1. Kirish
Radiochastotali (RF) energiya yig'ish (RFH) va radiatsion simsiz quvvat uzatish (WPT) batareyasiz barqaror simsiz tarmoqlarga erishish usullari sifatida katta qiziqish uyg'otdi. Rektennalar WPT va RFH tizimlarining asosi bo'lib, yukga yetkaziladigan doimiy tok quvvatiga sezilarli ta'sir ko'rsatadi. Rektennaning antenna elementlari yig'ish samaradorligiga bevosita ta'sir qiladi, bu yig'ish quvvatini bir necha kattalik tartibiga o'zgartirishi mumkin. Ushbu maqolada WPT va atrof-muhit RFH ilovalarida qo'llaniladigan antenna dizaynlari ko'rib chiqiladi. Xabar qilingan rektennalar ikkita asosiy mezon bo'yicha tasniflanadi: antennani to'g'rilovchi empedans o'tkazish qobiliyati va antennaning nurlanish xususiyatlari. Har bir mezon uchun turli xil ilovalar uchun qiymat ko'rsatkichi (FoM) aniqlanadi va qiyosiy ko'rib chiqiladi.
WPT 20-asrning boshlarida Tesla tomonidan minglab ot kuchini uzatish usuli sifatida taklif qilingan. RF quvvatini yig'ish uchun rektifikatorga ulangan antennani tavsiflovchi rektenna atamasi 1950-yillarda kosmik mikroto'lqinli energiya uzatish dasturlari va avtonom dronlarni quvvatlantirish uchun paydo bo'lgan. Ko'p yo'nalishli, uzoq masofali WPT tarqalish muhitining (havo) fizik xususiyatlari bilan cheklangan. Shuning uchun, tijorat WPT asosan simsiz iste'molchi elektronikasini zaryadlash yoki RFID uchun yaqin maydonli radiatsion bo'lmagan quvvat uzatish bilan cheklangan.
Yarimo'tkazgichli qurilmalar va simsiz sensor tugunlarining quvvat sarfi kamayib borayotganligi sababli, sensor tugunlarini atrof-muhitdagi RFH yoki taqsimlangan kam quvvatli ko'p yo'nalishli uzatgichlar yordamida quvvatlantirish yanada qulayroq bo'lib bormoqda. Ultra kam quvvatli simsiz quvvat tizimlari odatda RF olish old qismi, doimiy tok quvvati va xotira boshqaruvi hamda kam quvvatli mikroprotsessor va qabul qilgich-uzatgichdan iborat.
1-rasmda RFH simsiz tugunining arxitekturasi va keng tarqalgan RF front-end implementatsiyalari ko'rsatilgan. Simsiz quvvat tizimining boshdan-oxirga samaradorligi va sinxronlashtirilgan simsiz axborot va quvvat uzatish tarmog'ining arxitekturasi antennalar, rektifikatorlar va quvvatni boshqarish sxemalari kabi alohida komponentlarning ishlashiga bog'liq. Tizimning turli qismlari uchun bir nechta adabiyotlar bo'yicha tadqiqotlar o'tkazildi. 1-jadvalda quvvatni konvertatsiya qilish bosqichi, samarali quvvatni konvertatsiya qilishning asosiy komponentlari va har bir qism uchun tegishli adabiyotlar bo'yicha tadqiqotlar umumlashtirilgan. So'nggi adabiyotlar quvvatni konvertatsiya qilish texnologiyasi, rektifikator topologiyalari yoki tarmoqqa mos keladigan RFHga qaratilgan.
1-rasm
Biroq, antenna dizayni RFEHda muhim komponent sifatida qaralmaydi. Ba'zi adabiyotlarda antennaning o'tkazish qobiliyati va samaradorligi umumiy nuqtai nazardan yoki miniatyuralangan yoki kiyiladigan antennalar kabi ma'lum bir antenna dizayni nuqtai nazaridan ko'rib chiqilsa-da, ayrim antenna parametrlarining quvvatni qabul qilish va konversiya samaradorligiga ta'siri batafsil tahlil qilinmagan.
Ushbu maqolada RFEH va WPT ga xos antenna dizaynidagi qiyinchiliklarni standart aloqa antenna dizaynidan farqlash maqsadida rektennalarda antenna dizayni texnikasi ko'rib chiqiladi. Antennalar ikki nuqtai nazardan taqqoslanadi: uchidan uchiga impedans mosligi va nurlanish xususiyatlari; har bir holatda FoM eng zamonaviy (SoA) antennalarda aniqlanadi va ko'rib chiqiladi.
2. O'tkazish qobiliyati va moslashtirish: 50Ω bo'lmagan RF tarmoqlari
50Ω ning xarakterli impedansi mikroto'lqinli muhandislik qo'llanmalarida susayish va quvvat o'rtasidagi murosaga dastlabki qarashdir. Antennalarda impedans o'tkazuvchanligi aks ettirilgan quvvat 10% dan kam bo'lgan chastota diapazoni sifatida belgilanadi (S11< − 10 dB). Past shovqinli kuchaytirgichlar (LNA), quvvat kuchaytirgichlari va detektorlar odatda 50Ω kirish impedansi mosligi bilan ishlab chiqilganligi sababli, an'anaviy ravishda 50Ω manbaga murojaat qilinadi.
Rektennada antennaning chiqishi to'g'ridan-to'g'ri rektifikatorga uzatiladi va diodning chiziqli bo'lmaganligi kirish impedansida katta o'zgarishga olib keladi, bunda sig'imli komponent ustunlik qiladi. 50Ω antennani faraz qilsak, asosiy qiyinchilik kirish impedansini qiziqish chastotasida rektifikatorning impedansiga o'zgartirish va uni ma'lum bir quvvat darajasi uchun optimallashtirish uchun qo'shimcha RF moslashtirish tarmog'ini loyihalashdir. Bu holda, RF ni DC ga samarali o'zgartirishni ta'minlash uchun uchdan uchgacha impedans o'tkazish qobiliyati talab qilinadi. Shuning uchun, antennalar davriy elementlar yoki o'zini o'zi to'ldiruvchi geometriya yordamida nazariy jihatdan cheksiz yoki ultra keng o'tkazish qobiliyatiga erisha olsalar ham, rektennaning o'tkazish qobiliyati rektifikator moslashtirish tarmog'i tomonidan to'sib qo'yiladi.
Antenna va rektifikator o'rtasida aks ettirishlarni minimallashtirish va quvvat uzatishni maksimal darajada oshirish orqali bitta diapazonli va ko'p diapazonli yig'ish yoki WPT ga erishish uchun bir nechta rektenna topologiyalari taklif qilingan. 2-rasmda impedans moslashtirish arxitekturasi bo'yicha tasniflangan xabar qilingan rektenna topologiyalarining tuzilmalari ko'rsatilgan. 2-jadvalda har bir kategoriya uchun uchidan uchigacha o'tkazish qobiliyatiga (bu holda, FoM) nisbatan yuqori samarali rektennalarning misollari keltirilgan.
2-rasm. O'tkazish qobiliyati va impedans moslashuvi nuqtai nazaridan rektenna topologiyalari. (a) Standart antennaga ega bitta diapazonli rektenna. (b) Har bir diapazon uchun bitta rektifikator va mos keladigan tarmoqqa ega ko'p diapazonli rektenna (bir nechta o'zaro bog'langan antennalardan tashkil topgan). (c) Har bir diapazon uchun bir nechta RF portlari va alohida mos keladigan tarmoqlarga ega keng polosali rektenna. (d) Keng polosali antenna va keng polosali mos keladigan tarmoqqa ega keng polosali rektenna. (e) To'g'ridan-to'g'ri rektifikatorga mos keladigan elektr jihatdan kichik antennadan foydalanadigan bitta diapazonli rektenna. (f) Rektifikator bilan konjugatsiya qilish uchun murakkab impedansga ega bitta diapazonli, elektr jihatdan katta antenna. (g) Turli chastotalar diapazonida rektifikator bilan konjugatsiya qilish uchun murakkab impedansga ega keng polosali rektenna.
WPT va ajratilgan beslemedan olingan ambient RFEH turli xil rektenna qo'llanmalari bo'lsa-da, antenna, rektifikator va yuk o'rtasida boshdan-oyoq moslashishga erishish o'tkazish qobiliyati nuqtai nazaridan yuqori quvvatni konvertatsiya qilish samaradorligiga (PCE) erishish uchun juda muhimdir. Shunga qaramay, WPT rektennalari ma'lum quvvat darajalarida (a, e va f topologiyalari) bitta diapazonli PCE ni yaxshilash uchun yuqori sifatli omillar moslashuviga (pastroq S11) erishishga ko'proq e'tibor qaratadi. Bir diapazonli WPT ning keng o'tkazish qobiliyati tizimning detuning, ishlab chiqarish nuqsonlari va qadoqlash parazitlariga qarshi immunitetini oshiradi. Boshqa tomondan, RFEH rektennalari ko'p diapazonli ishlashga ustuvor ahamiyat beradi va bd va g topologiyalariga tegishli, chunki bitta diapazonning quvvat spektral zichligi (PSD) odatda pastroq.
3. To'rtburchak antenna dizayni
1. Bir chastotali rektenna
Bir chastotali rektennaning (A topologiyasi) antenna dizayni asosan standart antenna dizayniga, masalan, yer tekisligidagi chiziqli polyarizatsiya (LP) yoki dumaloq polyarizatsiya (CP) nurlantiruvchi yamoq, dipol antenna va teskari F antennasiga asoslangan. Differentsial diapazonli rektenna bir nechta antenna birliklari yoki bir nechta yamoq birliklarining aralash DC va RF kombinatsiyasi bilan konfiguratsiya qilingan DC kombinatsiyalangan massiviga asoslangan.
Taklif etilayotgan antennalarning aksariyati bitta chastotali antennalar bo'lgani va bitta chastotali WPT talablariga javob bergani uchun, atrof-muhitning ko'p chastotali RFEH ni izlashda, bir nechta bitta chastotali antennalar RF olish va konvertatsiya qilish sxemasidan to'liq ajratish uchun o'zaro bog'lanishni bostirish va quvvatni boshqarish sxemasidan keyin mustaqil DC kombinatsiyasi bilan ko'p diapazonli rektennalarga (B topologiyasi) birlashtiriladi. Bu har bir diapazon uchun bir nechta quvvatni boshqarish sxemalarini talab qiladi, bu esa kuchaytiruvchi konvertorning samaradorligini pasaytirishi mumkin, chunki bitta diapazonning DC quvvati past.
2. Ko'p diapazonli va keng polosali RFEH antennalari
Atrof-muhitdagi RFH ko'pincha ko'p diapazonli qabul qilish bilan bog'liq; shuning uchun standart antenna dizaynlarining o'tkazish qobiliyatini yaxshilash uchun turli xil usullar va ikki diapazonli yoki diapazonli antenna massivlarini shakllantirish usullari taklif qilingan. Ushbu bo'limda biz RFH uchun maxsus antenna dizaynlarini, shuningdek, rektenna sifatida foydalanish imkoniyatiga ega klassik ko'p diapazonli antennalarni ko'rib chiqamiz.
Koplanar to'lqin yo'riqchisi (CPW) monopol antennalari bir xil chastotadagi mikrostripli patch antennalariga qaraganda kamroq maydonni egallaydi va LP yoki CP to'lqinlarini hosil qiladi va ko'pincha keng polosali atrof-muhit rektennalari uchun ishlatiladi. Qaytarish tekisliklari izolyatsiyani oshirish va kuchaytirishni yaxshilash uchun ishlatiladi, natijada patch antennalariga o'xshash nurlanish naqshlari hosil bo'ladi. Teshikli koplanar to'lqin yo'riqchisi antennalari 1,8–2,7 gigagertsli yoki 1–3 gigagertsli kabi bir nechta chastota diapazonlari uchun impedans o'tkazish qobiliyatini yaxshilash uchun ishlatiladi. Ulangan oziqlantiruvchi uyali antennalar va patch antennalari ham ko'p diapazonli rektenna dizaynlarida keng qo'llaniladi. 3-rasmda bir nechta o'tkazish qobiliyatini yaxshilash texnikasidan foydalanadigan ba'zi xabar qilingan ko'p diapazonli antennalar ko'rsatilgan.
3-rasm
Antenna-rektifikator impedansini moslashtirish
50Ω antennani chiziqli bo'lmagan rektifikatorga moslashtirish qiyin, chunki uning kirish empedansi chastotaga qarab juda katta farq qiladi. A va B topologiyalarida (2-rasm), umumiy moslashtirish tarmog'i birlashtirilgan elementlardan foydalangan holda LC moslashuvidir; ammo, nisbiy o'tkazish qobiliyati odatda ko'pgina aloqa diapazonlariga qaraganda pastroq. Bir diapazonli stub moslashuvi odatda 6 gigagertsdan past bo'lgan mikroto'lqinli va millimetr to'lqin diapazonlarida qo'llaniladi va xabar qilingan millimetr to'lqinli rektennalar o'ziga xos tor o'tkazish qobiliyatiga ega, chunki ularning PCE o'tkazish qobiliyati chiqish garmonik bostirilishi bilan cheklangan, bu ularni 24 gigagertsli litsenziyasiz diapazonda bitta diapazonli WPT ilovalari uchun ayniqsa mos qiladi.
C va D topologiyalaridagi rektennalar murakkabroq moslashtirish tarmoqlariga ega. Keng polosali moslashtirish uchun to'liq taqsimlangan liniya moslashtirish tarmoqlari taklif qilingan bo'lib, chiqish portida RF blok/DC qisqa tutashuvi (o'tish filtri) yoki diod garmonikalari uchun qaytish yo'li sifatida DC blokirovka kondensatoridan foydalaniladi. Rektifikator komponentlarini tijorat elektron dizayn avtomatlashtirish vositalari yordamida sintez qilingan bosma elektron plata (PCB) raqamli kondensatorlari bilan almashtirish mumkin. Boshqa xabar qilingan keng polosali rektenna moslashtirish tarmoqlari past chastotalarga moslashtirish uchun birlashtirilgan elementlarni va kirishda RF qisqa tutashuvini yaratish uchun taqsimlangan elementlarni birlashtiradi.
Manba orqali yuk tomonidan kuzatiladigan kirish empedansini o'zgartirish (manba-tortish texnikasi deb nomlanadi) 57% nisbiy o'tkazish qobiliyatiga (1,25–2,25 gigagerts) va birlashtirilgan yoki taqsimlangan sxemalarga nisbatan 10% yuqori PCE ga ega keng polosali rektifikatorni loyihalash uchun ishlatilgan. Mos keladigan tarmoqlar odatda antennalarni butun 50Ω o'tkazish qobiliyati bo'yicha moslashtirish uchun mo'ljallangan bo'lsa-da, adabiyotlarda keng polosali antennalar tor polosali rektifikatorlarga ulanganligi haqida xabarlar mavjud.
Gibrid birlashtirilgan elementli va taqsimlangan elementli moslashtiruvchi tarmoqlar C va D topologiyalarida keng qo'llanilgan, ketma-ket induktorlar va kondensatorlar eng ko'p ishlatiladigan birlashtirilgan elementlar hisoblanadi. Ular standart mikrostrip liniyalariga qaraganda aniqroq modellashtirish va ishlab chiqarishni talab qiladigan raqamli kondensatorlar kabi murakkab tuzilmalardan qochadi.
Rektifikatorga kirish quvvati diodning chiziqli bo'lmaganligi sababli kirish impedansiga ta'sir qiladi. Shuning uchun, rektenna ma'lum bir kirish quvvat darajasi va yuk impedansi uchun PCE ni maksimal darajada oshirish uchun mo'ljallangan. Diodlar asosan 3 gigagertsdan past chastotalarda sig'imli yuqori impedans bo'lganligi sababli, mos keladigan tarmoqlarni yo'q qiladigan yoki soddalashtirilgan mos keladigan sxemalarni minimallashtiradigan keng polosali rektennalar Prf>0 dBm va 1 gigagertsdan yuqori chastotalarga qaratilgan, chunki diodlar past sig'imli impedansga ega va antennaga yaxshi mos kelishi mumkin, shu bilan kirish reaktivlari >1000Ω bo'lgan antennalarni loyihalashdan qochadi.
Moslashuvchan yoki qayta konfiguratsiya qilinadigan impedans moslashuvi CMOS rektennalarida kuzatilgan, bu yerda moslashtiruvchi tarmoq chipdagi kondensator banklari va induktorlardan iborat. Statik CMOS moslashtiruvchi tarmoqlari standart 50Ω antennalar uchun, shuningdek, birgalikda ishlab chiqilgan halqa antennalari uchun ham taklif qilingan. Mavjud quvvatga qarab, antennaning chiqishini turli rektifikatorlar va moslashtiruvchi tarmoqlarga yo'naltiruvchi kalitlarni boshqarish uchun passiv CMOS quvvat detektorlari ishlatilishi haqida xabar berilgan. Vektorli tarmoq analizatori yordamida kirish impedansini o'lchash paytida nozik sozlash orqali sozlanadigan, birlashtirilgan sozlanadigan kondensatorlardan foydalangan holda qayta konfiguratsiya qilinadigan moslashtiruvchi tarmoq taklif qilingan. Qayta konfiguratsiya qilinadigan mikrotasma moslashtiruvchi tarmoqlarda maydon effekti tranzistor kalitlari ikki diapazonli xususiyatlarga erishish uchun moslashtiruvchi stublarni sozlash uchun ishlatilgan.
Antennalar haqida ko'proq bilish uchun quyidagi manzilga tashrif buyuring:
Joylashtirilgan vaqt: 2024-yil 9-avgust
