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 рис. 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 выпрямительная антенна, использующая электрически небольшую антенну, непосредственно согласованную 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 часто 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. Приложения 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 устраняют 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.
