieën en netwerkbewuste RFEH.
Figuur 1
Antenneontwerp wordt echter niet als een kritisch onderdeel van RFEH beschouwd. Hoewel sommige literatuur de bandbreedte en efficiëntie van antennes vanuit een algemeen perspectief of vanuit een specifiek antenneontwerpperspectief bekijkt, zoals geminiaturiseerde of draagbare antennes, wordt de impact van bepaalde antenneparameters op de ontvangst- en conversie-efficiëntie niet gedetailleerd geanalyseerd.
In dit artikel worden antenneontwerptechnieken voor rectennes besproken met als doel de specifieke uitdagingen op het gebied van RFEH- en WPT-antenneontwerp te onderscheiden van het ontwerp van standaard communicatieantennes. Antennes worden vanuit twee perspectieven vergeleken: end-to-end impedantie-aanpassing en stralingskarakteristieken; in beide gevallen wordt de FoM geïdentificeerd en beoordeeld in de state-of-the-art (SoA) antennes.
2. Bandbreedte en matching: niet-50Ω RF-netwerken
De karakteristieke impedantie van 50 Ω is een vroege overweging voor het compromis tussen demping en vermogen in microgolftoepassingen. In antennes wordt de impedantiebandbreedte gedefinieerd als het frequentiebereik waarbij het gereflecteerde vermogen minder dan 10% bedraagt (S11 < -10 dB). Omdat laagruisversterkers (LNA's), vermogensversterkers en detectoren doorgaans worden ontworpen met een ingangsimpedantie van 50 Ω, wordt traditioneel een 50 Ω-bron gebruikt.
In een rectenna wordt de uitgang van de antenne rechtstreeks naar de gelijkrichter geleid, en de niet-lineariteit van de diode veroorzaakt een grote variatie in de ingangsimpedantie, waarbij de capacitieve component domineert. Uitgaande van een 50Ω-antenne 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 end-to-end 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 dus worden beperkt door het gelijkrichteraanpassingsnetwerk.
Er zijn verschillende rectennatopologieën voorgesteld om single-band en multi-band harvesting (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 rectennatopologieën, gecategoriseerd op basis van hun impedantieaanpassingsarchitectuur. Tabel 2 toont voorbeelden van hoogwaardige 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 impedantieaanpassing. (a) Enkelbands rectenna met standaardantenne. (b) Multibands rectenna (samengesteld uit meerdere onderling gekoppelde antennes) met één gelijkrichter en aanpassingsnetwerk per band. (c) Breedbands rectenna met meerdere RF-poorten en aparte aanpassingsnetwerken voor elke band. (d) Breedbands rectenna met breedbandantenne en breedbandaanpassingsnetwerk. (e) Enkelbands rectenna met een elektrisch kleine antenne die direct is afgestemd op de gelijkrichter. (f) Enkelbands, elektrisch grote antenne met complexe impedantie om te conjugeren met de gelijkrichter. (g) Breedbands rectenna met complexe impedantie om te conjugeren met de gelijkrichter over een bereik van frequenties.
Hoewel WPT en ambient RFEH vanuit een dedicated feed verschillende rectennatoepassingen zijn, is het bereiken van end-to-end matching tussen antenne, gelijkrichter en belasting essentieel om een hoge vermogensconversie-efficiëntie (PCE) te bereiken vanuit een bandbreedteperspectief. WPT-rectenna's richten zich echter meer op het bereiken van een hogere kwaliteitsfactormatching (lagere S11) om de PCE voor één band te verbeteren bij bepaalde vermogensniveaus (topologieën a, e en f). De brede bandbreedte van enkelband WPT verbetert de immuniteit van het systeem tegen ontstemming, productiefouten en verpakkingsparasitaire factoren. RFEH-rectenna's daarentegen geven prioriteit aan multibandwerking en behoren tot de topologieën bd en g, omdat de spectrale vermogensdichtheid (PSD) van een enkele band over het algemeen lager is.
3. Rechthoekig antenneontwerp
1. Enkelvoudige frequentie rectenna
Het antenneontwerp van de enkelvoudige frequentie-rectenna (topologie A) is voornamelijk gebaseerd op standaard antenneontwerpen, zoals lineaire polarisatie (LP) of circulaire polarisatie (CP) stralingspatch op het grondvlak, dipoolantenne en omgekeerde F-antenne. Differentiële band-rectenna is gebaseerd op een DC-combinatie-array 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 eisen van WPT met één frequentie, worden bij het zoeken naar omgevingsgerichte multi-frequentie RFEH meerdere antennes met één frequentie gecombineerd tot multi-band rectennes (topologie B) met wederzijdse koppelingsonderdrukking en onafhankelijke DC-combinatie na het power management circuit om ze volledig te isoleren van het RF-acquisitie- en conversiecircuit. Dit vereist meerdere power management circuits voor elke band, wat de efficiëntie van de boost converter kan verminderen omdat het DC-vermogen van een enkele band laag is.
2. Multi-band en breedband RFEH-antennes
Omgevings-RFEH wordt vaak geassocieerd met multiband-acquisitie; daarom zijn er diverse technieken voorgesteld om de bandbreedte van standaard antenneontwerpen te verbeteren en methoden voor het vormen van dualband- of bandantenne-arrays. In deze sectie bespreken we aangepaste antenneontwerpen voor RFEH's, evenals klassieke multibandantennes die potentieel als rectenna's kunnen worden gebruikt.
Coplanaire golfgeleider (CPW) monopoolantennes nemen minder ruimte in beslag dan microstrip patchantennes bij dezelfde frequentie en produceren LP- of CP-golven. Ze worden vaak gebruikt voor breedbandige omgevingsrectennes. Reflectievlakken worden gebruikt om de isolatie te verhogen en de versterking te verbeteren, wat resulteert in stralingspatronen die vergelijkbaar zijn met patchantennes. Gesleufde coplanaire golfgeleiderantennes worden gebruikt om de impedantiebandbreedte voor meerdere frequentiebanden te verbeteren, zoals 1,8-2,7 GHz of 1-3 GHz. Gekoppelde sleufantennes en patchantennes worden ook vaak gebruikt in multiband rectenna-ontwerpen. Figuur 3 toont enkele gerapporteerde multibandantennes die meer dan één techniek voor bandbreedteverbetering gebruiken.
Figuur 3
Antenne-gelijkrichter impedantie aanpassing
Het afstemmen van een 50Ω-antenne op een niet-lineaire gelijkrichter is een uitdaging, omdat de ingangsimpedantie sterk varieert met de frequentie. In topologieën A en B (Figuur 2) is het gemeenschappelijke aanpassingsnetwerk een LC-aanpassing met geconcentreerde elementen; de relatieve bandbreedte is echter meestal lager dan bij de meeste communicatiebanden. Enkelbands stub-aanpassing wordt vaak gebruikt in microgolf- en millimetergolfbanden onder 6 GHz, en de gerapporteerde millimetergolf-rectennen hebben een inherent smalle bandbreedte omdat hun PCE-bandbreedte wordt beperkt door onderdrukking van harmonischen in de uitgang. Dit maakt ze bijzonder geschikt voor enkelbands WPT-toepassingen in de licentievrije 24 GHz-band.
De rectenna's in topologieën C en D hebben complexere matchingnetwerken. Volledig gedistribueerde lijnmatchingnetwerken zijn voorgesteld voor breedbandmatching, met een RF-blok/DC-kortsluiting (doorlaatfilter) aan de uitgangspoort of een DC-blokcondensator als retourpad voor diodeharmonischen. De gelijkrichtercomponenten kunnen worden vervangen door interdigitale condensatoren op printplaten (PCB's), die worden gesynthetiseerd met behulp van commerciële tools voor elektronische ontwerpautomatisering. Andere gerapporteerde breedband rectenna-matchingnetwerken combineren geconcentreerde elementen voor matching met lagere frequenties en gedistribueerde elementen om een RF-kortsluiting aan de ingang te creëren.
Het variëren van de ingangsimpedantie die door de belasting via een bron wordt waargenomen (de zogenaamde 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 in vergelijking met geconcentreerde of gedistribueerde circuits. Hoewel matchingnetwerken doorgaans ontworpen zijn om antennes over de volledige bandbreedte van 50Ω te matchen, zijn er in de literatuur verslagen te vinden van breedbandantennes die zijn aangesloten op smalbandgelijkrichters.
Hybride matching-netwerken met geconcentreerde en gedistribueerde elementen worden veel gebruikt in topologieën C en D, waarbij serie-inductoren en condensatoren de meest gebruikte gecombineerde elementen zijn. Deze netwerken vermijden complexe structuren zoals interdigitale condensatoren, die een nauwkeurigere modellering en fabricage vereisen dan standaard microstriplijnen.
Het ingangsvermogen van 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 ingangsvermogen en een specifieke belastingsimpedantie. Omdat diodes voornamelijk capacitief hoogimpedant zijn bij frequenties onder de 3 GHz, zijn breedband-rectenna's die matching-netwerken elimineren of vereenvoudigde matching-circuits minimaliseren, gericht op frequenties Prf>0 dBm en boven 1 GHz. De diodes hebben namelijk een lage capacitieve impedantie en kunnen goed worden afgestemd op de antenne, waardoor het ontwerp van antennes met ingangsreactanties >1000 Ω wordt vermeden.
Adaptieve of herconfigureerbare impedantieaanpassing is waargenomen in CMOS-rectennen, waarbij het aanpassingsnetwerk bestaat uit on-chip condensatorbanken en spoelen. Statische CMOS-aanpassingsnetwerken zijn ook voorgesteld voor standaard 50Ω-antennes, evenals voor gezamenlijk ontworpen lusantennes. Er is gerapporteerd dat passieve CMOS-vermogensdetectoren worden gebruikt om schakelaars te besturen die de uitgang van de antenne naar verschillende gelijkrichters en aanpassingsnetwerken leiden, afhankelijk van het beschikbare vermogen. Er is een herconfigureerbaar aanpassingsnetwerk voorgesteld met geconcentreerde, afstembare condensatoren, dat wordt afgestemd door middel van fijnafstemming tijdens het meten van de ingangsimpedantie met een vectornetwerkanalysator. In herconfigureerbare microstrip-aanpassingsnetwerken zijn veldeffecttransistorschakelaars gebruikt om de aanpassingsstubs aan te passen om dual-bandkarakteristieken te bereiken.
Voor meer informatie over antennes kunt u terecht op:
Plaatsingstijd: 9 augustus 2024
