1.Introducció
La recollida d'energia de radiofreqüència (RF) (RFEH) i la transferència d'energia sense fil radiativa (WPT) han despertat un gran interès com a mètodes per aconseguir xarxes sense fils sostenibles sense bateries. Les rectennes són la pedra angular dels sistemes WPT i RFEH i tenen un impacte significatiu en la potència de CC subministrada a la càrrega. Els elements de l'antena de la rectenna afecten directament l'eficiència de la recol·lecció, que pot variar la potència recollida en diversos ordres de magnitud. Aquest article repassa els dissenys d'antena emprats en aplicacions WPT i RFEH ambient. Les rectennes informades es classifiquen segons dos criteris principals: l'amplada de banda de la impedància rectificadora de l'antena i les característiques de radiació de l'antena. Per a cada criteri, es determina i es revisa comparativament la xifra de mèrits (FoM) de les diferents sol·licituds.
El WPT va ser proposat per Tesla a principis del segle XX com un mètode per transmetre milers de cavalls de força. El terme rectenna, que descriu una antena connectada a un rectificador per obtenir potència de RF, va sorgir a la dècada de 1950 per a aplicacions de transmissió de potència de microones espacials i per alimentar drons autònoms. El WPT omnidireccional i de llarg abast està limitat per les propietats físiques del medi de propagació (aire). Per tant, el WPT comercial es limita principalment a la transferència d'energia no radiativa de camp proper per a la càrrega sense fil d'electrònica de consum o RFID.
A mesura que el consum d'energia dels dispositius semiconductors i dels nodes de sensor sense fils continua disminuint, es fa més factible alimentar els nodes del sensor amb RFEH ambiental o amb transmissors omnidireccionals distribuïts de baixa potència. Els sistemes d'alimentació sense fil d'ultra baixa potència solen consistir en una part frontal d'adquisició de RF, gestió d'alimentació i memòria de CC i un microprocessador i transceptor de baixa potència.
La figura 1 mostra l'arquitectura d'un node sense fil RFEH i les implementacions de front-end de RF habitualment informades. L'eficiència d'extrem a extrem del sistema d'alimentació sense fil i l'arquitectura de la informació sense fil sincronitzada i la xarxa de transferència d'energia depèn del rendiment dels components individuals, com ara antenes, rectificadors i circuits de gestió d'energia. S'han realitzat diverses enquestes bibliogràfiques per a diferents parts del sistema. La taula 1 resumeix l'etapa de conversió d'energia, els components clau per a una conversió eficient d'energia i les enquestes bibliogràfiques relacionades per a cada part. La literatura recent se centra en la tecnologia de conversió de potència, topologies de rectificadors o RFEH conscient de la xarxa.
Figura 1
Tanmateix, el disseny de l'antena no es considera un component crític en RFEH. Tot i que certa literatura considera l'amplada de banda i l'eficiència de l'antena des d'una perspectiva global o des d'una perspectiva específica del disseny de l'antena, com ara les antenes miniaturitzades o portàtils, l'impacte de determinats paràmetres de l'antena en la recepció de potència i l'eficiència de conversió no s'analitza en detall.
Aquest article revisa les tècniques de disseny d'antenes en rectennes amb l'objectiu de distingir els reptes de disseny d'antenes específics de RFEH i WPT del disseny estàndard de l'antena de comunicació. Les antenes es comparen des de dues perspectives: la concordança d'impedància d'extrem a extrem i les característiques de la radiació; en cada cas, el FoM s'identifica i revisa a les antenes d'última generació (SoA).
2. Ample de banda i concordança: xarxes de RF sense 50Ω
La impedància característica de 50Ω és una consideració primerenca del compromís entre atenuació i potència en aplicacions d'enginyeria de microones. A les antenes, l'amplada de banda d'impedància es defineix com el rang de freqüències on la potència reflectida és inferior al 10% (S11< - 10 dB). Com que els amplificadors de baix soroll (LNA), els amplificadors de potència i els detectors normalment es dissenyen amb una coincidència d'impedància d'entrada de 50Ω, tradicionalment es fa referència a una font de 50Ω.
En una rectena, la sortida de l'antena s'alimenta directament al rectificador, i la no linealitat del díode provoca una gran variació en la impedància d'entrada, amb el component capacitiu dominant. Suposant una antena de 50Ω, el principal repte és dissenyar una xarxa addicional d'adaptació de RF per transformar la impedància d'entrada a la impedància del rectificador a la freqüència d'interès i optimitzar-la per a un nivell de potència específic. En aquest cas, es requereix una amplada de banda d'impedància d'extrem a extrem per garantir una conversió eficient de RF a CC. Per tant, tot i que les antenes poden aconseguir teòricament una amplada de banda infinita o ultraample mitjançant elements periòdics o geometria autocomplementària, l'ample de banda de la rectena es veurà afectat per la xarxa de concordança del rectificador.
S'han proposat diverses topologies de rectenna per aconseguir una recollida de banda única i multibanda o WPT minimitzant les reflexions i maximitzant la transferència de potència entre l'antena i el rectificador. La figura 2 mostra les estructures de les topologies de rectenna informades, categoritzades per la seva arquitectura de concordança d'impedància. La taula 2 mostra exemples de rectennes d'alt rendiment pel que fa a l'amplada de banda d'extrem a extrem (en aquest cas, FoM) per a cada categoria.
Figura 2 Topologies de Rectenna des de la perspectiva de l'ample de banda i la coincidència d'impedància. (a) Rectenna d'una sola banda amb antena estàndard. (b) Rectenna multibanda (composta per múltiples antenes acoblades mútuament) amb un rectificador i una xarxa coincident per banda. (c) Rectenna de banda ampla amb múltiples ports de RF i xarxes coincidents separades per a cada banda. (d) Rectenna de banda ampla amb antena de banda ampla i xarxa de concordança de banda ampla. (e) Rectena d'una sola banda que utilitza una antena elèctricament petita directament adaptada al rectificador. (f) Antena elèctricament gran de banda única amb impedància complexa per conjugar amb el rectificador. (g) Rectenna de banda ampla amb impedància complexa per conjugar amb el rectificador en un rang de freqüències.
Tot i que WPT i RFEH ambiental de l'alimentació dedicada són aplicacions de rectenna diferents, aconseguir una concordança d'extrem a extrem entre antena, rectificador i càrrega és fonamental per aconseguir una alta eficiència de conversió de potència (PCE) des d'una perspectiva d'ample de banda. No obstant això, les rectennes WPT se centren més en aconseguir una concordança de factors de major qualitat (S11 inferior) per millorar el PCE d'una sola banda a determinats nivells de potència (topologies a, e i f). L'ample ample de banda del WPT d'una sola banda millora la immunitat del sistema a la desintonització, els defectes de fabricació i els paràsits d'embalatge. D'altra banda, les rectennes RFEH prioritzen el funcionament multibanda i pertanyen a les topologies bd i g, ja que la densitat espectral de potència (PSD) d'una sola banda és generalment més baixa.
3. Disseny d'antena rectangular
1. Rectenna monofreqüència
El disseny de l'antena de la rectena d'una sola freqüència (topologia A) es basa principalment en un disseny d'antena estàndard, com ara un pegat radiant de polarització lineal (LP) o polarització circular (CP) al pla de terra, antena dipol i antena F invertida. La rectena de banda diferencial es basa en una matriu combinada de CC configurada amb múltiples unitats d'antena o una combinació mixta de CC i RF de múltiples unitats de pegat.
Atès que moltes de les antenes proposades són antenes d'una sola freqüència i compleixen els requisits de WPT d'una sola freqüència, quan es busquen RFEH multifreqüència ambiental, múltiples antenes d'una sola freqüència es combinen en rectennes multibanda (topologia B) amb supressió d'acoblament mútua i combinació de CC independent després del circuit de gestió d'energia per aïllar-los completament del circuit d'adquisició i conversió de RF. Això requereix múltiples circuits de gestió d'energia per a cada banda, cosa que pot reduir l'eficiència del convertidor d'impuls perquè la potència de CC d'una sola banda és baixa.
2. Antenes RFEH multibanda i banda ampla
L'RFEH ambiental s'associa sovint amb l'adquisició multibanda; per tant, s'han proposat diverses tècniques per millorar l'ample de banda dels dissenys d'antenes estàndard i mètodes per formar matrius d'antenes de banda dual o de banda. En aquesta secció, revisem els dissenys d'antenes personalitzats per a RFEH, així com les antenes clàssiques multibanda amb potencial per utilitzar-se com a rectennes.
Les antenes monopolis de guia d'ona coplanar (CPW) ocupen menys àrea que les antenes de pegat microstrip a la mateixa freqüència i produeixen ones LP o CP, i sovint s'utilitzen per a rectennes ambientals de banda ampla. Els plans de reflexió s'utilitzen per augmentar l'aïllament i millorar el guany, donant lloc a patrons de radiació similars a les antenes de pegat. Les antenes de guia d'ones coplanars ranurades s'utilitzen per millorar l'amplada de banda d'impedància per a diverses bandes de freqüència, com ara 1,8–2,7 GHz o 1–3 GHz. Les antenes de ranura d'alimentació acoblada i les antenes de pegat també s'utilitzen habitualment en dissenys de rectena multibanda. La figura 3 mostra algunes antenes multibanda informades que utilitzen més d'una tècnica de millora de l'ample de banda.
Figura 3
Coincidència d'impedància antena-rectificador
Coincidir una antena de 50Ω amb un rectificador no lineal és un repte perquè la seva impedància d'entrada varia molt amb la freqüència. A les topologies A i B (figura 2), la xarxa de concordança comuna és una concordança LC que utilitza elements agrupats; tanmateix, l'ample de banda relatiu sol ser més baix que la majoria de bandes de comunicació. La concordança de talons d'una sola banda s'utilitza habitualment en bandes de microones i ones mil·limètriques per sota dels 6 GHz, i les rectennes d'ones mil·límetres informades tenen una amplada de banda inherentment estreta perquè l'amplada de banda PCE està limitada per la supressió d'harmònics de sortida, cosa que les fa especialment adequades per a una sola banda. aplicacions WPT de banda a la banda sense llicència de 24 GHz.
Les rectennes de les topologies C i D tenen xarxes de concordança més complexes. S'han proposat xarxes de concordança de línia totalment distribuïdes per a la concordança de banda ampla, amb un curtcircuit de bloc RF/CC (filtre de pas) al port de sortida o un condensador de bloqueig de CC com a camí de retorn per als harmònics del díode. Els components del rectificador es poden substituir per condensadors interdigitats de placa de circuit imprès (PCB), que es sintetitzen mitjançant eines d'automatització de disseny electrònic comercial. Altres xarxes de concordança de rectenna de banda ampla reportades combinen elements agrupats per fer coincidir amb freqüències més baixes i elements distribuïts per crear un curt de RF a l'entrada.
La variació de la impedància d'entrada observada per la càrrega a través d'una font (coneguda com a tècnica d'extracció de la font) s'ha utilitzat per dissenyar un rectificador de banda ampla amb un 57% d'amplada de banda relativa (1,25–2,25 GHz) i un 10% més de PCE en comparació amb els circuits agrupats o distribuïts. . Tot i que les xarxes coincidents solen estar dissenyades per fer coincidir les antenes de tot l'amplada de banda de 50Ω, hi ha informes a la literatura on s'han connectat antenes de banda ampla a rectificadors de banda estreta.
Les xarxes de concordança d'elements concentrats híbrids i d'elements distribuïts s'han utilitzat àmpliament en les topologies C i D, sent els inductors i condensadors en sèrie els elements agrupats més utilitzats. Aquests eviten estructures complexes com els condensadors interdigitats, que requereixen un modelatge i fabricació més precisos que les línies de microstrip estàndard.
La potència d'entrada al rectificador afecta la impedància d'entrada a causa de la no linealitat del díode. Per tant, la rectenna està dissenyada per maximitzar el PCE per a un nivell de potència d'entrada i una impedància de càrrega específics. Com que els díodes són principalment d'alta impedància capacitiva a freqüències inferiors a 3 GHz, les rectennes de banda ampla que eliminen les xarxes de concordança o minimitzen els circuits de concordança simplificats s'han centrat en freqüències Prf>0 dBm i superiors a 1 GHz, ja que els díodes tenen una impedància capacitiva baixa i es poden adaptar bé. a l'antena, evitant així el disseny d'antenes amb reactàncies d'entrada >1.000Ω.
S'ha vist una concordança d'impedància adaptativa o reconfigurable a les rectennes CMOS, on la xarxa d'adaptació consisteix en bancs de condensadors i inductors en xip. També s'han proposat xarxes de concordança CMOS estàtiques per a antenes estàndard de 50Ω, així com per a antenes de bucle co-dissenyades. S'ha informat que els detectors de potència CMOS passius s'utilitzen per controlar interruptors que dirigeixen la sortida de l'antena a diferents rectificadors i xarxes coincidents en funció de la potència disponible. S'ha proposat una xarxa de concordança reconfigurable que utilitza condensadors sintonitzables agrupats, que s'afina mitjançant l'afinació mentre es mesura la impedància d'entrada mitjançant un analitzador de xarxa vectorial. A les xarxes de concordança de microstrip reconfigurables, s'han utilitzat interruptors de transistors d'efecte de camp per ajustar els talls coincidents per aconseguir característiques de banda dual.
Per obtenir més informació sobre les antenes, visiteu:
Hora de publicació: 09-agost-2024
