1. Sarrera
Irrati-maiztasuneko (RF) energia biltzeak (RFEH) eta haririk gabeko potentzia-transferentzia erradiatiboak (WPT) interes handia piztu dute bateriarik gabeko haririk gabeko sare iraunkorrak lortzeko metodo gisa. Zuzenenak WPT eta RFEH sistemen oinarrizko elementuak dira eta eragin handia dute kargari ematen zaion korronte zuzeneko potentzian. Zuzenenaren antena-elementuek zuzenean eragiten diote bilketa-eraginkortasunari, eta horrek bildutako potentzia magnitude-ordena batzuetan alda dezake. Artikulu honek WPT eta giro-RFEH aplikazioetan erabiltzen diren antena-diseinuak aztertzen ditu. Jakinarazitako zuzenenak bi irizpide nagusiren arabera sailkatzen dira: antenaren zuzenketa-inpedantziaren banda-zabalera eta antenaren erradiazio-ezaugarriak. Irizpide bakoitzerako, aplikazio desberdinetarako meritu-zifra (FoM) zehazten eta alderatuz berrikusten da.
WPT Teslak proposatu zuen XX. mendearen hasieran milaka zaldi-potentzia transmititzeko metodo gisa. "Rectenna" terminoa, RF potentzia biltzeko zuzentzaile bati konektatutako antena bat deskribatzen duena, 1950eko hamarkadan sortu zen espazioko mikrouhin-potentzia transmisio aplikazioetarako eta drone autonomoak elikatzeko. Norabide guztietako eta distantzia luzeko WPT hedapen-euskarriaren (airearen) propietate fisikoek mugatzen dute. Beraz, WPT komertziala batez ere eremu hurbileko potentzia ez-erradiatibora mugatzen da haririk gabeko kontsumo-elektronikako kargatzeko edo RFIDrako.
Erdieroaleen gailuen eta haririk gabeko sentsore-nodoen energia-kontsumoa gutxitzen jarraitzen duen heinean, bideragarriagoa da sentsore-nodoak giro-RFEH erabiliz edo banatutako potentzia baxuko omnidirekzional transmisoreak erabiliz elikatzea. Ultra-potentzia baxuko haririk gabeko potentzia-sistemek normalean RF eskuratze-aurrealde bat, korronte zuzeneko potentzia eta memoria kudeaketa, eta potentzia baxuko mikroprozesadore eta transzeptore bat dituzte.
1. irudiak RFEH haririk gabeko nodo baten arkitektura eta ohiko RF aurrealdeko inplementazioen berri ematen du. Haririk gabeko energia-sistemaren muturretik muturrerako eraginkortasuna eta haririk gabeko informazio eta energia-transferentzia sare sinkronizatuaren arkitektura osagai bakoitzaren errendimenduaren araberakoa da, hala nola antenen, zuzentzaileen eta energia-kudeaketa zirkuituen araberakoa. Hainbat literatura-azterketa egin dira sistemaren atal desberdinetarako. 1. taulan laburbiltzen dira energia-bihurketa etapa, energia-bihurketa eraginkorrerako osagai nagusiak eta atal bakoitzerako erlazionatutako literatura-azterketak. Azken literaturak energia-bihurketa teknologian, zuzentzaileen topologietan edo sare-jakintsu den RFEHn jartzen du arreta.
1. irudia
Hala ere, antenen diseinua ez da RFEH-n osagai kritikotzat hartzen. Literatura batzuek antenen banda-zabalera eta eraginkortasuna ikuspegi orokor batetik edo antena-diseinu espezifiko baten ikuspegitik aztertzen dituzten arren, hala nola antena miniaturizatuak edo eramangarriak, antena-parametro jakin batzuek potentzia-harremanean eta bihurketa-eraginkortasunean duten eragina ez da zehatz-mehatz aztertzen.
Artikulu honek zuzeneko antenen diseinu teknikak aztertzen ditu, RFEH eta WPT antenen diseinu erronka espezifikoetatik komunikazio antenen diseinu estandarretik bereizteko helburuarekin. Antenak bi ikuspuntutatik alderatzen dira: muturretik muturrerako inpedantzia egokitzea eta erradiazio ezaugarriak; kasu bakoitzean, FoM identifikatu eta berrikusten da puntako (SoA) antenetan.
2. Banda-zabalera eta parekatzea: 50Ω ez diren RF sareak
50Ω-ko inpedantzia karakteristikoa mikrouhin-ingeniaritzako aplikazioetan deuseztatzearen eta potentziaren arteko konpromisoaren lehen kontuan hartu beharrekoa da. Antenetan, inpedantzia-banda-zabalera islatutako potentzia % 10 baino txikiagoa den maiztasun-tarte gisa definitzen da (S11< − 10 dB). Zarata gutxiko anplifikadoreak (LNA), potentzia-anplifikadoreak eta detektagailuak normalean 50Ω-ko sarrera-inpedantzia batekin diseinatzen direnez, 50Ω-ko iturri bat hartzen da erreferentziatzat tradizionalki.
Zuzenketan, antenaren irteera zuzenean zuzentzailera bidaltzen da, eta diodoaren ez-linealtasunak sarrerako inpedantzian aldaketa handia eragiten du, osagai kapazitiboa nagusi delarik. 50Ω-ko antena bat suposatuz, erronka nagusia RF egokitzapen sare gehigarri bat diseinatzea da, sarrerako inpedantzia intereseko maiztasunean zuzentzailearen inpedantziara eraldatzeko eta potentzia maila espezifiko baterako optimizatzeko. Kasu honetan, muturretik muturrerako inpedantzia banda-zabalera behar da RFtik DCrako bihurketa eraginkorra bermatzeko. Beraz, antenek teorian banda-zabalera infinitua edo ultra-zabala lor dezaketen arren elementu periodikoak edo geometria auto-osagarria erabiliz, zuzenketaren banda-zabalera zuzentzailearen egokitzapen sareak oztopatu egingo du.
Hainbat zuzentenna topologia proposatu dira banda bakarreko eta banda anitzeko bilketa edo WPT lortzeko, islapenak minimizatuz eta antenaren eta zuzentzailearen arteko potentzia-transferentzia maximizatuz. 2. irudiak jakinarazitako zuzentenna topologien egiturak erakusten ditu, inpedantzia-egokitzapen arkitekturaren arabera sailkatuta. 2. taulak errendimendu handiko zuzentennen adibideak erakusten ditu kategoria bakoitzerako muturretik muturrerako banda-zabalerari dagokionez (kasu honetan, FoM).
2. irudia Banda-zabaleraren eta inpedantzia-egokitzapenaren ikuspegitik zuzeneko zuzeneko topologiak. (a) Banda bakarreko zuzeneko zuzeneko antena estandarrarekin. (b) Banda anitzeko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzenekoa (elkarri akoplatutako antena anitzez osatua) zuzentzaile batekin eta banda bakoitzeko egokitzapen-sare batekin. (c) Banda zabaleko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko ataka anitzekin eta banda bakoitzerako egokitzapen-sare bereiziekin. (d) Banda zabaleko zuzeneko zuzeneko zuzeneko antena banda zabalarekin eta banda zabaleko egokitzapen-sare batekin. (e) Banda bakarreko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzenekoa, zuzentzailearekin zuzenean egokitutako antena elektriko txikia erabiliz. (f) Banda bakarreko antena elektriko handia, zuzentzailearekin konjugatzeko inpedantzia konplexuarekin. (g) Banda zabaleko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko zuzeneko banda zabaleko antena eta ...
WPT eta giro-RFEH elikadura dedikatutik datorren zuzeneko anplifikazio desberdinak diren arren, antena, zuzentzaile eta kargaren arteko mutur-muturreko egokitzapena lortzea funtsezkoa da banda-zabaleraren ikuspegitik potentzia-bihurketa-eraginkortasun (PCE) handia lortzeko. Hala ere, WPT zuzeneko anplifikazioek kalitate-faktoreen egokitzapen handiagoa lortzean jartzen dute arreta (S11 baxuagoa) banda bakarreko PCE hobetzeko potentzia-maila jakin batzuetan (a, e eta f topologiak). Banda bakarreko WPTren banda-zabalera zabalak sistemaren immunitatea hobetzen du desintonizazioarekiko, fabrikazio-akatsekiko eta ontziratze-parasitoekiko. Bestalde, RFEH zuzeneko anplifikazioek banda anitzeko funtzionamendua lehenesten dute eta bd eta g topologietakoak dira, banda bakarreko potentzia-dentsitate espektrala (PSD) normalean txikiagoa baita.
3. Antena angeluzuzenaren diseinua
1. Maiztasun bakarreko zuzenna
Maiztasun bakarreko zuzeneko antenaren (topologia A) antena-diseinua batez ere antena-diseinu estandarrean oinarritzen da, hala nola, lur-planoan polarizazio linealeko (LP) edo polarizazio zirkularreko (CP) erradiatzaileko adabaki batean, dipolo antena batean eta alderantzizko F antenan. Banda diferentzialaren zuzeneko antena hainbat antena-unitaterekin konfiguratutako DC konbinazio-multzo batean edo hainbat adabaki-unitateren DC eta RF konbinazio mistoan oinarritzen da.
Proposatutako antena asko maiztasun bakarreko antenak direnez eta maiztasun bakarreko WPT-ren eskakizunak betetzen dituztenez, ingurumeneko RFEH multi-maiztasuna bilatzen denean, maiztasun bakarreko hainbat antena konbinatzen dira banda anitzeko zuzenetan (B topologia), elkarrekiko akoplamenduaren ezabapenarekin eta energia kudeatzeko zirkuituaren ondoren DC konbinazio independentearekin, RF eskuratze eta bihurketa zirkuitutik guztiz isolatzeko. Horrek banda bakoitzerako energia kudeatzeko zirkuitu anitz behar ditu, eta horrek bultzada-bihurgailuaren eraginkortasuna murriztu dezake, banda bakarreko DC potentzia baxua baita.
2. Banda anitzeko eta banda zabaleko RFEH antenak
Ingurumen-RFEH askotan banda anitzeko eskurapenarekin lotzen da; beraz, hainbat teknika proposatu dira antena-diseinu estandarren banda-zabalera hobetzeko eta banda bikoitzeko edo bandako antena-multzoak eratzeko metodoak. Atal honetan, RFEHetarako antena-diseinu pertsonalizatuak aztertzen ditugu, baita zuzenen gisa erabiltzeko potentziala duten banda anitzeko antena klasikoak ere.
Uhin-gida koplanarreko (CPW) monopolo antenek maiztasun bereko mikrostrip patch antenek baino azalera gutxiago hartzen dute eta LP edo CP uhinak sortzen dituzte, eta askotan banda zabaleko ingurumen-zuzenetarako erabiltzen dira. Islapen-planoak isolamendua handitzeko eta irabazia hobetzeko erabiltzen dira, eta horrek adabaki antenen antzeko erradiazio-ereduak sortzen ditu. Uhin-gida koplanarreko zirrikituak dituzten antenak inpedantzia-zabalerak hobetzeko erabiltzen dira maiztasun-banda anitzetarako, hala nola 1,8-2,7 GHz edo 1-3 GHz. Akoplatutako zirrikitu-antenak eta adabaki-antenak ere ohikoak dira banda anitzeko zuzenen diseinuetan. 3. irudiak banda anitzeko antena batzuk erakusten ditu, banda-zabalera hobetzeko teknika bat baino gehiago erabiltzen dituztenak.
3. irudia
Antena-zuzentzaile inpedantzia parekatzea
50Ω-ko antena bat zuzentzaile ez-lineal batera egokitzea erronka bat da, sarrerako inpedantzia maiztasunarekin asko aldatzen baita. A eta B topologietan (2. irudia), egokitze-sare ohikoa elementu multzokatuak erabiltzen dituen LC egokitze bat da; hala ere, banda-zabalera erlatiboa komunikazio-banda gehienek baino txikiagoa izan ohi da. Banda bakarreko stub egokitzea normalean 6 GHz-tik beherako mikrouhin eta milimetro-uhin bandetan erabiltzen da, eta jakinarazi diren milimetro-uhin zuzenek banda-zabalera estua dute berez, PCE banda-zabalera irteerako harmonikoen ezabapenak oztopatzen duelako, eta horrek bereziki egokiak bihurtzen ditu 24 GHz-ko lizentziarik gabeko bandako WPT banda bakarreko aplikazioetarako.
C eta D topologietako zuzenenek egokitzapen-sare konplexuagoak dituzte. Banda zabaleko egokitzapenerako lerro-egokitzapen-sare guztiz banatuak proposatu dira, irteera-atakan RF bloke/DC zirkuitulabur bat (pase-iragazkia) edo diodo harmonikoen itzulera-bide gisa DC blokeatzaile bat erabiliz. Zuzentzailearen osagaiak zirkuitu inprimatuko (PCB) kondentsadore tartekatuekin ordezka daitezke, diseinu elektronikoaren automatizazio-tresna komertzialak erabiliz sintetizatzen direnak. Beste banda zabaleko zuzenen egokitzapen-sare batzuek elementu multzokatuak konbinatzen dituzte maiztasun baxuagoetara egokitzeko eta elementu banatuak sarreran RF zirkuitu labur bat sortzeko.
Kargak iturri baten bidez behatutako sarrerako inpedantzia aldatzea (iturri-tiratze teknika bezala ezagutzen dena) erabili da banda zabaleko zuzentzaile bat diseinatzeko, % 57ko banda-zabalera erlatiboarekin (1,25–2,25 GHz) eta % 10 PCE handiagoarekin zirkuitu multzokatu edo banatuekin alderatuta. Egokitzapen-sareak normalean 50Ω-ko banda-zabalera osoan antenak egoteko diseinatuta dauden arren, literaturan badaude txostenak non banda zabaleko antenak banda estua duten zuzentzaileetara konektatu diren.
Elementu multzokatu hibridoak eta elementu banatuak dituzten sare hibridoak asko erabili dira C eta D topologietan, serieko induktoreak eta kondentsadoreak izanik elementu multzokatu erabilienak. Hauek egitura konplexuak saihesten dituzte, hala nola kondentsadore elkartuak, mikrostrip lerro estandarrak baino modelizazio eta fabrikazio zehatzagoa behar baitute.
Errektifikadorearen sarrera-potentziak sarrera-inpedantzian eragina du diodoaren ez-linealtasunagatik. Hori dela eta, zuzentzailea PCE maximizatzeko diseinatuta dago sarrera-potentzia maila eta karga-inpedantzia espezifiko baterako. Diodoak batez ere inpedantzia handiko kapazitiboak direnez 3 GHz-tik beherako maiztasunetan, egokitzapen-sareak ezabatzen edo egokitzapen-zirkuitu sinplifikatuak minimizatzen dituzten banda zabaleko zuzentzaileak Prf>0 dBm eta 1 GHz-tik gorako maiztasunetan zentratu dira, diodoek inpedantzia kapazitibo baxua baitute eta antenari ondo egoki daitezkeelako, horrela 1.000Ω baino gehiagoko sarrera-erreakzioa duten antenen diseinua saihestuz.
Inpedantzia-egokitzapen moldagarri edo birkonfiguragarria ikusi da CMOS zuzenetan, non egokitzapen-sarea txipean dauden kondentsadore-bankuek eta induktoreek osatzen duten. CMOS egokitzapen-sare estatikoak ere proposatu dira 50Ω-ko antena estandarrentzat, baita diseinatutako begizta-antenentzat ere. Jakinarazi da CMOS potentzia-detektagailu pasiboak erabiltzen direla antenaren irteera zuzentzaile eta egokitzapen-sare desberdinetara bideratzen duten etengailuak kontrolatzeko, eskuragarri dagoen potentziaren arabera. Kondentsadore sintonizagarri multzokatuak erabiltzen dituen egokitzapen-sare birkonfiguragarri bat proposatu da, doikuntza finaren bidez sintonizatzen dena sarrerako inpedantzia bektore-sare analizatzaile bat erabiliz neurtzen den bitartean. Mikrostrip egokitzapen-sare birkonfiguragarrietan, eremu-efektuko transistore-etengailuak erabili dira egokitzapen-zatiak doitzeko, banda bikoitzeko ezaugarriak lortzeko.
Antenei buruz gehiago jakiteko, bisitatu:
Argitaratze data: 2024ko abuztuak 9
