1. Введение
Сбор радиочастотной (РЧ) энергии (СРЧ) и радиационная беспроводная передача энергии (БПВ) привлекли большое внимание как методы создания беспроводных сетей без батарей. Выпрямляющие антенны (ректенны) являются краеугольным камнем систем БПВ и СРЧ и оказывают значительное влияние на постоянный ток, подаваемый на нагрузку. Антенные элементы ректенны напрямую влияют на эффективность сбора энергии, что может изменять собираемую мощность на несколько порядков. В данной статье рассматриваются конструкции антенн, используемые в системах БПВ и РЧЧ. Представленные ректенны классифицируются по двум основным критериям: полоса пропускания выпрямляющего импеданса антенны и характеристики излучения антенны. Для каждого критерия определяется и сравнительно анализируется показатель качества (FoM) для различных применений.
Беспроводная передача энергии (WPT) была предложена Теслой в начале XX 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, дальнобойная WPT ограничена физическими свойствами среды распространения (воздуха). Поэтому коммерческая WPT в основном ограничивается ближней нерадиационной передачей энергии для беспроводной зарядки бытовой электроники или RFID.
Поскольку энергопотребление полупроводниковых устройств и беспроводных сенсорных узлов продолжает снижаться, становится все более целесообразным питать сенсорные узлы с помощью окружающего радиочастотного излучения или распределенных маломощных всенаправленных передатчиков. Сверхмаломощные беспроводные системы питания обычно состоят из радиочастотного приемопередающего интерфейса, источника постоянного тока и управления памятью, а также маломощного микропроцессора и приемопередатчика.
На рисунке 1 показана архитектура беспроводного узла RFEH и распространенные варианты реализации радиочастотного интерфейса. Эффективность беспроводной системы электропитания и архитектура синхронизированной беспроводной сети передачи информации и энергии зависят от производительности отдельных компонентов, таких как антенны, выпрямители и схемы управления питанием. Для различных частей системы был проведен ряд обзоров литературы. В таблице 1 приведено краткое описание этапа преобразования энергии, ключевых компонентов для эффективного преобразования энергии и обзоры соответствующей литературы для каждой части. В последнее время основное внимание уделяется технологиям преобразования энергии, топологиям выпрямителей или сетевым RFEH.
Рисунок 1
Однако конструкция антенны не рассматривается как критически важный компонент в системах радиочастотного усиления сигнала. Хотя в некоторых работах рассматривается полоса пропускания и эффективность антенны в целом или с точки зрения конкретной конструкции антенны, например, миниатюрных или носимых антенн, влияние определенных параметров антенны на эффективность приема и преобразования энергии подробно не анализируется.
В данной статье рассматриваются методы проектирования антенн в ректеннах с целью выявления специфических проблем проектирования антенн для радиочастотного усиления и беспроводной передачи энергии, отличающихся от проблем проектирования стандартных коммуникационных антенн. Антенны сравниваются с двух точек зрения: согласование импеданса на всем протяжении и характеристики излучения; в каждом случае определяется и анализируется показатель эффективности (FoM) в современных (SoA) антеннах.
2. Полоса пропускания и согласование: радиочастотные сети, не соответствующие сопротивлению 50 Ом.
Характеристическое сопротивление 50 Ом является одним из первых параметров, учитываемых при выборе компромисса между затуханием и мощностью в приложениях микроволновой техники. В антеннах полоса пропускания по импедансу определяется как диапазон частот, в котором отраженная мощность составляет менее 10 % (S11 < −10 дБ). Поскольку малошумящие усилители (LNA), усилители мощности и детекторы обычно проектируются с согласованием входного импеданса 50 Ом, традиционно используется источник с сопротивлением 50 Ом.
В ректенне выходной сигнал антенны напрямую подается на выпрямитель, а нелинейность диода вызывает значительные изменения входного импеданса, причем преобладает емкостная составляющая. Предполагая антенну с сопротивлением 50 Ом, основная задача состоит в разработке дополнительной ВЧ-согласующей цепи для преобразования входного импеданса в импеданс выпрямителя на интересующей частоте и оптимизации его для определенного уровня мощности. В этом случае требуется полоса пропускания по импедансу от начала до конца для обеспечения эффективного преобразования ВЧ-сигнала в постоянный ток. Поэтому, хотя антенны теоретически могут достигать бесконечной или сверхширокой полосы пропускания с использованием периодических элементов или самокомплементарной геометрии, полоса пропускания ректенны будет ограничена согласующей цепью выпрямителя.
Было предложено несколько топологий выпрямительных антенн для достижения однодиапазонного и многодиапазонного сбора энергии или беспроводной передачи энергии за счет минимизации отражений и максимизации передачи мощности между антенной и выпрямителем. На рисунке 2 показаны структуры описанных топологий выпрямительных антенн, классифицированные по архитектуре согласования импедансов. В таблице 2 приведены примеры высокоэффективных выпрямительных антенн с точки зрения полосы пропускания (в данном случае, показателя качества) для каждой категории.
Рисунок 2. Топологии ректенны с точки зрения полосы пропускания и согласования импедансов. (a) Однодиапазонная ректенна со стандартной антенной. (b) Многодиапазонная ректенна (состоящая из нескольких взаимно связанных антенн) с одним выпрямителем и согласующей цепью на каждый диапазон. (c) Широкополосная ректенна с несколькими радиочастотными портами и отдельными согласующими цепями для каждого диапазона. (d) Широкополосная ректенна с широкополосной антенной и широкополосной согласующей цепью. (e) Однодиапазонная ректенна с электрически малой антенной, непосредственно согласованной с выпрямителем. (f) Однодиапазонная электрически большая антенна со сложным импедансом для сопряжения с выпрямителем. (g) Широкополосная ректенна со сложным импедансом для сопряжения с выпрямителем в диапазоне частот.
Хотя беспроводная передача энергии (WPT) и радиочастотная передача энергии от выделенного источника питания представляют собой разные области применения выпрямительных антенн, достижение сквозного согласования между антенной, выпрямителем и нагрузкой имеет фундаментальное значение для достижения высокой эффективности преобразования энергии (PCE) с точки зрения полосы пропускания. Тем не менее, выпрямительные антенны для WPT больше ориентированы на достижение более высокого коэффициента качества согласования (более низкий S11) для улучшения PCE в однодиапазонном режиме на определенных уровнях мощности (топологии a, e и f). Широкая полоса пропускания однодиапазонного WPT повышает устойчивость системы к расстройке, производственным дефектам и паразитным эффектам упаковки. С другой стороны, выпрямительные антенны для радиочастотной передачи энергии отдают приоритет многодиапазонной работе и относятся к топологиям bd и g, поскольку спектральная плотность мощности (PSD) в одном диапазоне, как правило, ниже.
3. Конструкция прямоугольной антенны
1. Одночастотная выпрямительная антенна
Конструкция одночастотной выпрямляющей антенны (топология А) в основном основана на стандартных конструкциях антенн, таких как излучающие элементы с линейной поляризацией (ЛП) или круговой поляризацией (КП) на заземляющей плоскости, дипольные антенны и инвертированные F-антенны. Дифференциальная полосовая выпрямляющая антенна основана на комбинированной решетке постоянного тока, сконфигурированной с несколькими антенными блоками, или на смешанной комбинации постоянного и радиочастотного тока нескольких патч-блоков.
Поскольку многие из предлагаемых антенн являются одночастотными и соответствуют требованиям одночастотной беспроводной передачи энергии, при поиске многочастотного радиочастотного преобразователя энергии несколько одночастотных антенн объединяются в многодиапазонные выпрямляющие антенны (топология B) с подавлением взаимной связи и независимым объединением постоянного тока после схемы управления питанием, чтобы полностью изолировать их от схемы приема и преобразования радиочастотного сигнала. Это требует наличия нескольких схем управления питанием для каждого диапазона, что может снизить эффективность повышающего преобразователя, поскольку мощность постоянного тока в одном диапазоне низка.
2. Многодиапазонные и широкополосные антенны RFEH
Для защиты от электромагнитных помех в окружающей среде часто используется многодиапазонный режим работы; поэтому было предложено множество методов для улучшения полосы пропускания стандартных антенных конструкций и способов формирования двухдиапазонных или двухдиапазонных антенных решеток. В этом разделе мы рассмотрим специализированные конструкции антенн для защиты от электромагнитных помех, а также классические многодиапазонные антенны, которые потенциально могут использоваться в качестве выпрямительных антенн.
Монопольные антенны на основе копланарных волноводов (CPW) занимают меньшую площадь, чем микрополосковые патч-антенны на той же частоте, и генерируют волны с низкой или круговой поляризацией (LP или CP), и часто используются для широкополосных выпрямляющих антенн в условиях окружающей среды. Плоскости отражения используются для повышения изоляции и улучшения усиления, что приводит к диаграммам направленности, аналогичным диаграммам направленности патч-антенн. Щелевые копланарные волноводные антенны используются для улучшения полосы пропускания по импедансу для нескольких частотных диапазонов, таких как 1,8–2,7 ГГц или 1–3 ГГц. Щелевые антенны с сопряженным питанием и патч-антенны также широко используются в многодиапазонных конструкциях выпрямляющих антенн. На рисунке 3 показаны некоторые описанные многодиапазонные антенны, в которых используется более одного метода улучшения полосы пропускания.
Рисунок 3
Согласование импедансов антенны и выпрямителя
Согласование 50-омной антенны с нелинейным выпрямителем представляет собой сложную задачу, поскольку ее входное сопротивление сильно меняется с частотой. В топологиях A и B (рис. 2) распространенной согласующей цепью является LC-согласование с использованием сосредоточенных элементов; однако относительная полоса пропускания обычно ниже, чем в большинстве диапазонов связи. Однодиапазонное согласование с помощью шлейфов обычно используется в микроволновом и миллиметровом диапазонах ниже 6 ГГц, а представленные миллиметровые выпрямительные антенны имеют изначально узкую полосу пропускания, поскольку их полоса пропускания PCE ограничена подавлением выходных гармоник, что делает их особенно подходящими для однодиапазонных приложений беспроводной передачи энергии в нелицензированном диапазоне 24 ГГц.
В топологиях C и D выпрямительные антенны имеют более сложные согласующие цепи. Для широкополосного согласования были предложены полностью распределенные линейные согласующие цепи с блокировкой ВЧ-сигнала/коротким замыканием постоянного тока (фильтр пропускания) на выходном порту или блокирующим конденсатором постоянного тока в качестве обратного пути для гармоник диода. Компоненты выпрямителя могут быть заменены межпальцевыми конденсаторами на печатных платах (PCB), синтез которых осуществляется с использованием коммерческих средств автоматизации проектирования электроники. Другие описанные широкополосные согласующие цепи выпрямительных антенн сочетают в себе сосредоточенные элементы для согласования с более низкими частотами и распределенные элементы для создания короткого замыкания ВЧ-сигнала на входе.
Изменение входного импеданса, наблюдаемого нагрузкой через источник (известное как метод «извлечения сигнала из источника»), использовалось для проектирования широкополосного выпрямителя с относительной полосой пропускания 57% (1,25–2,25 ГГц) и КПД на 10% выше по сравнению с схемами с сосредоточенными или распределенными параметрами. Хотя согласующие цепи обычно проектируются для согласования антенн во всем диапазоне 50 Ом, в литературе встречаются сообщения о подключении широкополосных антенн к узкополосным выпрямителям.
Гибридные согласующие сети с сосредоточенными и распределенными элементами широко используются в топологиях C и D, при этом наиболее часто используемыми сосредоточенными элементами являются последовательно включенные индукторы и конденсаторы. Это позволяет избежать сложных структур, таких как чередующиеся конденсаторы, которые требуют более точного моделирования и изготовления, чем стандартные микрополосковые линии.
Входная мощность выпрямителя влияет на входное сопротивление из-за нелинейности диода. Поэтому выпрямительная антенна проектируется таким образом, чтобы максимизировать КПД для определенного уровня входной мощности и импеданса нагрузки. Поскольку диоды в основном обладают высоким емкостным сопротивлением на частотах ниже 3 ГГц, широкополосные выпрямительные антенны, исключающие согласующие цепи или минимизирующие упрощенные согласующие цепи, ориентированы на частоты Prf>0 дБм и выше 1 ГГц, поскольку диоды имеют низкое емкостное сопротивление и могут быть хорошо согласованы с антенной, что позволяет избежать проектирования антенн с входным реактивным сопротивлением >1000 Ом.
Адаптивное или реконфигурируемое согласование импеданса наблюдалось в КМОП-ректеннах, где согласующая цепь состоит из встроенных конденсаторных батарей и индукторов. Статические КМОП-согласующие цепи также предлагались для стандартных антенн с сопротивлением 50 Ом, а также для совместно разработанных петлевых антенн. Сообщалось, что пассивные КМОП-детекторы мощности используются для управления переключателями, которые направляют выходной сигнал антенны на различные выпрямители и согласующие цепи в зависимости от доступной мощности. Была предложена реконфигурируемая согласующая цепь с использованием сосредоточенных настраиваемых конденсаторов, которая настраивается путем точной настройки при измерении входного импеданса с помощью векторного анализатора цепей. В реконфигурируемых микрополосковых согласующих цепях для регулировки согласующих отрезков с целью достижения двухдиапазонных характеристик использовались переключатели на полевых транзисторах.
Чтобы узнать больше об антеннах, посетите:
Дата публикации: 09.08.2024
