1. Introduktion
Radiofrekvensenergiskörd (RFEH) och strålningsbaserad trådlös effektöverföring (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 den likström som levereras till lasten. Rektennans antennelement påverkar direkt skördningseffektiviteten, vilket kan variera den skördade effekten med flera storleksordningar. Denna artikel granskar de antennkonstruktioner som används i WPT- och omgivande RFEH-applikationer. De rapporterade rektennorna klassificeras enligt två huvudkriterier: antennens likriktarimpedansbandbredd och antennens strålningsegenskaper. För varje kriterium bestäms och jämförs meritvärdet (FoM) för olika applikationer.
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-effekt, dök upp på 1950-talet för tillämpningar inom rymden inom mikrovågskraftöverföring och för att driva autonoma drönare. Omnidirektionell WPT med lång räckvidd begränsas av de fysikaliska egenskaperna hos utbredningsmediet (luft). Därför är kommersiell WPT huvudsakligen begränsad till icke-strålande kraftöverföring i närfältet för trådlös laddning av konsumentelektronik eller RFID.
I takt med att strömförbrukningen för halvledarkomponenter och trådlösa sensornoder fortsätter att minska blir det mer genomförbart att driva sensornoder med hjälp av omgivande RFEH eller med hjälp av distribuerade lågeffekts rundstrålande sändare. Ultralågeffekts trådlösa strömförsörjningssystem består vanligtvis av en RF-insamlingsfront, likströms- och minneshantering samt en lågeffektsmikroprocessor och sändtagare.
Figur 1 visar arkitekturen för en trådlös RFEH-nod och de vanligt förekommande RF-frontend-implementeringarna. Den trådlösa kraftsystemets end-to-end-effektivitet och arkitekturen för det synkroniserade trådlösa informations- och kraftöverföringsnätverket beror på prestandan hos enskilda komponenter, såsom antenner, likriktare och strömstyrningskretsar. Flera litteraturstudier har genomförts för olika delar av systemet. Tabell 1 sammanfattar effektomvandlingssteget, nyckelkomponenter för effektiv effektomvandling och relaterade litteraturstudier för varje del. Nyare litteratur fokuserar på effektomvandlingsteknik, likriktartopologier eller nätverksmedveten RFEH.
Figur 1
Antenndesign anses dock inte vara en kritisk komponent i RFEH. Även om en del litteratur beaktar 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 rektennor med målet att skilja RFEH- och WPT-specifika antenndesignutmaningar från standardkommunikationsantenndesign. Antenner jämförs ur två perspektiv: end-to-end impedansmatchning och strålningsegenskaper; i varje fall identifieras och granskas FoM i de modernaste (SoA) antennerna.
2. Bandbredd och matchning: RF-nätverk utan 50Ω
Den karakteristiska impedansen på 50Ω är en tidig övervägning 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 ingångsimpedansmatchning på 50Ω, refereras traditionellt till en 50Ω-källa.
I en rektenna matas antennens utgång direkt in i likriktaren, och diodens olinjäritet orsakar en stor variation i ingångsimpedansen, där den kapacitiva komponenten dominerar. Om man antar en 50Ω-antenn är den största utmaningen att designa ett ytterligare RF-matchningsnätverk för att transformera ingångsimpedansen till likriktarens impedans vid den aktuella frekvensen och optimera den för en specifik effektnivå. I detta fall krävs en end-to-end-impedansbandbredd för att säkerställa effektiv RF till DC-omvandling. Därför, även om antenner kan uppnå teoretiskt oändlig eller ultrabred bandbredd med hjälp av periodiska element eller självkomplementär geometri, kommer rektennans bandbredd att vara flaskhalsad av likriktarens matchningsnätverk.
Flera rektenntopologier har föreslagits för att uppnå enbands- och flerbandsskördning eller WPT genom att minimera reflektioner och maximera effektöverföringen 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 Rektenntopologier ur perspektivet av bandbredds- och impedansmatchning. (a) Enbandsrektenna med standardantenn. (b) Flerbandsrektenna (bestående av flera ömsesidigt kopplade antenner) med en likriktare och matchningsnätverk per band. (c) Bredbandsrektenna med flera RF-portar och separata matchningsnätverk för varje band. (d) Bredbandsrektenna med bredbandsantenn och bredbandsmatchningsnätverk. (e) Enbandsrektenna med elektriskt liten antenn direkt matchad till likriktaren. (f) Enbands, elektriskt stor antenn med komplex impedans för konjugering med likriktaren. (g) Bredbandsrektenna med komplex impedans för konjugering med likriktaren över ett frekvensområde.
Medan WPT och omgivande RFEH från dedikerad matning är olika rektennapplikationer, är det grundläggande att uppnå end-to-end-matchning mellan antenn, likriktare och last för att uppnå hög effektomvandlingseffektivitet (PCE) ur ett bandbreddsperspektiv. Ändå fokuserar WPT-rektennor mer på att uppnå högre kvalitetsfaktormatchning (lägre S11) för att förbättra enbands-PCE vid vissa effektnivåer (topologier a, e och f). Den breda bandbredden hos enbands-WPT förbättrar systemets immunitet mot avstämning, tillverkningsfel och paketeringsparasiter. Å andra sidan prioriterar RFEH-rektennor flerbandsdrift och tillhör topologier bd och g, eftersom effektspektraldensiteten (PSD) för ett enskilt band i allmänhet är lägre.
3. Rektangulär antenndesign
1. Enfrekvensrektenna
Antenndesignen för enfrekvensrektennor (topologi A) är huvudsakligen baserad på standardantenndesign, såsom linjär polarisation (LP) eller cirkulär polarisation (CP) med strålande patch på jordplanet, dipolantenn och inverterad F-antenn. Differentialbandrektennor är baserade på en DC-kombinationsmatris konfigurerad med flera antennenheter eller en blandad DC- och RF-kombination av flera patchenheter.
Eftersom många av de föreslagna antennerna är enfrekvensantenner och uppfyller kraven för enfrekvens-WPT, kombineras flera enfrekvensantenner till flerbandsrektennor (topologi B) med ömsesidig kopplingsundertryckning och oberoende DC-kombination efter effekthanteringskretsen när man söker miljövänlig multifrekvens-RFEH, för att helt isolera dem från RF-insamlings- och omvandlingskretsen. Detta kräver flera effekthanteringskretsar för varje band, vilket kan minska boost-omvandlarens effektivitet eftersom likströmseffekten i ett enda band är låg.
2. Multibands- och bredbands-RFEH-antenner
Miljömässig RFEH förknippas ofta med flerbandsförvärv; därför har en mängd olika tekniker föreslagits för att förbättra bandbredden för standardantennkonstruktioner och metoder för att bilda dubbelbands- eller bandantennmatriser. I det här avsnittet granskar vi anpassade antennkonstruktioner för RFEH:er, såväl som klassiska flerbandsantenner med potential att användas som rektennor.
Koplanära vågledarantenner (CPW) upptar mindre yta än mikrostrippatchantenner vid samma frekvens och producerar LP- eller CP-vågor, och används ofta för bredbandiga miljörektennor. Reflektionsplan används för att öka isoleringen och förbättra förstärkningen, vilket resulterar i strålningsmönster som liknar patchantenner. Slitsade koplanära vågledarantenner används för att förbättra impedansbandbredder för flera frekvensband, såsom 1,8–2,7 GHz eller 1–3 GHz. Kopplade matade slitsantenner och patchantenner används också ofta i flerbandsrektenndesigner. Figur 3 visar några rapporterade flerbandsantenner som använder mer än en bandbreddsförbättringsteknik.
Figur 3
Antenn-likriktarimpedansmatchning
Att matcha en 50Ω-antenn till en ickelinjär likriktare är utmanande eftersom dess ingångsimpedans varierar kraftigt med frekvensen. I topologierna A och B (Figur 2) är det gemensamma matchningsnätverket en LC-matchning som använder klumpiga element; den relativa bandbredden är dock vanligtvis lägre än i de flesta kommunikationsband. Enbandsstubmatchning används ofta i mikrovågs- och millimetervågsband under 6 GHz, och de rapporterade millimetervågsrektennorna har en i sig smal bandbredd eftersom deras PCE-bandbredd är flaskhalsad av undertryckning av utgående harmonisk frekvens, vilket gör dem särskilt lämpliga för enbands WPT-applikationer i det olicensierade 24 GHz-bandet.
Rektennorna i topologierna C och D har mer komplexa matchningsnätverk. Helt distribuerade linjematchningsnätverk har föreslagits för bredbandsmatchning, med en RF-blockering/DC-kortslutning (passfilter) vid utgångsporten eller en DC-blockeringskondensator som returväg för diodövertoner. Likriktarkomponenterna kan ersättas med sammanflätade kondensatorer på kretskort (PCB), vilka syntetiseras med hjälp av kommersiella verktyg för elektronisk designautomation. Andra rapporterade bredbandsrektennmatchningsnätverk kombinerar klumpiga element för matchning till lägre frekvenser och distribuerade element för att skapa en RF-kortslutning vid ingången.
Att variera ingångsimpedansen som observeras av lasten 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 klumpiga eller distribuerade kretsar. Även om matchningsnätverk vanligtvis är utformade för att matcha antenner över hela 50Ω-bandbredden, finns det rapporter i litteraturen där bredbandsantenner har anslutits till smalbandslikriktare.
Hybrida matchningsnätverk med klumpiga element och distribuerade element har använts flitigt i topologierna C och D, där serieinduktorer och kondensatorer är de vanligast använda klumpiga elementen. Dessa undviker komplexa strukturer som sammanflätade kondensatorer, vilka kräver mer noggrann modellering och tillverkning än vanliga mikrostripledningar.
Ineffekten till likriktaren påverkar ingångsimpedansen på grund av diodens olinjäritet. Därför är rektennan utformad för att maximera PCE för en specifik ingångseffektnivå och lastimpedans. Eftersom dioder primärt är kapacitiva med hög impedans vid frekvenser under 3 GHz, har bredbandsrektennor som eliminerar matchningsnätverk 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, vilket undviker design av antenner med ingångsreaktanser > 1 000 Ω.
Adaptiv eller omkonfigurerbar impedansmatchning har observerats i CMOS-rektennor, där matchningsnätverket består av kondensatorbankar och induktorer på chipet. Statiska CMOS-matchningsnätverk har också föreslagits för standard 50Ω-antenner såväl som för samdesignade loopantenner. Det har rapporterats att passiva CMOS-effektdetektorer används för att styra omkopplare som riktar antennens utgång till olika likriktare och matchningsnätverk beroende på tillgänglig effekt. Ett omkonfigurerbart matchningsnätverk med klumpiga avstämbara kondensatorer har föreslagits, vilket finjusteras samtidigt som ingångsimpedansen mäts med en vektornätverksanalysator. I omkonfigurerbara mikrostrip-matchningsnätverk har fälteffekttransistoromkopplare använts för att justera matchningsstubbar för att uppnå dubbelbandsegenskaper.
För att lära dig mer om antenner, besök:
Publiceringstid: 9 augusti 2024
