1.Введение
Сбор энергии радиочастот (RF) (RFEH) и беспроводная передача энергии излучения (WPT) привлекли большой интерес как методы достижения устойчивых беспроводных сетей без использования батарей. Ректенны являются краеугольным камнем систем WPT и RFEH и оказывают значительное влияние на мощность постоянного тока, подаваемую на нагрузку. Элементы антенны ректенны напрямую влияют на эффективность сбора, что может изменять собираемую мощность на несколько порядков. В этой статье рассматриваются конструкции антенн, используемых в приложениях WPT и окружающего RFEH. Представленные ректенны классифицируются по двум основным критериям: полоса пропускания выпрямляющего сопротивления антенны и характеристики излучения антенны. Для каждого критерия определяется и сравнивается показатель качества (FoM) для различных приложений.
WPT была предложена Теслой в начале 20 века как метод передачи тысяч лошадиных сил. Термин ректенна, который описывает антенну, подключенную к выпрямителю для сбора радиочастотной энергии, появился в 1950-х годах для приложений передачи энергии в космосе с помощью микроволнового излучения и для питания автономных беспилотных летательных аппаратов. Всенаправленная WPT дальнего действия ограничена физическими свойствами среды распространения (воздуха). Поэтому коммерческая WPT в основном ограничивается передачей энергии без излучения в ближнем поле для беспроводной зарядки бытовой электроники или RFID.
Поскольку энергопотребление полупроводниковых устройств и беспроводных сенсорных узлов продолжает снижаться, становится более целесообразным питать сенсорные узлы с помощью окружающего RFEH или с помощью распределенных маломощных всенаправленных передатчиков. Беспроводные системы питания сверхмалого энергопотребления обычно состоят из входного каскада радиочастотного захвата, управления питанием постоянного тока и памятью, а также маломощного микропроцессора и приемопередатчика.
На рисунке 1 показана архитектура беспроводного узла RFEH и обычно сообщаемые реализации RF front-end. Эффективность беспроводной системы питания от начала до конца и архитектура синхронизированной беспроводной сети передачи информации и питания зависят от производительности отдельных компонентов, таких как антенны, выпрямители и схемы управления питанием. Было проведено несколько обзоров литературы для различных частей системы. В таблице 1 обобщены этап преобразования мощности, ключевые компоненты для эффективного преобразования мощности и соответствующие обзоры литературы для каждой части. В недавней литературе основное внимание уделяется технологии преобразования мощности, топологиям выпрямителей или RFEH с поддержкой сети.
Рисунок 1
Однако конструкция антенны не рассматривается как критический компонент в RFEH. Хотя в некоторых литературных источниках рассматривается полоса пропускания и эффективность антенны с общей точки зрения или с точки зрения конкретной конструкции антенны, например, миниатюрных или носимых антенн, влияние определенных параметров антенны на прием мощности и эффективность преобразования подробно не анализируется.
В этой статье рассматриваются методы проектирования антенн в ректеннах с целью отличить специфические проблемы проектирования антенн RFEH и WPT от проектирования стандартных антенн связи. Антенны сравниваются с двух точек зрения: согласование импеданса на всем протяжении и характеристики излучения; в каждом случае FoM определяется и рассматривается в антеннах последнего поколения (SoA).
2. Пропускная способность и согласование: не-50-омные РЧ-сети
Характеристическое сопротивление 50 Ом является ранним рассмотрением компромисса между затуханием и мощностью в микроволновых инженерных приложениях. В антеннах ширина полосы импеданса 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 сопротивления 50 Ом, традиционно ссылаются на источник 50 Ом.
В ректенне выходной сигнал антенны напрямую подается в выпрямитель, а нелинейность диода вызывает большие изменения входного импеданса, при этом доминирует емкостная составляющая. Если предположить, что антенна имеет сопротивление 50 Ом, то основная задача заключается в разработке дополнительной согласующей сети ВЧ для преобразования входного импеданса в импеданс выпрямителя на интересующей частоте и оптимизации ее для определенного уровня мощности. В этом случае для обеспечения эффективного преобразования ВЧ в постоянный ток требуется сквозная полоса пропускания импеданса. Поэтому, хотя антенны теоретически могут достигать бесконечной или сверхширокой полосы пропускания с использованием периодических элементов или самокомплементарной геометрии, полоса пропускания ректенны будет ограничена согласующей сетью выпрямителя.
Было предложено несколько топологий ректенн для достижения однополосного и многополосного сбора или WPT путем минимизации отражений и максимизации передачи мощности между антенной и выпрямителем. На рисунке 2 показаны структуры представленных топологий ректенн, классифицированных по архитектуре согласования импеданса. В таблице 2 приведены примеры высокопроизводительных ректенн относительно сквозной полосы пропускания (в данном случае FoM) для каждой категории.
Рисунок 2 Топологии ректенны с точки зрения согласования полосы пропускания и импеданса. (a) Однополосная ректенна со стандартной антенной. (b) Многополосная ректенна (состоящая из нескольких взаимно связанных антенн) с одним выпрямителем и согласующей цепью на диапазон. (c) Широкополосная ректенна с несколькими портами RF и отдельными согласующими цепями для каждого диапазона. (d) Широкополосная ректенна с широкополосной антенной и широкополосной согласующей цепью. (e) Однополосная ректенна, использующая электрически малую антенну, напрямую согласованную с выпрямителем. (f) Однополосная электрически большая антенна с комплексным импедансом для сопряжения с выпрямителем. (g) Широкополосная ректенна с комплексным импедансом для сопряжения с выпрямителем в диапазоне частот.
Хотя WPT и окружающий RFEH от выделенного фидера являются различными приложениями ректенн, достижение сквозного согласования между антенной, выпрямителем и нагрузкой имеет основополагающее значение для достижения высокой эффективности преобразования мощности (PCE) с точки зрения пропускной способности. Тем не менее, ректенны WPT больше ориентированы на достижение более высокого коэффициента соответствия (более низкий S11) для улучшения однополосного PCE на определенных уровнях мощности (топологии a, e и f). Широкая полоса пропускания однополосного WPT повышает устойчивость системы к расстройке, производственным дефектам и паразитным элементам упаковки. С другой стороны, ректенны RFEH отдают приоритет многополосной работе и относятся к топологиям bd и g, поскольку спектральная плотность мощности (PSD) одного диапазона, как правило, ниже.
3. Прямоугольная конструкция антенны
1. Одночастотная ректенна
Конструкция антенны одночастотной ректенны (топология A) в основном основана на стандартной конструкции антенны, такой как линейная поляризация (LP) или круговая поляризация (CP), излучающая патч на плоскости заземления, дипольная антенна и перевернутая F-антенна. Дифференциальная диапазонная ректенна основана на комбинированной решетке постоянного тока, сконфигурированной с несколькими антенными блоками или смешанной комбинации постоянного тока и радиочастот нескольких патч-блоков.
Поскольку многие из предлагаемых антенн являются одночастотными антеннами и отвечают требованиям одночастотной WPT, при поиске многочастотной RFEH окружающей среды несколько одночастотных антенн объединяются в многополосные ректенны (топология B) с подавлением взаимной связи и независимой комбинацией постоянного тока после схемы управления питанием, чтобы полностью изолировать их от схемы получения и преобразования радиочастот. Это требует нескольких схем управления питанием для каждого диапазона, что может снизить эффективность повышающего преобразователя, поскольку мощность постоянного тока одного диапазона низкая.
2. Многодиапазонные и широкополосные антенны RFEH
RFEH окружающей среды часто ассоциируется с многодиапазонным захватом; поэтому были предложены различные методы для улучшения полосы пропускания стандартных конструкций антенн и методы формирования двухдиапазонных или полосовых антенных решеток. В этом разделе мы рассмотрим пользовательские конструкции антенн для RFEH, а также классические многодиапазонные антенны с потенциалом использования в качестве ректенн.
Копланарные волноводные (CPW) монопольные антенны занимают меньшую площадь, чем микрополосковые патч-антенны на той же частоте и производят волны LP или CP, и часто используются для широкополосных экологических ректенн. Отражательные плоскости используются для увеличения изоляции и улучшения усиления, что приводит к диаграммам направленности, аналогичным патч-антеннам. Щелевые копланарные волноводные антенны используются для улучшения полосы пропускания импеданса для нескольких частотных диапазонов, таких как 1,8–2,7 ГГц или 1–3 ГГц. Связанные щелевые антенны и патч-антенны также обычно используются в многодиапазонных конструкциях ректенн. На рисунке 3 показаны некоторые зарегистрированные многодиапазонные антенны, которые используют более одного метода улучшения полосы пропускания.
Рисунок 3
Согласование импеданса антенны и выпрямителя
Согласование антенны 50 Ом с нелинейным выпрямителем является сложной задачей, поскольку ее входное сопротивление сильно меняется с частотой. В топологиях A и B (рисунок 2) общая согласующая сеть представляет собой согласование LC с использованием сосредоточенных элементов; однако относительная полоса пропускания обычно ниже, чем у большинства диапазонов связи. Однополосное согласование шлейфов обычно используется в микроволновых и миллиметровых диапазонах ниже 6 ГГц, а сообщаемые ректенны миллиметрового диапазона имеют изначально узкую полосу пропускания, поскольку их полоса пропускания PCE ограничена подавлением выходных гармоник, что делает их особенно подходящими для однополосных приложений WPT в нелицензируемом диапазоне 24 ГГц.
Ректенны в топологиях C и D имеют более сложные согласующие сети. Полностью распределенные линейные согласующие сети были предложены для широкополосного согласования с блоком RF/DC короткозамкнутым контуром (фильтр пропускания) на выходном порту или DC блокирующим конденсатором в качестве обратного пути для диодных гармоник. Компоненты выпрямителя могут быть заменены встречно-штыревыми конденсаторами печатной платы (PCB), которые синтезируются с использованием коммерческих электронных автоматизированных средств проектирования. Другие известные широкополосные согласующие сети ректенн объединяют сосредоточенные элементы для согласования с более низкими частотами и распределенные элементы для создания RF короткозамкнутого контура на входе.
Изменение входного импеданса, наблюдаемого нагрузкой через источник (известный как метод source-pull), использовалось для разработки широкополосного выпрямителя с 57% относительной полосой пропускания (1,25–2,25 ГГц) и на 10% более высоким PCE по сравнению с сосредоточенными или распределенными схемами. Хотя согласующие сети обычно проектируются для согласования антенн по всей полосе пропускания 50 Ом, в литературе имеются сообщения, где широкополосные антенны подключались к узкополосным выпрямителям.
Гибридные сети согласования с сосредоточенными элементами и распределенными элементами широко используются в топологиях C и D, причем наиболее часто используемыми сосредоточенными элементами 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. Поэтому ректенна спроектирована так, чтобы максимизировать PCE для определенного уровня входной мощности и сопротивления нагрузки. Поскольку диоды в основном имеют емкостное высокое сопротивление на частотах ниже 3 ГГц, широкополосные ректенны, которые исключают согласующие цепи или минимизируют упрощенные согласующие цепи, были сосредоточены на частотах 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 входными реактивными сопротивлениями >1000 Ом.
Адаптивное или реконфигурируемое согласование импеданса наблюдалось в КМОП-ректеннах, где согласующая сеть состоит из встроенных в кристалл конденсаторных батарей и индукторов. Статические согласующие сети КМОП также были предложены для стандартных антенн 50 Ом, а также для совместно разработанных рамочных антенн. Сообщалось, что пассивные детекторы мощности КМОП используются для управления переключателями, которые направляют выход антенны на различные выпрямители и согласующие сети в зависимости от доступной мощности. Была предложена реконфигурируемая согласующая сеть с использованием сосредоточенных настраиваемых конденсаторов, которая настраивается путем точной настройки при измерении входного импеданса с помощью векторного анализатора цепей. В реконфигурируемых микрополосковых согласующих сетях полевые транзисторные переключатели использовались для настройки согласующих шлейфов для достижения двухполосных характеристик.
Чтобы узнать больше об антеннах, посетите сайт:
Время публикации: 09-авг-2024
