1.Введение
Сбор радиочастотной (РЧ) энергии (RFEH) и радиационная беспроводная передача энергии (WPT) вызвали большой интерес как методы создания устойчивых беспроводных сетей без батарей. Ректенны являются краеугольным камнем систем WPT и RFEH и оказывают значительное влияние на мощность постоянного тока, подаваемую в нагрузку. Антенные элементы ректенны напрямую влияют на эффективность сбора данных, которая может изменять собираемую мощность на несколько порядков. В этом документе рассматриваются конструкции антенн, используемые в приложениях WPT и RFEH. Сообщаемые ректенны классифицируются по двум основным критериям: полосе выпрямительного импеданса антенны и характеристикам излучения антенны. По каждому критерию определяется и сравнивается показатель качества (FoM) для различных приложений.
WPT был предложен Теслой в начале 20 века как метод передачи тысяч лошадиных сил. Термин «ректенна», описывающий антенну, подключенную к выпрямителю для сбора радиочастотной энергии, появился в 1950-х годах для применения в космической микроволновой передаче энергии и для питания автономных дронов. Всенаправленная БПЭ дальнего радиуса действия ограничена физическими свойствами среды распространения (воздуха). Таким образом, коммерческие БПЭ в основном ограничиваются безызлучательной передачей энергии в ближнем поле для беспроводной зарядки бытовой электроники или RFID.
Поскольку энергопотребление полупроводниковых устройств и узлов беспроводных датчиков продолжает снижаться, становится более целесообразным обеспечивать питание узлов датчиков с помощью RFEH окружающей среды или с помощью распределенных всенаправленных передатчиков малой мощности. Беспроводные системы питания со сверхнизким энергопотреблением обычно состоят из интерфейса сбора радиочастотных сигналов, управления питанием постоянного тока и памяти, а также маломощного микропроцессора и приемопередатчика.
На рисунке 1 показана архитектура беспроводного узла RFEH и часто встречающиеся реализации радиочастотного интерфейса. Сквозная эффективность беспроводной энергосистемы и архитектура синхронизированной беспроводной сети передачи информации и энергии зависит от производительности отдельных компонентов, таких как антенны, выпрямители и схемы управления питанием. Для различных частей системы было проведено несколько обзоров литературы. В таблице 1 приведены этапы преобразования энергии, ключевые компоненты эффективного преобразования энергии и обзоры соответствующей литературы для каждой части. В недавней литературе основное внимание уделяется технологиям преобразования энергии, топологиям выпрямителей или RFEH с поддержкой сети.
Рисунок 1
Однако конструкция антенны не считается критическим компонентом в RFEH. Хотя в некоторой литературе полоса пропускания и эффективность антенны рассматриваются с общей точки зрения или с точки зрения конкретной конструкции антенны, например миниатюрных или портативных антенн, влияние определенных параметров антенны на прием мощности и эффективность преобразования подробно не анализируется.
В этом документе рассматриваются методы проектирования антенн в ректеннах с целью отличить конкретные проблемы проектирования антенн RFEH и WPT от стандартной конструкции антенн связи. Антенны сравниваются с двух точек зрения: согласование сквозного импеданса и характеристик излучения; в каждом случае FoM идентифицируется и проверяется в современных антеннах (SoA).
2. Пропускная способность и согласование: радиочастотные сети с сопротивлением не 50 Ом
Характеристическое сопротивление 50 Ом — это ранний вариант компромисса между затуханием и мощностью в приложениях микроволновой техники. В антеннах полоса импеданса определяется как диапазон частот, в котором отраженная мощность составляет менее 10% (S11< – 10 дБ). Поскольку малошумящие усилители (МШУ), усилители мощности и детекторы обычно проектируются с согласованием входного импеданса 50 Ом, традиционно упоминается источник с сопротивлением 50 Ом.
В ректенне выходной сигнал антенны напрямую подается на выпрямитель, а нелинейность диода вызывает большие изменения входного сопротивления с преобладанием емкостной составляющей. Предполагая антенну с сопротивлением 50 Ом, основная задача состоит в том, чтобы спроектировать дополнительную схему РЧ-согласования для преобразования входного сопротивления в сопротивление выпрямителя на интересующей частоте и оптимизировать ее для определенного уровня мощности. В этом случае для обеспечения эффективного преобразования RF в постоянный ток требуется сквозная полоса импеданса. Следовательно, хотя антенны теоретически могут обеспечить бесконечную или сверхширокую полосу пропускания с использованием периодических элементов или самодополняющей геометрии, полоса пропускания ректенны будет ограничена согласующей сетью выпрямителя.
Было предложено несколько топологий ректенн для достижения однополосного и многополосного сбора данных или БПЭ за счет минимизации отражений и максимизации передачи мощности между антенной и выпрямителем. На рисунке 2 показаны структуры описанных топологий ректенн, классифицированные по архитектуре согласования импедансов. В таблице 2 показаны примеры высокопроизводительных ректенн с точки зрения сквозной полосы пропускания (в данном случае FoM) для каждой категории.
Рис. 2. Топологии ректенны с точки зрения согласования полосы пропускания и импеданса. (а) Однодиапазонная ректенна со стандартной антенной. (b) Многодиапазонная ректенна (состоящая из нескольких взаимно связанных антенн) с одним выпрямителем и согласующей сетью на каждый диапазон. (c) Широкополосная ректенна с несколькими РЧ-портами и отдельными согласующими сетями для каждого диапазона. (d) Широкополосная ректенна с широкополосной антенной и широкополосной согласующей сетью. (e) Однодиапазонная ректенна с использованием электрически малой антенны, напрямую согласованной с выпрямителем. (f) Однодиапазонная электрически большая антенна с комплексным сопротивлением для сопряжения с выпрямителем. (g) Широкополосная ректенна с комплексным сопротивлением для сопряжения с выпрямителем в диапазоне частот.
Хотя WPT и окружающий RFEH от выделенного канала представляют собой разные применения ректенны, достижение сквозного согласования между антенной, выпрямителем и нагрузкой имеет основополагающее значение для достижения высокой эффективности преобразования мощности (PCE) с точки зрения полосы пропускания. Тем не менее, ректенны WPT больше ориентированы на достижение более высокого согласования коэффициента качества (нижний S11) для улучшения однодиапазонного PCE на определенных уровнях мощности (топологии a, e и f). Широкая полоса пропускания однодиапазонной БПЭ повышает устойчивость системы к расстройкам, производственным дефектам и паразитным воздействиям в упаковке. С другой стороны, ректенны RFEH отдают приоритет многодиапазонной работе и относятся к топологиям bd и g, поскольку спектральная плотность мощности (PSD) одного диапазона обычно ниже.
3. Прямоугольная конструкция антенны
1. Одночастотная ректенна
Конструкция одночастотной ректенны (топология A) в основном основана на стандартной конструкции антенны, такой как излучающее пятно с линейной поляризацией (LP) или круговой поляризацией (CP) на плоскости земли, дипольная антенна и инвертированная F-антенна. Ректенна с дифференциальным диапазоном основана на комбинированной решетке постоянного тока, сконфигурированной с несколькими антенными блоками, или на смешанной комбинации постоянного и радиочастотного сигналов из нескольких патч-блоков.
Поскольку многие из предложенных антенн являются одночастотными и отвечают требованиям одночастотной БПЭ, при поиске окружающей многочастотной РЧЭМ несколько одночастотных антенн объединяются в многодиапазонные ректенны (топология Б) с подавлением взаимной связи и независимая комбинация постоянного тока после схемы управления питанием, чтобы полностью изолировать их от схемы сбора и преобразования RF. Для этого требуется несколько схем управления питанием для каждого диапазона, что может снизить эффективность повышающего преобразователя, поскольку мощность постоянного тока в одном диапазоне низкая.
2. Многодиапазонные и широкополосные антенны РЧЭГ.
Экологический RFEH часто ассоциируется с многодиапазонным захватом данных; поэтому было предложено множество методов улучшения полосы пропускания стандартных конструкций антенн и способов формирования двухдиапазонных или полосовых антенных решеток. В этом разделе мы рассматриваем специальные конструкции антенн для радиочастотных радиочастотных радиостанций, а также классические многодиапазонные антенны, которые можно использовать в качестве ректенн.
Монопольные антенны копланарного волновода (CPW) занимают меньшую площадь, чем микрополосковые патч-антенны на той же частоте, создают волны LP или CP и часто используются для широкополосных ректенн, работающих в окружающей среде. Плоскости отражения используются для увеличения изоляции и улучшения усиления, в результате чего диаграммы направленности аналогичны диаграммам направленности патч-антенн. Копланарные волноводные антенны с прорезями используются для улучшения полосы пропускания импеданса для нескольких диапазонов частот, например 1,8–2,7 ГГц или 1–3 ГГц. Щелевые антенны со связанным питанием и патч-антенны также широко используются в конструкциях многодиапазонных ректенн. На рисунке 3 показаны некоторые известные многодиапазонные антенны, в которых используется более одного метода улучшения полосы пропускания.
Рисунок 3
Согласование импеданса антенны-выпрямителя
Согласование антенны с сопротивлением 50 Ом с нелинейным выпрямителем является сложной задачей, поскольку ее входное сопротивление сильно зависит от частоты. В топологиях A и B (рис. 2) общей сетью согласования является LC-сопоставление с использованием элементов с сосредоточенными параметрами; однако относительная полоса пропускания обычно ниже, чем у большинства диапазонов связи. Однодиапазонное шлейфовое согласование обычно используется в микроволновом и миллиметровом диапазонах частот ниже 6 ГГц, а заявленные ректенны миллиметрового диапазона имеют по своей сути узкую полосу пропускания, поскольку их полоса пропускания PCE ограничена подавлением выходных гармоник, что делает их особенно подходящими для однодиапазонного согласования. диапазон приложений БПЭ в нелицензируемом диапазоне 24 ГГц.
Ректенны в топологиях C и D имеют более сложные сети согласования. Для широкополосного согласования были предложены полностью распределенные сети линейного согласования с ВЧ-блоком/коротким замыканием постоянного тока (пропускающим фильтром) на выходном порту или блокирующим конденсатором постоянного тока в качестве обратного пути для гармоник диода. Компоненты выпрямителя могут быть заменены встречно-штыревыми конденсаторами на печатной плате (PCB), которые синтезируются с использованием коммерческих средств автоматизации проектирования электроники. Другие известные широкополосные сети согласования ректенн сочетают элементы с сосредоточенными параметрами для согласования с более низкими частотами и распределенные элементы для создания короткого замыкания на входе.
Изменение входного импеданса, наблюдаемого нагрузкой через источник (известное как метод вытягивания источника), было использовано для разработки широкополосного выпрямителя с относительной полосой пропускания 57% (1,25–2,25 ГГц) и PCE на 10% выше по сравнению с схемами с сосредоточенными или распределенными параметрами. . Хотя согласующие сети обычно проектируются для согласования антенн во всей полосе пропускания 50 Ом, в литературе имеются сообщения о подключении широкополосных антенн к узкополосным выпрямителям.
Гибридные схемы согласования с сосредоточенными и распределенными элементами широко используются в топологиях C и D, причем наиболее часто используемыми элементами с сосредоточенными параметрами являются последовательные индукторы и конденсаторы. Это позволяет избежать сложных структур, таких как встречно-штыревые конденсаторы, которые требуют более точного моделирования и изготовления, чем стандартные микрополосковые линии.
Входная мощность выпрямителя влияет на входное сопротивление из-за нелинейности диода. Таким образом, ректенна спроектирована так, чтобы максимизировать PCE для определенного уровня входной мощности и импеданса нагрузки. Поскольку диоды имеют в основном емкостной высокий импеданс на частотах ниже 3 ГГц, широкополосные ректенны, которые исключают схемы согласования или минимизируют упрощенные схемы согласования, были ориентированы на частоты Prf>0 дБм и выше 1 ГГц, поскольку диоды имеют низкий емкостный импеданс и могут быть хорошо согласованы. к антенне, что позволяет избежать проектирования антенн с входным реактивным сопротивлением > 1000 Ом.
Адаптивное или реконфигурируемое согласование импеданса можно увидеть в КМОП-ректеннах, где согласующая сеть состоит из встроенных в кристалл батарей конденсаторов и катушек индуктивности. Статические схемы согласования КМОП также были предложены для стандартных 50-омных антенн, а также для совместно разработанных рамочных антенн. Сообщалось, что пассивные КМОП-детекторы мощности используются для управления переключателями, которые направляют выходной сигнал антенны на различные выпрямители и согласующие сети в зависимости от доступной мощности. Предложена реконфигурируемая согласующая цепь с использованием перестраиваемых конденсаторов с сосредоточенными параметрами, настройка которой осуществляется путем точной настройки при измерении входного сопротивления с помощью векторного анализатора цепей. В реконфигурируемых микрополосковых согласующих сетях для настройки согласующих шлейфов используются переключатели на полевых транзисторах для достижения двухдиапазонных характеристик.
Чтобы узнать больше об антеннах, посетите:
Время публикации: 09 августа 2024 г.
