1.Introduktion
Radiofrekvens (RF) energiskörd (RFEH) och radiativ trådlös kraftöverföring (WPT) har väckt stort intresse som metoder för att uppnå batterifria hållbara trådlösa nätverk. Rektennor är hörnstenen i WPT- och RFEH-system och har en betydande inverkan på likströmmen som levereras till lasten. Rektennans antennelement påverkar direkt skördeeffektiviteten, vilket kan variera den skördade effekten med flera storleksordningar. Detta dokument granskar antenndesignerna som används i WPT- och omgivande RFEH-applikationer. De rapporterade rektennorna klassificeras enligt två huvudkriterier: antennens likriktande impedansbandbredd och antennens strålningsegenskaper. För varje kriterium bestäms meritvärdet (FoM) för olika ansökningar och granskas jämförande.
WPT föreslogs av Tesla i början av 1900-talet som en metod för att överföra tusentals hästkrafter. Termen rectenna, som beskriver en antenn ansluten till en likriktare för att skörda RF-kraft, uppstod på 1950-talet för överföring av rymdmikrovågskraft och för att driva autonoma drönare. Rundstrålande WPT med lång räckvidd begränsas av de fysiska egenskaperna hos fortplantningsmediet (luft). Därför är kommersiell WPT huvudsakligen begränsad till icke-strålande kraftöverföring i närfält för trådlös hemelektronikladdning eller RFID.
Eftersom strömförbrukningen för halvledarenheter och trådlösa sensornoder fortsätter att minska, blir det mer genomförbart att driva sensornoder genom att använda omgivande RFEH eller använda distribuerade rundstrålande sändare med låg effekt. Trådlösa kraftsystem med ultralåg effekt består vanligtvis av ett RF-insamlingsgränssnitt, likströms- och minneshantering och en lågeffektmikroprocessor och transceiver.
Figur 1 visar arkitekturen för en trådlös RFEH-nod och de allmänt rapporterade RF-front-end-implementeringarna. End-to-end-effektiviteten hos det trådlösa kraftsystemet och arkitekturen för det synkroniserade trådlösa informations- och kraftöverföringsnätverket beror på prestandan hos enskilda komponenter, såsom antenner, likriktare och strömhanteringskretsar. Flera litteraturundersökningar har genomförts för olika delar av systemet. Tabell 1 sammanfattar effektomvandlingssteget, nyckelkomponenter för effektiv effektomvandling och relaterade litteraturundersökningar för varje del. Den senaste litteraturen fokuserar på energiomvandlingsteknik, likriktartopologier eller nätverksmedvetna RFEH.
Bild 1
Antenndesign anses dock inte vara en kritisk komponent i RFEH. Även om viss litteratur betraktar antennbandbredd och effektivitet ur ett övergripande perspektiv eller ur ett specifikt antenndesignperspektiv, såsom miniatyriserade eller bärbara antenner, analyseras inte effekten av vissa antennparametrar på effektmottagning och omvandlingseffektivitet i detalj.
Denna artikel granskar antenndesigntekniker i rektenner med målet att skilja RFEH- och WPT-specifika antenndesignutmaningar från standardkommunikationsantenndesign. Antenner jämförs ur två perspektiv: impedansmatchning från ände till ände och strålningsegenskaper; i varje fall identifieras och granskas FoM i de senaste (SoA) antennerna.
2. Bandbredd och matchning: Icke-50Ω RF-nätverk
Den karakteristiska impedansen på 50Ω är ett tidigt övervägande av kompromissen mellan dämpning och effekt i mikrovågstekniska tillämpningar. I antenner definieras impedansbandbredden som det frekvensområde där den reflekterade effekten är mindre än 10 % (S11< − 10 dB). Eftersom lågbrusförstärkare (LNA), effektförstärkare och detektorer vanligtvis är utformade med en 50Ω ingångsimpedansmatchning, refereras traditionellt till en 50Ω-källa.
I en rektenn matas antennens utgång direkt in i likriktaren, och diodens olinjäritet orsakar en stor variation i ingångsimpedansen, med den kapacitiva komponenten som dominerar. Om man antar en 50Ω-antenn är huvudutmaningen att designa ytterligare ett RF-matchande nätverk för att omvandla ingångsimpedansen till likriktarens impedans vid den aktuella frekvensen och optimera den för en specifik effektnivå. I det här fallet krävs impedansbandbredd från ände till ände för att säkerställa effektiv RF till DC-omvandling. Därför, även om antenner teoretiskt kan uppnå oändlig eller ultrabred bandbredd genom att använda periodiska element eller självkomplementär geometri, kommer rektennans bandbredd att flaskhalsas av likriktarmatchningsnätverket.
Flera rektenntopologier har föreslagits för att uppnå enkelbands- och multibandsskörd eller WPT genom att minimera reflektioner och maximera kraftöverföringen mellan antennen och likriktaren. Figur 2 visar strukturerna för de rapporterade rektenntopologierna, kategoriserade efter deras impedansmatchningsarkitektur. Tabell 2 visar exempel på högpresterande rektennor med avseende på end-to-end-bandbredd (i detta fall FoM) för varje kategori.
Figur 2 Rectenna-topologier ur perspektivet bandbredd och impedansmatchning. (a) Enkelbandsrektenn med standardantenn. (b) Flerbandsrektenn (som består av flera ömsesidigt kopplade antenner) med en likriktare och matchande nätverk per band. (c) Bredbandsrektenna med flera RF-portar och separata matchande nätverk för varje band. (d) Bredbandsrektenn med bredbandsantenn och bredbandsmatchande nätverk. (e) Enkelbandsrektenn som använder elektriskt liten antenn direkt anpassad till likriktaren. (f) Enkelbands, elektriskt stor antenn med komplex impedans för att konjugera med likriktaren. (g) Bredbandsrektenna med komplex impedans för att konjugera med likriktaren över ett frekvensområde.
Medan WPT och ambient RFEH från dedikerad matning är olika rektennaapplikationer, är det grundläggande att uppnå end-to-end-matchning mellan antenn, likriktare och belastning för att uppnå hög effektkonverteringseffektivitet (PCE) ur ett bandbreddsperspektiv. Icke desto mindre fokuserar WPT-rektennor mer på att uppnå högre kvalitetsfaktormatchning (lägre S11) för att förbättra enkelbands PCE vid vissa effektnivåer (topologi a, e och f). Den breda bandbredden hos enkelbands WPT förbättrar systemets immunitet mot avstämning, tillverkningsfel och förpackningsparasiter. Å andra sidan prioriterar RFEH-rektennor flerbandsdrift och tillhör topologierna bd och g, eftersom effektspektraldensiteten (PSD) för ett enda band i allmänhet är lägre.
3. Rektangulär antenndesign
1. Enfrekvent rektenna
Antenndesignen för enfrekvent rektenn (topologi A) är huvudsakligen baserad på standardantenndesign, såsom linjär polarisation (LP) eller cirkulär polarisation (CP) strålande patch på jordplanet, dipolantenn och inverterad F-antenn. Differentialbandsrektenna är baserad på DC-kombinationsmatris konfigurerad med flera antennenheter eller blandad DC- och RF-kombination av flera patchenheter.
Eftersom många av de föreslagna antennerna är enkelfrekvensantenner och uppfyller kraven för enkelfrekvens WPT, kombineras flera enkelfrekvensantenner till flerbandsrektenner (topologi B) med ömsesidig kopplingsundertryckning, när man söker omgivningsmultifrekvens RFEH. oberoende DC-kombination efter strömhanteringskretsen för att helt isolera dem från RF-insamlings- och konverteringskretsen. Detta kräver flera strömhanteringskretsar för varje band, vilket kan minska effektiviteten hos boost-omvandlaren eftersom likströmseffekten för ett enda band är låg.
2. Flerbands- och bredbandsantenner för RFEH
Miljömässiga RFEH förknippas ofta med multi-band förvärv; därför har en mängd olika tekniker föreslagits för att förbättra bandbredden för standardantennkonstruktioner och metoder för att bilda dubbelbands- eller bandantennuppsättningar. I det här avsnittet granskar vi anpassade antenndesigner för RFEH, såväl som klassiska flerbandsantenner med potential att användas som rektenner.
Coplanar waveguide (CPW) monopolantenner upptar mindre yta än microstrip patch-antenner vid samma frekvens och producerar LP- eller CP-vågor, och används ofta för bredbandiga miljörektenner. Reflektionsplan används för att öka isoleringen och förbättra förstärkningen, vilket resulterar i strålningsmönster som liknar patchantenner. Slitsade koplanära vågledarantenner används för att förbättra impedansbandbredderna för flera frekvensband, såsom 1,8–2,7 GHz eller 1–3 GHz. Kopplad matade slot-antenner och patch-antenner används också ofta i flerbands-rektennkonstruktioner. Figur 3 visar några rapporterade flerbandsantenner som använder mer än en teknik för bandbreddsförbättring.
Figur 3
Antenn-likriktare impedansmatchning
Att matcha en 50Ω-antenn med en olinjär likriktare är utmanande eftersom dess ingångsimpedans varierar mycket med frekvensen. I topologierna A och B (Figur 2) är det gemensamma matchningsnätverket en LC-matchning som använder klumparerade element; den relativa bandbredden är dock vanligtvis lägre än de flesta kommunikationsband. Enkelbandsstubbmatchning används vanligtvis i mikrovågs- och millimetervågsband under 6 GHz, och de rapporterade millimetervågsrektennorna har en naturligt smal bandbredd eftersom deras PCE-bandbredd är flaskhalsad av utmatningsövertonsundertryckning, vilket gör dem särskilt lämpliga för enkel- band WPT-applikationer i det olicensierade 24 GHz-bandet.
Rektennorna i topologierna C och D har mer komplexa matchande nätverk. Fullt distribuerade linjematchningsnätverk har föreslagits för bredbandsmatchning, med en RF-block/DC-kortslutning (passfilter) vid utgångsporten eller en DC-blockerande kondensator som en returväg för diodövertoner. Likriktarkomponenterna kan ersättas av tryckta kretskort (PCB) interdigiterade kondensatorer, som syntetiseras med hjälp av kommersiella elektroniska designautomationsverktyg. Andra rapporterade bredbandsnätverk för rektennamatchning kombinerar klumpade element för matchning till lägre frekvenser och distribuerade element för att skapa en RF-kortslutning vid ingången.
Att variera ingångsimpedansen som observeras av belastningen genom en källa (känd som source-pull-tekniken) har använts för att designa en bredbandslikriktare med 57 % relativ bandbredd (1,25–2,25 GHz) och 10 % högre PCE jämfört med klumpar eller distribuerade kretsar . Även om matchande nätverk vanligtvis är utformade för att matcha antenner över hela 50Ω-bandbredden, finns det rapporter i litteraturen där bredbandsantenner har anslutits till smalbandslikriktare.
Hybrid-klumpade-element- och distribuerade-element-matchningsnätverk har använts i stor utsträckning i topologierna C och D, med serieinduktorer och kondensatorer som de mest använda klumpade elementen. Dessa undviker komplexa strukturer såsom interdigiterade kondensatorer, som kräver mer exakt modellering och tillverkning än vanliga mikrostrip-linjer.
Ineffekten till likriktaren påverkar ingångsimpedansen på grund av diodens olinjäritet. Därför är rektennan utformad för att maximera PCE för en specifik ineffektnivå och belastningsimpedans. Eftersom dioder i första hand är kapacitiva högimpedans vid frekvenser under 3 GHz, har bredbandsrektennor som eliminerar matchande nätverk eller minimerar förenklade matchningskretsar fokuserats på frekvenser Prf>0 dBm och över 1 GHz, eftersom dioderna har låg kapacitiv impedans och kan matchas väl. till antennen och på så sätt undviker designen av antenner med ingångsreaktanser >1 000Ω.
Adaptiv eller omkonfigurerbar impedansmatchning har setts i CMOS-rektennor, där matchningsnätverket består av on-chip kondensatorbanker och induktorer. Statiska CMOS-matchningsnätverk har också föreslagits för standardantenner på 50Ω såväl som samdesignade loopantenner. Det har rapporterats att passiva CMOS-effektdetektorer används för att styra omkopplare som styr antennens utgång till olika likriktare och matchande nätverk beroende på tillgänglig effekt. Ett omkonfigurerbart matchande nätverk med hjälp av avstämbara kondensatorer har föreslagits, vilket avstäms genom finjustering samtidigt som ingångsimpedansen mäts med hjälp av en vektornätverksanalysator. I omkonfigurerbara mikrostripmatchande nätverk har fälteffekttransistoromkopplare använts för att justera de matchande stubbarna för att uppnå dubbelbandsegenskaper.
För att lära dig mer om antenner, besök:
Posttid: Aug-09-2024
