1.Введение
Сбор радиочастотной (RF) энергии (RFEH) и беспроводная передача энергии излучением (WPT) привлекли большой интерес как методы создания 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. Антенные элементы ректенны напрямую влияют на эффективность сбора, что может изменять собираемую мощность на несколько порядков. В данной статье рассматриваются конструкции антенн, используемых в приложениях WPT и окружающего RFEH. Представленные ректенны классифицируются по двум основным критериям: полосе пропускания выпрямляющего сопротивления антенны и характеристикам излучения антенны. Для каждого критерия определяется и сравнивается показатель качества (FoM) для различных приложений.
Технология беспроводной передачи энергии (WPT) была предложена Теслой в начале XX века как способ передачи энергии мощностью в несколько тысяч лошадиных сил. Термин «ректенна», описывающий антенну, подключенную к выпрямителю для сбора радиочастотной энергии, появился в 1950-х годах для передачи энергии в микроволновом диапазоне в космосе и для питания автономных дронов. Всенаправленная передача энергии на большие расстояния с помощью WPT ограничена физическими свойствами среды распространения (воздуха). Поэтому коммерческое применение WPT в основном ограничивается передачей энергии без излучения в ближнем поле для беспроводной зарядки бытовой электроники или RFID.
По мере снижения энергопотребления полупроводниковых устройств и беспроводных сенсорных узлов становится всё более целесообразным питать сенсорные узлы с помощью окружающего радиочастотного излучения (РЧЭ) или с помощью распределённых маломощных всенаправленных передатчиков. Сверхмаломощные беспроводные системы питания обычно состоят из входного каскада радиочастотного захвата, блока питания постоянного тока и управления памятью, а также маломощного микропроцессора и приёмопередатчика.
На рисунке 1 показана архитектура беспроводного узла RFEH и наиболее распространённые реализации входного радиочастотного тракта. Сквозная эффективность беспроводной системы электропитания и архитектуры синхронизированной беспроводной сети передачи информации и электроэнергии зависит от производительности отдельных компонентов, таких как антенны, выпрямители и схемы управления питанием. Для различных компонентов системы был проведён ряд обзоров литературы. В таблице 1 приведены сведения об этапе преобразования энергии, ключевых компонентах для эффективного преобразования энергии и соответствующие обзоры литературы для каждого компонента. В современной литературе основное внимание уделяется технологиям преобразования энергии, топологиям выпрямителей и сетевым RFEH.
Рисунок 1
Однако конструкция антенны не считается критически важным компонентом в радиочастотной электронике. Хотя в некоторых работах полоса пропускания и эффективность антенн рассматриваются как в целом, так и с точки зрения конкретной конструкции антенны, например, миниатюрных или носимых антенн, влияние отдельных параметров антенны на эффективность приёма и преобразования мощности подробно не анализируется.
В данной статье рассматриваются методы проектирования антенн в ректеннах с целью выделения специфических проблем проектирования антенн для радиочастотной эхо- и беспроводной передачи энергии (WPT) по сравнению со стандартными антеннами связи. Антенны сравниваются с двух точек зрения: согласования сквозного импеданса и характеристик излучения; в каждом случае определяется и анализируется поле зрения (FoM) в современных антеннах (SoA).
2. Полоса пропускания и согласование: радиочастотные сети с сопротивлением не 50 Ом
Характеристическое сопротивление 50 Ом является одним из первых критериев компромисса между затуханием и мощностью в микроволновых системах. В антеннах полоса пропускания 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 сопротивления 50 Ом, традиционно используется источник с импедансом 50 Ом.
В ректенне выходной сигнал антенны напрямую подается на выпрямитель, а нелинейность диода приводит к значительному изменению входного импеданса, при этом преобладает емкостная составляющая. Если предположить, что антенна имеет сопротивление 50 Ом, основной задачей является разработка дополнительной согласующей цепи для преобразования входного импеданса в импеданс выпрямителя на интересующей частоте и её оптимизации для заданного уровня мощности. В этом случае для обеспечения эффективного преобразования ВЧ-сигнала в постоянный требуется сквозная полоса пропускания. Следовательно, хотя антенны теоретически могут достигать бесконечной или сверхширокой полосы пропускания, используя периодические элементы или самодополнительную геометрию, полоса пропускания ректенны будет ограничена согласующей цепью выпрямителя.
Было предложено несколько топологий ректенн для достижения однополосного и многополосного сбора мощности (WPT) за счёт минимизации отражений и максимизации передачи мощности между антенной и выпрямителем. На рисунке 2 показаны структуры рассмотренных топологий ректенн, классифицированных по архитектуре согласования импедансов. В таблице 2 приведены примеры высокопроизводительных ректенн с точки зрения 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 каждый диапазон. (c) Широкополосная ректенна с несколькими ВЧ-портами 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 представляют собой различные области применения ректенн, сквозное согласование антенны, выпрямителя и нагрузки имеет основополагающее значение для достижения высокой эффективности преобразования мощности (PCE) с точки зрения пропускной способности. Тем не менее, ректенны WPT в большей степени ориентированы на достижение более высокого коэффициента добротности (более низкий S11) для улучшения PCE в одном диапазоне на определенных уровнях мощности (топологии a, e и f). Широкая полоса пропускания однодиапазонного WPT повышает устойчивость системы к расстройке, производственным дефектам и паразитным элементам корпуса. С другой стороны, ректенны RFEH отдают приоритет многодиапазонному режиму работы и относятся к топологиям bd и g, поскольку спектральная плотность мощности (СПМ) одного диапазона, как правило, ниже.
3. Прямоугольная конструкция антенны
1. Одночастотная ректенна
Конструкция одночастотной ректенны (топология A) в основном основана на стандартной конструкции антенны, такой как патч-антенна с линейной поляризацией (LP) или круговой поляризацией (CP), излучающая на плоскости заземления, дипольная антенна и перевёрнутая F-антенна. Дифференциальная ректенна основана на комбинированной антенной решётке постоянного тока, сконфигурированной с несколькими антенными блоками, или на смешанной комбинации постоянного тока и радиочастот нескольких патч-антенн.
Поскольку многие из предлагаемых антенн являются одночастотными и отвечают требованиям одночастотной беспроводной передачи энергии (БПЭ), при поиске многочастотной РЧЭ-помехи в условиях окружающей среды несколько одночастотных антенн объединяются в многодиапазонные ректенны (топология B) с подавлением взаимной связи и независимым объединением по постоянному току после схемы управления питанием для полной изоляции их от схемы захвата и преобразования РЧ-сигнала. Это требует использования нескольких схем управления питанием для каждого диапазона, что может снизить эффективность повышающего преобразователя из-за низкой мощности постоянного тока в одном диапазоне.
2. Многодиапазонные и широкополосные антенны RFEH
Окружающая среда, радиочастотная эхо-сигнализация (РЭЭ), часто ассоциируется с многодиапазонным приемом, поэтому был предложен ряд методов для расширения полосы пропускания стандартных антенных конструкций, а также методов формирования двухдиапазонных или диапазонных антенных решеток. В этом разделе мы рассмотрим специальные конструкции РЭЭ, а также классические многодиапазонные антенны, которые могут использоваться в качестве ректенн.
Антенны с копланарным волноводом (CPW) занимают меньшую площадь, чем микрополосковые патч-антенны на той же частоте, и создают волны LP или CP, поэтому часто используются в широкополосных ректеннах. Отражающие плоскости используются для улучшения изоляции и усиления, что приводит к диаграммам направленности, аналогичным диаграммам направленности патч-антенн. Щелевые копланарные волноводные антенны используются для улучшения полосы пропускания по импедансу в нескольких частотных диапазонах, таких как 1,8–2,7 ГГц или 1–3 ГГц. Щелевые антенны со связанным питанием и патч-антенны также широко используются в многодиапазонных ректеннах. На рисунке 3 показаны некоторые из описанных многодиапазонных антенн, использующих более одного метода улучшения полосы пропускания.
Рисунок 3
Согласование импеданса антенны и выпрямителя
Согласование 50-омной антенны с нелинейным выпрямителем представляет собой сложную задачу, поскольку её входное сопротивление сильно меняется с частотой. В топологиях A и B (рис. 2) стандартная согласующая цепь представляет собой LC-цепочку с сосредоточенными элементами; однако относительная полоса пропускания обычно уже, чем в большинстве диапазонов связи. Однополосное согласование шлейфом обычно используется в микроволновых и миллиметровых диапазонах ниже 6 ГГц, а описанные 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 беспроводной электросвязи в нелицензируемом диапазоне 24 ГГц.
Ректенны в топологиях C и D имеют более сложные согласующие цепи. Для широкополосного согласования были предложены полностью распределенные линейные согласующие цепи с ВЧ-блоком/замыканием по постоянному току (фильтром пропускания) на выходном порту или разделительным конденсатором постоянного тока в качестве обратного пути для диодных гармоник. Компоненты выпрямителя можно заменить встречно-штыревыми конденсаторами на печатной плате (PCB), синтезированными с помощью коммерческих средств автоматизации электронного проектирования. Другие известные широкополосные согласующие цепи ректенн сочетают сосредоточенные элементы для согласования на низких частотах и распределенные элементы для создания ВЧ-замыкания на входе.
Изменение входного импеданса нагрузки через источник (метод «источник-подтяжка») было использовано для разработки широкополосного выпрямителя с относительной полосой пропускания 57% (1,25–2,25 ГГц) и коэффициентом усиления на 10% выше по сравнению со схемами с сосредоточенными или распределенными параметрами. Хотя согласующие цепи обычно разрабатываются для согласования антенн во всей полосе пропускания 50 Ом, в литературе встречаются сообщения о подключении широкополосных антенн к узкополосным выпрямителям.
Гибридные согласующие цепи с сосредоточенными и распределенными элементами широко используются в топологиях C и D, при этом наиболее распространенными сосредоточенными элементами являются последовательные катушки индуктивности и конденсаторы. Это позволяет избежать сложных структур, таких как встречно-штыревые конденсаторы, требующих более точного моделирования и изготовления, чем стандартные микрополосковые линии.
Входная мощность выпрямителя влияет на входное сопротивление из-за нелинейности диода. Поэтому ректенна проектируется таким образом, чтобы максимально увеличить КПД при заданном уровне входной мощности и сопротивлении нагрузки. Поскольку диоды обладают преимущественно емкостным высоким импедансом на частотах ниже 3 ГГц, широкополосные ректенны, исключающие согласующие цепи или минимизирующие использование упрощенных согласующих цепей, были разработаны для частот Prf>0 дБм и выше 1 ГГц, поскольку диоды имеют низкое емкостное сопротивление и хорошо согласуются 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 в кристалл батарей конденсаторов и катушек индуктивности. Статические КМОП-согласующие цепи также были предложены для стандартных 50-омных антенн, а также для совместно разработанных рамочных антенн. Сообщалось, что пассивные КМОП-детекторы мощности используются для управления ключами, которые направляют выход антенны на различные выпрямители и согласующие цепи в зависимости от доступной мощности. Была предложена реконфигурируемая согласующая цепь, использующая сосредоточенные перестраиваемые конденсаторы, которая настраивается путем точной настройки при измерении входного импеданса с помощью векторного анализатора цепей. В реконфигурируемых микрополосковых согласующих цепях ключи на полевых транзисторах использовались для настройки согласующих шлейфов для достижения двухполосных характеристик.
Более подробную информацию об антеннах можно найти на сайте:
Время публикации: 09 августа 2024 г.
