1. Introducció
La captació d'energia de radiofreqüència (RF) (RFEH) i la transferència de potència sense fil radiativa (WPT) han despertat un gran interès com a mètodes per aconseguir xarxes sense fil sostenibles sense bateria. Les rectenes són la pedra angular dels sistemes WPT i RFEH i tenen un impacte significatiu en l'energia de CC subministrada a la càrrega. Els elements de l'antena de la rectena afecten directament l'eficiència de captació, que pot variar la potència captada en diversos ordres de magnitud. Aquest article revisa els dissenys d'antenes emprats en aplicacions WPT i RFEH ambiental. Les rectenes reportades 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 mèrit (FoM) per a diferents aplicacions.
La WPT va ser proposada per Tesla a principis del segle XX com un mètode per transmetre milers de cavalls de potència. El terme rectenna, que descriu una antena connectada a un rectificador per captar energia de radiofreqüència, va sorgir a la dècada de 1950 per a aplicacions de transmissió d'energia de microones espacials i per alimentar drons autònoms. La WPT omnidireccional i de llarg abast està restringida per les propietats físiques del medi de propagació (aire). Per tant, la WPT comercial es limita principalment a la transferència d'energia no radiativa de camp proper per a la càrrega d'electrònica de consum sense fil o RFID.
A mesura que el consum d'energia dels dispositius semiconductors i els nodes de sensors sense fil continua disminuint, esdevé més factible alimentar els nodes de sensors mitjançant RFEH ambiental o mitjançant transmissors omnidireccionals distribuïts de baixa potència. Els sistemes d'alimentació sense fil de consum ultrabaix solen constar d'un front-end d'adquisició de RF, alimentació de CC i gestió de memòria, i un microprocessador i un transceptor de baixa potència.
La figura 1 mostra l'arquitectura d'un node sense fil RFEH i les implementacions frontals de RF que es reporten habitualment. L'eficiència de punta a punta del sistema d'alimentació sense fil i l'arquitectura de la xarxa de transferència d'informació i energia sense fil sincronitzada depenen del rendiment dels components individuals, com ara antenes, rectificadors i circuits de gestió d'energia. S'han dut a terme diverses revisions bibliogràfiques per a diferents parts del sistema. La taula 1 resumeix l'etapa de conversió d'energia, els components clau per a una conversió d'energia eficient i les revisions bibliogràfiques relacionades per a cada part. La literatura recent se centra en la tecnologia de conversió d'energia, les topologies de rectificadors o el RFEH amb coneixement de xarxa.
Figura 1
Tanmateix, el disseny de l'antena no es considera un component crític en l'RFEH. Tot i que alguna literatura considera l'amplada de banda i l'eficiència de l'antena des d'una perspectiva general o des d'una perspectiva específica del disseny d'antena, com ara antenes miniaturitzades o portables, l'impacte de certs 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 rectenes amb l'objectiu de distingir els reptes de disseny d'antenes específiques de RFEH i WPT del disseny d'antenes de comunicació estàndard. Les antenes es comparen des de dues perspectives: l'adaptació d'impedància extrem a extrem i les característiques de radiació; en cada cas, s'identifica i es revisa el FoM a les antenes d'última generació (SoA).
2. Amplada de banda i coincidència: xarxes RF que no són de 50 Ω
La impedància característica de 50 Ω és una consideració primerenca del compromís entre atenuació i potència en aplicacions d'enginyeria de microones. En 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 adaptació d'impedància d'entrada de 50 Ω, tradicionalment es fa referència a una font de 50 Ω.
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 50 Ω, el principal repte és dissenyar una xarxa d'adaptació de RF addicional 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 una amplada de banda teòricament infinita o ultraampla utilitzant elements periòdics o geometria autocomplementària, l'amplada de banda de la rectena es veurà afectada per la xarxa d'adaptació del rectificador.
S'han proposat diverses topologies de rectena per aconseguir la recol·lecció o WPT d'una sola banda i multibanda 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 rectena reportades, classificades per la seva arquitectura d'adaptació d'impedància. La taula 2 mostra exemples de rectenes d'alt rendiment respecte a l'amplada de banda d'extrem a extrem (en aquest cas, FoM) per a cada categoria.
Figura 2 Topologies de rectena des de la perspectiva de l'ample de banda i l'adaptació d'impedància. (a) Rectena monobanda amb antena estàndard. (b) Rectena multibanda (composta per múltiples antenes acoblades mútuament) amb un rectificador i xarxa d'adaptació per banda. (c) Rectena de banda ampla amb múltiples ports RF i xarxes d'adaptació separades per a cada banda. (d) Rectena de banda ampla amb antena de banda ampla i xarxa d'adaptació de banda ampla. (e) Rectena monobanda amb una antena elèctricament petita directament adaptada al rectificador. (f) Antena monobanda elèctricament gran amb impedància complexa per conjugar-se amb el rectificador. (g) Rectena de banda ampla amb impedància complexa per conjugar-se amb el rectificador en un rang de freqüències.
Tot i que la WPT i la RFEH ambiental d'una alimentació dedicada són aplicacions de rectena diferents, aconseguir la coincidència d'extrem a extrem entre l'antena, el rectificador i la càrrega és fonamental per aconseguir una alta eficiència de conversió de potència (PCE) des d'una perspectiva d'amplada de banda. No obstant això, les rectenes WPT se centren més en aconseguir una coincidència de factors de més qualitat (S11 més baixa) per millorar la PCE de banda única a certs nivells de potència (topologies a, e i f). L'ampli ample de banda de la WPT de banda única millora la immunitat del sistema a la desafinació, els defectes de fabricació i els paràsits d'empaquetament. D'altra banda, les rectenes 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 de freqüència única
El disseny d'antena de rectena de freqüència única (topologia A) es basa principalment en el disseny d'antena estàndard, com ara la polarització lineal (LP) o la polarització circular (CP) que radia un pegat al pla de terra, l'antena dipol i l'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.
Com que moltes de les antenes proposades són antenes de freqüència única i compleixen els requisits de la WPT de freqüència única, quan es busca RFEH multifreqüència ambiental, es combinen múltiples antenes de freqüència única en rectenes multibanda (topologia B) amb supressió d'acoblament mutu i combinació de CC independent després del circuit de gestió d'energia per aïllar-les 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 elevador perquè la potència de CC d'una sola banda és baixa.
2. Antenes RFEH multibanda i de banda ampla
L'RFEH ambiental sovint s'associa 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 doble banda o de banda. En aquesta secció, revisem els dissenys d'antenes personalitzats per a RFEH, així com les antenes multibanda clàssiques amb el potencial de ser utilitzades com a rectenes.
Les antenes monopolars de guia d'ones coplanars (CPW) ocupen menys àrea que les antenes de microstrip a la mateixa freqüència i produeixen ones LP o CP, i sovint s'utilitzen per a rectenes 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 els amples de banda d'impedància per a múltiples bandes de freqüència, com ara 1,8–2,7 GHz o 1–3 GHz. Les antenes de ranura alimentades acoblades i les antenes de pegat també s'utilitzen habitualment en dissenys de rectenes multibanda. La figura 3 mostra algunes antenes multibanda reportades que utilitzen més d'una tècnica de millora de l'amplada de banda.
Figura 3
Adaptació d'impedància antena-rectificador
L'adaptació d'una antena de 50 Ω a un rectificador no lineal és un repte perquè la seva impedància d'entrada varia molt amb la freqüència. En les topologies A i B (Figura 2), la xarxa d'adaptació comuna és una adaptació LC que utilitza elements agrupats; tanmateix, l'amplada de banda relativa sol ser inferior a la de la majoria de bandes de comunicació. L'adaptació de stubs d'una sola banda s'utilitza habitualment en bandes de microones i ones mil·limètriques per sota dels 6 GHz, i les rectenes d'ones mil·limètriques reportades tenen una amplada de banda inherentment estreta perquè la seva amplada de banda PCE està limitada per la supressió d'harmònics de sortida, cosa que les fa especialment adequades per a aplicacions WPT d'una sola banda a la banda sense llicència de 24 GHz.
Les rectenes en les topologies C i D tenen xarxes d'adaptació més complexes. S'han proposat xarxes d'adaptació de línia completament distribuïdes per a l'adaptació de banda ampla, amb un bloc de RF/curtcircuit de CC (filtre de pas) al port de sortida o un condensador de bloqueig de CC com a camí de retorn per als harmònics de díodes. Els components del rectificador es poden substituir per condensadors interdigitats de placa de circuit imprès (PCB), que es sintetitzen mitjançant eines comercials d'automatització del disseny electrònic. Altres xarxes d'adaptació de rectenes de banda ampla reportades combinen elements agrupats per a l'adaptació a freqüències més baixes i elements distribuïts per crear un curtcircuit 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 de font-extracció) 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 PCE un 10% més alt en comparació amb els circuits agrupats o distribuïts. Tot i que les xarxes d'adaptació normalment es dissenyen per adaptar antenes a tot l'amplada de banda de 50 Ω, hi ha informes a la literatura on s'han connectat antenes de banda ampla a rectificadors de banda estreta.
Les xarxes d'adaptació híbrides d'elements agrupats i d'elements distribuïts s'han utilitzat àmpliament en les topologies C i D, i els inductors en sèrie i els condensadors són els elements agrupats més utilitzats. Això evita estructures complexes com els condensadors interdigitats, que requereixen un modelatge i una 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 rectena 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 capacitius d'alta impedància a freqüències inferiors a 3 GHz, les rectenes de banda ampla que eliminen les xarxes d'adaptació o minimitzen els circuits d'adaptació simplificats s'han centrat en freqüències Prf>0 dBm i superiors a 1 GHz, ja que els díodes tenen una baixa impedància capacitiva i es poden adaptar bé a l'antena, evitant així el disseny d'antenes amb reactàncies d'entrada >1.000 Ω.
L'adaptació d'impedància adaptativa o reconfigurable s'ha observat en rectenes CMOS, on la xarxa d'adaptació consisteix en bancs de condensadors i inductors integrats en un xip. També s'han proposat xarxes d'adaptació CMOS estàtiques per a antenes estàndard de 50 Ω, així com antenes de bucle dissenyades conjuntament. 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 d'adaptació en funció de la potència disponible. S'ha proposat una xarxa d'adaptació reconfigurable utilitzant condensadors sintonitzables agrupats, que s'afina mitjançant un ajust fi mentre es mesura la impedància d'entrada mitjançant un analitzador de xarxes vectorials. En xarxes d'adaptació de microstrip reconfigurables, s'han utilitzat interruptors de transistors d'efecte de camp per ajustar els stubs d'adaptació per aconseguir característiques de doble banda.
Per a més informació sobre les antenes, visiteu:
Data de publicació: 09-08-2024
