1.Kirish
Radiochastota (RF) energiya yig'ish (RFEH) va radiatsion simsiz quvvat uzatish (WPT) batareyasiz barqaror simsiz tarmoqlarga erishish usullari sifatida katta qiziqish uyg'otdi. Rektennalar WPT va RFEH tizimlarining asosi bo'lib, yukga etkazib beriladigan doimiy tok kuchiga sezilarli ta'sir ko'rsatadi. Rektennaning antenna elementlari to'g'ridan-to'g'ri yig'im samaradorligiga ta'sir qiladi, bu esa yig'ilgan quvvatni bir necha darajaga o'zgartirishi mumkin. Ushbu maqola WPT va atrof-muhit RFEH ilovalarida qo'llaniladigan antenna dizaynlarini ko'rib chiqadi. Xabar qilingan rektenalar ikkita asosiy mezonga ko'ra tasniflanadi: antennani to'g'irlovchi empedans tarmoqli kengligi va antennaning radiatsiyaviy xususiyatlari. Har bir mezon bo'yicha turli ilovalar uchun savob ko'rsatkichi (FoM) aniqlanadi va qiyosiy ko'rib chiqiladi.
WPT Tesla tomonidan 20-asrning boshlarida minglab ot kuchlarini uzatish usuli sifatida taklif qilingan. RF quvvatini yig'ish uchun rektifikatorga ulangan antennani tavsiflovchi rectenna atamasi 1950-yillarda kosmik mikroto'lqinli elektr uzatish dasturlari va avtonom dronlarni quvvatlantirish uchun paydo bo'lgan. Ko'p yo'nalishli, uzoq masofali WPT tarqalish muhitining (havo) fizik xususiyatlari bilan cheklanadi. Shu sababli, tijorat WPT asosan simsiz iste'molchi elektronikasini zaryadlash yoki RFID uchun yaqin maydonda radiatsiyaviy bo'lmagan quvvat uzatish bilan cheklangan.
Yarimo'tkazgichli qurilmalar va simsiz sensor tugunlarining quvvat iste'moli pasayishda davom etar ekan, atrof-muhit RFEH yoki taqsimlangan kam quvvatli ko'p yo'nalishli transmitterlardan foydalangan holda sensor tugunlarini quvvatlantirish yanada maqsadga muvofiq bo'ladi. Ultra past quvvatli simsiz quvvat tizimlari odatda radio chastotasini qabul qiluvchi frontend, doimiy doimiy quvvat va xotira boshqaruvi, shuningdek, kam quvvatli mikroprotsessor va qabul qiluvchi qurilmadan iborat.
1-rasmda RFEH simsiz tugunining arxitekturasi va tez-tez xabar qilingan RF front-end ilovalari ko'rsatilgan. Simsiz quvvat tizimining oxirigacha 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 so'rovlari o'tkazildi. 1-jadvalda quvvatni o'zgartirish bosqichi, quvvatni samarali o'zgartirish uchun asosiy komponentlar va har bir qism uchun tegishli adabiyotlar so'rovlari jamlangan. So'nggi adabiyotlar quvvatni o'zgartirish texnologiyasiga, rektifikator topologiyalariga yoki tarmoqdan xabardor RFEHga qaratilgan.
1-rasm
Biroq, antenna dizayni RFEHda muhim komponent sifatida qaralmaydi. Ba'zi adabiyotlarda antennaning tarmoqli kengligi va samaradorligi umumiy nuqtai nazardan yoki antenna dizaynining o'ziga xos nuqtai nazaridan ko'rib chiqilsa-da, masalan, miniatyuralashtirilgan yoki taqiladigan antennalar, ma'lum antenna parametrlarining quvvatni qabul qilish va konversiya samaradorligiga ta'siri batafsil tahlil qilinmagan.
Ushbu maqola RFEH va WPT antennalarini loyihalashning o'ziga xos muammolarini standart aloqa antennasi dizaynidan farqlash maqsadida rektenalarda antennani loyihalash usullarini ko'rib chiqadi. Antennalar ikki nuqtai nazardan taqqoslanadi: oxirigacha empedans mosligi va radiatsiya xarakteristikalari; har bir holatda, FoM eng zamonaviy (SoA) antennalarida aniqlanadi va ko'rib chiqiladi.
2. Tarmoqli kengligi va mosligi: 50Ō bo'lmagan RF tarmoqlari
50Ō ning xarakterli empedansi mikroto'lqinli muhandislik dasturlarida zaiflashuv va quvvat o'rtasidagi kelishuvni erta ko'rib chiqishdir. Antennalarda impedans tarmoqli kengligi aks ettirilgan quvvat 10% dan kam bo'lgan chastota diapazoni sifatida aniqlanadi (S11< - 10 dB). Kam shovqin kuchaytirgichlari (LNA), quvvat kuchaytirgichlari va detektorlari odatda 50 Ō kirish empedansi bilan yaratilganligi sababli, an'anaviy ravishda 50Ō manbaga murojaat qilinadi.
Rektennada antennaning chiqishi to'g'ridan-to'g'ri rektifikatorga beriladi va diodaning chiziqli bo'lmaganligi kirish empedansining katta o'zgarishiga olib keladi, bunda sig'imli komponent ustunlik qiladi. 50 Ō antennani nazarda tutadigan bo'lsak, asosiy muammo kirish impedansini qiziqish chastotasida rektifikatorning empedansiga aylantirish va ma'lum bir quvvat darajasi uchun optimallashtirish uchun qo'shimcha RF mos keladigan tarmoqni loyihalashdir. Bunday holda, RF ni DC ga samarali o'tkazishni ta'minlash uchun uchdan uchigacha impedans tarmoqli kengligi talab qilinadi. Shu sababli, antennalar davriy elementlar yoki o'z-o'zini to'ldiruvchi geometriyadan foydalangan holda nazariy jihatdan cheksiz yoki ultra keng tarmoqli kengligiga erishishi mumkin bo'lsa-da, rektenaning tarmoqli kengligi rektifikatorga mos keladigan tarmoq bilan bog'liq bo'ladi.
Ko'zgularni minimallashtirish va antenna va rektifikator o'rtasida quvvat uzatishni maksimal darajada oshirish orqali bitta va ko'p tarmoqli yig'ish yoki WPT ga erishish uchun bir nechta rektena topologiyalari taklif qilingan. 2-rasmda empedansga mos keladigan arxitektura bo'yicha tasniflangan rektena topologiyalarining tuzilmalari ko'rsatilgan. 2-jadvalda har bir toifa uchun uchdan-uchgacha tarmoqli kengligi (bu holda, FoM) bo'yicha yuqori samarali rektenalarning misollari ko'rsatilgan.
Shakl 2 Rectenna topologiyalari tarmoqli kengligi va impedans moslashuvi nuqtai nazaridan. (a) Standart antennaga ega bitta diapazonli rektena. (b) ko'p tarmoqli rektena (bir nechta o'zaro bog'langan antennalardan iborat) bitta rektifikator va har bir tarmoqqa mos keladigan tarmoq. (c) Har bir tarmoqli uchun bir nechta RF portlari va alohida mos keladigan tarmoqlari bo'lgan keng polosali rektena. (d) keng polosali antenna va keng polosali mos keladigan tarmoqqa ega keng polosali rektena. (e) to'g'rilash moslamasiga to'g'ridan-to'g'ri mos keladigan elektr kichik antennadan foydalangan holda bitta diapazonli rektena. (f) rektifikator bilan konjugatsiya qilish uchun murakkab empedansga ega bo'lgan bir diapazonli, elektr katta antenna. (g) chastota diapazonida rektifikator bilan konjugatsiya qilish uchun murakkab empedansga ega keng polosali rektena.
Ajratilgan tasmadagi WPT va atrof-muhit RFEH turli xil rectenna ilovalari bo'lsa-da, antenna, rektifikator va yuk o'rtasida uchdan uchiga mos kelishiga erishish tarmoqli kengligi nuqtai nazaridan yuqori quvvat konvertatsiyasi samaradorligiga (PCE) erishish uchun asosiy hisoblanadi. Shunga qaramay, WPT rektenalari ma'lum quvvat darajalarida (a, e va f topologiyalari) bir diapazonli PCE ni yaxshilash uchun yuqori sifat omillariga (pastki S11) erishishga ko'proq e'tibor beradi. Bir diapazonli WPT ning keng tarmoqli kengligi tizimni sozlash, ishlab chiqarish nuqsonlari va qadoqlash parazitlariga qarshi immunitetni yaxshilaydi. Boshqa tomondan, RFEH rektenalari ko'p diapazonli ishlashga ustunlik beradi va bd va g topologiyalariga tegishlidir, chunki bitta diapazonning quvvat spektral zichligi (PSD) odatda pastroqdir.
3. Antennaning to'rtburchaklar dizayni
1. Bir chastotali rektena
Yagona chastotali rektennaning antenna dizayni (topologiya A) asosan standart antenna dizayniga asoslanadi, masalan, chiziqli polarizatsiya (LP) yoki dumaloq polarizatsiya (CP) er tekisligida, dipol antennada va teskari F antennada radiatsiyaviy yamoq. Differensial tarmoqli rektena bir nechta antenna birliklari yoki bir nechta patch birliklarining aralash DC va RF kombinatsiyasi bilan konfiguratsiya qilingan DC birikmasi qatoriga asoslangan.
Taklif etilayotgan antennalarning aksariyati bir chastotali antennalar bo'lgani uchun va bir chastotali WPT talablariga javob beradi, shuning uchun atrof-muhit ko'p chastotali RFEHni qidirganda, bir nechta bitta chastotali antennalar o'zaro bog'lanishni bostirish va ko'p tarmoqli rektenalarga (topologiya B) birlashtiriladi. RF olish va konvertatsiya qilish pallasida ularni to'liq izolyatsiya qilish uchun quvvatni boshqarish sxemasidan keyin mustaqil DC birikmasi. Bu har bir tarmoqli uchun bir nechta quvvat boshqaruv sxemalarini talab qiladi, bu kuchaytiruvchi konvertorning samaradorligini kamaytirishi mumkin, chunki bitta tarmoqli doimiy quvvat past.
2. Ko'p tarmoqli va keng polosali RFEH antennalari
Ekologik RFEH ko'pincha ko'p tarmoqli sotib olish bilan bog'liq; shuning uchun standart antenna konstruktsiyalarining tarmoqli kengligini yaxshilash uchun turli xil texnikalar va ikki tarmoqli yoki tarmoqli antenna massivlarini shakllantirish usullari taklif qilingan. Ushbu bo'limda biz RFEH uchun maxsus antenna dizaynlarini, shuningdek, rektena sifatida foydalanish potentsialiga ega klassik ko'p tarmoqli antennalarni ko'rib chiqamiz.
Coplanar to'lqin qo'llanmasi (CPW) monopol antennalari bir xil chastotada mikrostrip patch antennalariga qaraganda kamroq maydonni egallaydi va LP yoki CP to'lqinlarini ishlab chiqaradi va ko'pincha keng polosali atrof-muhit rektenalari uchun ishlatiladi. Ko'zgu tekisliklari izolyatsiyani oshirish va daromadni yaxshilash uchun ishlatiladi, natijada yamoq antennalariga o'xshash radiatsiya naqshlari paydo bo'ladi. Teshikli koplanar to'lqin uzatuvchi antennalar 1,8-2,7 gigagertsli yoki 1-3 gigagertsli kabi bir nechta chastota diapazonlari uchun impedans tarmoqli kengligini yaxshilash uchun ishlatiladi. Birlashtirilgan uyali antennalar va yamoq antennalari ham ko'p tarmoqli rektenna dizaynlarida qo'llaniladi. 3-rasmda bir nechta tarmoqli kengligi yaxshilash texnikasidan foydalanadigan ko'p tarmoqli antennalar ko'rsatilgan.
3-rasm
Antenna-rektifikator empedans moslashuvi
50Ō antennani chiziqli bo'lmagan rektifikatorga moslashtirish juda qiyin, chunki uning kirish empedansi chastotaga qarab katta farq qiladi. A va B topologiyalarida (2-rasm) umumiy mos keladigan tarmoq birlashtirilgan elementlardan foydalangan holda LC mosligidir; biroq nisbiy tarmoqli kengligi odatda ko'pchilik aloqa diapazonlaridan past bo'ladi. Bir diapazonli stub moslashuvi odatda 6 gigagertsdan past bo'lgan mikroto'lqinli va millimetrli to'lqinli diapazonlarda qo'llaniladi va xabar qilingan millimetrli to'lqinli rektenalar tabiatan tor tarmoqli kengligiga ega, chunki ularning PCE o'tkazish qobiliyati chiqish garmonik bostirilishi bilan bog'liq bo'lib, bu ularni ayniqsa, bitta diapazon uchun mos qiladi. 24 gigagertsli litsenziyasiz diapazondagi WPT ilovalari.
C va D topologiyalaridagi rektenalar murakkabroq mos keladigan tarmoqlarga ega. Keng polosali moslashtirish uchun to'liq taqsimlangan chiziqli mos keladigan tarmoqlar taklif qilingan, chiqish portida RF bloki / shahar qisqa tutashuvi (o'tish filtri) yoki diod harmoniklari uchun qaytish yo'li sifatida DC blokirovka qiluvchi kondansatör. Rektifikator komponentlarini bosilgan elektron plata (PCB) interdigitatsiyalangan kondansatörler bilan almashtirish mumkin, ular tijorat elektron dizayn avtomatlashtirish vositalari yordamida sintezlanadi. Boshqa xabar qilingan keng polosali rektena mos keladigan tarmoqlar quyi chastotalarga moslashish uchun yig'ma elementlarni va kirishda qisqa chastotani yaratish uchun taqsimlangan elementlarni birlashtiradi.
Manba orqali yuk tomonidan kuzatilgan kirish empedansini o'zgartirish (manbani tortib olish texnikasi sifatida tanilgan) nisbiy tarmoqli kengligi 57% (1,25-2,25 GHz) va birlashtirilgan yoki taqsimlangan davrlarga nisbatan 10% yuqori PCE bilan keng polosali rektifikatorni loyihalash uchun ishlatilgan. . Mos tarmoqlar odatda butun 50Ō tarmoqli kengligi bo'ylab antennalarni moslashtirish uchun mo'ljallangan bo'lsa-da, adabiyotda keng polosali antennalar tor polosali rektifikatorlarga ulanganligi haqida xabarlar mavjud.
Gibrid to'plangan elementlar va taqsimlangan elementlar mos keladigan tarmoqlar C va D topologiyalarida keng qo'llanilgan, ketma-ket induktorlar va kondansatörler eng ko'p ishlatiladigan yig'ma elementlardir. Ular standart mikrostripli chiziqlarga qaraganda aniqroq modellashtirish va ishlab chiqarishni talab qiladigan interdigitatsiyalangan kondansatörler kabi murakkab tuzilmalardan qochishadi.
Rektifikatorga kirish quvvati diodaning chiziqli bo'lmaganligi sababli kirish empedansiga ta'sir qiladi. Shuning uchun, rectenna ma'lum bir kirish quvvati darajasi va yuk empedansi uchun PCEni maksimal darajada oshirish uchun mo'ljallangan. Diodlar asosan 3 gigagertsdan past chastotalarda sig'imli yuqori empedansga ega bo'lganligi sababli, mos keladigan tarmoqlarni yo'q qiladigan yoki soddalashtirilgan mos keladigan davrlarni minimallashtiradigan keng polosali rektenalar Prf>0 dBm va 1 GGts dan yuqori chastotalarga qaratilgan, chunki diodlar past sig'imli empedansga ega va yaxshi mos kelishi mumkin. antennaga, shuning uchun kirish bilan antennalar dizaynidan qochadi reaktivlar > 1000Ō.
Moslashuvchan yoki qayta konfiguratsiya qilinadigan impedans moslashuvi CMOS rektenalarida ko'rilgan, bu erda mos keladigan tarmoq chipdagi kondansatör banklari va induktorlardan iborat. Statik CMOS mos keladigan tarmoqlar standart 50 Ō antennalar, shuningdek, birgalikda ishlab chiqilgan halqa antennalari uchun ham taklif qilingan. Ma'lum qilinishicha, passiv CMOS quvvat detektorlari mavjud quvvatga qarab antennaning chiqishini turli rektifikatorlarga va mos keladigan tarmoqlarga yo'naltiruvchi kalitlarni boshqarish uchun ishlatiladi. Vektorli tarmoq analizatori yordamida kirish empedansini o'lchashda nozik sozlash yo'li bilan sozlangan, birlashtirilgan sozlanishi kondansatörlardan foydalangan holda qayta konfiguratsiya qilinadigan mos keladigan tarmoq taklif qilindi. Qayta sozlanishi mumkin bo'lgan mikrostripli mos keladigan tarmoqlarda ikki tarmoqli xususiyatlarga erishish uchun mos keladigan stublarni sozlash uchun dala effektli tranzistorli kalitlar ishlatilgan.
Antennalar haqida ko'proq ma'lumot olish uchun tashrif buyuring:
Yuborilgan vaqt: 2024 yil 09-avgust
