1.Sarrera
Irrati-frekuentzia (RF) energia biltzeak (RFEH) eta haririk gabeko potentzia transferentzia erradiatiboak (WPT) interes handia erakarri dute bateriarik gabeko haririk gabeko sare iraunkorrak lortzeko metodo gisa. Rectennas WPT eta RFEH sistemen oinarria dira eta eragin handia dute kargari emandako DC potentzian. Rectennaren antena-elementuek zuzenean eragiten dute uzta-efizientzian, eta horrek bildutako potentzia hainbat magnitude ordenatan alda dezake. Artikulu honek WPT eta ingurune RFEH aplikazioetan erabiltzen diren antenen diseinuak berrikusten ditu. Jakinarazitako zuzenketak bi irizpide nagusiren arabera sailkatzen dira: inpedantzia-zabalera zuzentzailea den antena eta antenaren erradiazio-ezaugarriak. Irizpide bakoitzerako, eskabide ezberdinetarako merituaren figura (FoM) zehazten da eta konparazioz berrikusten da.
WPT Teslak 20. mendearen hasieran proposatu zuen milaka zaldi potentzia transmititzeko metodo gisa. Rectenna terminoa, RF potentzia biltzeko zuzengailu bati konektatutako antena deskribatzen duena, 1950eko hamarkadan sortu zen espazioko mikrouhinen energia transmititzeko aplikazioetarako eta drone autonomoak elikatzeko. Norabide orotariko eta irismen luzeko WPT hedapen-medioaren (airea) propietate fisikoek mugatuta dago. Hori dela eta, WPT komertziala batez ere eremu hurbileko potentzia ez-erradiatiboaren transferentziara mugatzen da haririk gabeko kontsumo-elektronika kargatzeko edo RFIDrako.
Gailu erdieroaleen eta haririk gabeko sentsore-nodoen energia-kontsumoa murrizten doan heinean, bideragarriagoa da sentsore-nodoak elikatzea inguruneko RFEH erabiliz edo potentzia baxuko transmisore omnidirectional banatuak erabiliz. Potentzia oso baxuko haririk gabeko potentzia-sistemek, normalean, RF eskuratze frontend bat, DC potentzia eta memoria kudeaketa eta potentzia baxuko mikroprozesadore eta transceptor batez osatuta daude.
1. irudiak RFEH haririk gabeko nodo baten arkitektura eta ohiko RF frontend inplementazioak erakusten ditu. Haririk gabeko potentzia-sistemaren muturreko eraginkortasuna eta haririk gabeko informazio sinkronizatuaren eta potentzia transferitzeko sarearen arkitektura osagai indibidualen errendimenduaren araberakoa da, hala nola antenen, zuzengailuen eta energia kudeatzeko zirkuituen arabera. Hainbat literatura inkesta egin dira sistemaren atal ezberdinetarako. 1. taulak potentzia bihurtzeko etapa, potentzia eraginkorra bihurtzeko osagai nagusiak eta zati bakoitzari lotutako literatura-inkestak laburbiltzen ditu. Azken literaturak potentzia bihurtzeko teknologian, zuzentzaileen topologian edo sarean ezagutzen den RFEHn zentratzen da.
1. irudia
Hala ere, antenen diseinua ez da osagai kritikotzat hartzen RFEHn. Literatura batzuek antenen banda-zabalera eta eraginkortasuna ikuspegi orokor batetik edo anten diseinuaren ikuspegi zehatz batetik hartzen dituzten arren, adibidez, antena miniaturizatuak edo eramangarriak, zenbait parametrok potentziaren harreran eta bihurtze-eraginkortasunean duten eragina ez da zehatz-mehatz aztertzen.
Artikulu honek antenen diseinu-teknikak berrikusten ditu antenen diseinu-teknikak RFEH eta WPT-ren diseinuaren erronkak komunikazio-antenen diseinu estandarretik bereizteko helburuarekin. Antenak bi ikuspuntutik konparatzen dira: amaierako inpedantzia-egoerak 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 ezaugarria mikrouhinen ingeniaritza aplikazioetan atenuazioaren eta potentziaren arteko konpromisoaren hasierako gogoeta da. Antenetan, inpedantzia-banda zabalera islatutako potentzia % 10 baino txikiagoa den maiztasun-tarte gisa definitzen da (S11< - 10 dB). Zarata baxuko anplifikadoreak (LNA), potentzia-anplifikadoreak eta detektagailuak normalean 50Ω-eko sarrerako inpedantzia bat etortzearekin diseinatzen direnez, 50Ω-ko iturri bat aipatzen da.
Rectenna batean, antenaren irteera zuzenean zuzengailura elikatzen da, eta diodoaren ez-linealtasunak sarrerako inpedantzian aldakuntza handia eragiten du, osagai kapazitiboa nagusi izanik. 50Ω-ko antena suposatuz, erronka nagusia RF bat datorren sare gehigarri bat diseinatzea da sarrerako inpedantzia zuzentzailearen inpedantzian interes-frekuentzian eraldatzeko eta potentzia-maila zehatz baterako optimizatzeko. Kasu honetan, muturreko inpedantzia banda-zabalera behar da RF-ra DC bihurtze eraginkorra bermatzeko. Hori dela eta, antenek teorikoki banda-zabalera mugagabea edo ultra-zabala lor dezaketen arren elementu periodikoak edo geometria auto-osagarria erabiliz, zuzengailuaren pareko sareak botila-lepoa izango du zuzengailuaren banda-zabalera.
Hainbat rectenna topologia proposatu dira banda bakarreko eta banda anitzeko bilketa edo WPT lortzeko, islak minimizatuz eta antena eta zuzentzailearen arteko potentzia transferentzia maximizatuz. 2. irudiak jakinarazitako rectenna topologien egiturak erakusten ditu, inpedantzia bat etortzeko arkitekturaren arabera sailkatuta. 2. taulan errendimendu altuko rectennen adibideak erakusten dira muturreko banda-zabalerari dagokionez (kasu honetan, FoM) kategoria bakoitzeko.
2. Irudia Rectenna topologiak banda-zabaleraren eta inpedantziaren parekatzearen ikuspegitik. (a) Banda bakarreko rectenna antena estandarra duena. (b) Banda anitzeko antena (elkarrekin akoplatutako hainbat antenaz osatua) zuzentzaile batekin eta banda bakoitzeko sare bat datorrena. (c) Banda zabaleko errektenna RF ataka anitzekin eta bat datozen sare bereiziak banda bakoitzerako. (d) Banda zabaleko zuzenekoa, banda zabaleko antena eta banda zabaleko sarea parekatzeko. (e) Banda bakarreko zuzenketa zuzengailuarekin zuzenean bat datorren antena elektriko txikia erabiliz. (f) Banda bakarreko antena elektriko handikoa, inpedantzia konplexua duena, zuzengailuarekin konjugatzeko. (g) Inpedantzia konplexua duen banda zabaleko zuzenekoa, maiztasun-sorta batean zuzengailuarekin konjokatzeko.
Jario dedikatuaren WPT eta inguruneko RFEH zuzeneko aplikazio desberdinak diren arren, antena, zuzengailu eta kargaren arteko muturreko bat etortzea oinarrizkoa da potentzia bihurtzeko eraginkortasun handia (PCE) lortzeko banda zabaleraren ikuspegitik. Hala eta guztiz ere, WPT rectens-ek kalitate handiagoko faktoreen parekatzea lortzen dute (S11 baxuagoa) potentzia-maila jakin batzuetan banda bakarreko PCE hobetzeko (a, e eta f topologiak). Banda bakarreko WPT-ren banda-zabalera zabalak sistemaren immunitatea hobetzen du desintonizazio, fabrikazio akats eta ontziratze parasitoekiko. Bestalde, RFEH errektensek banda anitzeko funtzionamendua lehenesten dute eta bd eta g topologiei dagozkie, banda bakar baten potentzia-dentsitate espektrala (PSD) oro har txikiagoa baita.
3. Antena laukizuzenaren diseinua
1. Maiztasun bakarreko errektenna
Frekuentzia bakarreko rectenna (A topologia) antena diseinua antena diseinu estandarrean oinarritzen da batez ere, hala nola polarizazio lineala (LP) edo polarizazio zirkularra (CP) lurreko planoan, dipolo antena eta alderantzizko F antena erradiatutako adabakia. Banda diferentziala antena-unitate anitzekin konfiguratutako DC konbinazio-matrizean edo adabaki-unitate anitzen DC eta RF konbinazio mistoan oinarritzen da.
Proposatutako antena asko maiztasun bakarreko antena direnez eta maiztasun bakarreko WPT-ren eskakizunak betetzen dituztenez, ingurumen-maiztasun anitzeko RFEH bilatzean, maiztasun bakarreko antena anitz banda anitzeko errektensetan konbinatzen dira (B topologia), elkarrekiko akoplamenduaren kenketarekin eta DC konbinazio independentea potentzia kudeatzeko zirkuituaren ondoren RF eskuratze eta bihurtze zirkuitutik guztiz isolatzeko. Horrek banda bakoitzerako potentzia kudeatzeko hainbat zirkuitu behar ditu, eta horrek bultzada bihurgailuaren eraginkortasuna murriztu dezake banda bakar baten DC potentzia txikia delako.
2. Banda anitzeko eta banda zabaleko RFEH antenak
Ingurugiroaren RFEH banda anitzeko eskurapenarekin lotu ohi da; horregatik, hainbat teknika proposatu dira antenen diseinu estandarren banda-zabalera hobetzeko eta banda bikoitzeko edo bandako antena-matrizeak osatzeko metodoak. Atal honetan, RFEHentzako antena pertsonalizatuen diseinuak berrikusten ditugu, baita banda anitzeko antena klasikoak ere, rectenna gisa erabiltzeko aukera dutenak.
Uhin-gida koplanarrak (CPW) antenen monopoloek frekuentzia berean mikrostrip adabaki-antenenek baino eremu gutxiago hartzen dute eta LP edo CP uhinak sortzen dituzte, eta banda zabaleko ingurumen-zuzenketetarako erabili ohi dira. Erreflexio-planoak isolamendua areagotzeko eta irabazia hobetzeko erabiltzen dira, eta ondorioz, adabaki-antenen antzeko erradiazio-ereduak sortzen dira. Uhin-gida koplanarreko zirrikituak erabiltzen dira maiztasun-banda anitzeko inpedantzia-banda-zabalerak hobetzeko, hala nola 1,8-2,7 GHz edo 1-3 GHz. Akoplatutako zirrikitu-antenak eta adabaki-antenak ere erabili ohi dira banda anitzeko rectenna diseinuetan. 3. irudiak banda-zabalera hobetzeko teknika bat baino gehiago erabiltzen duten banda anitzeko antena batzuk erakusten ditu.
3. irudia
Antena-zuzengailuaren inpedantzia parekatzea
50Ω-ko antena zuzengailu ez-lineal batekin lotzea zaila da, bere sarrerako inpedantzia maiztasunarekin asko aldatzen baita. A eta B topologietan (2. irudia), parekatze-sare arrunta LC parekatzea da, elementu lumped erabiliz; hala ere, banda-zabalera erlatiboa komunikazio-banda gehienak baino txikiagoa izan ohi da. Banda bakarreko zirriborroen parekatzea normalean erabiltzen da 6 GHz-tik beherako mikrouhin eta milimetro-uhin bandetan, eta jakinarazitako uhin milimetrikoko zuzenek banda-zabalera berez estua dute, beren PCE banda-zabalera irteera harmonikoen ezabapenaren ondorioz estututa dagoelako, eta horrek bereziki egokiak egiten ditu bakarreko uhinetarako. bandako WPT aplikazioak 24 GHz-ko lizentziarik gabeko bandan.
C eta D topologietako rectennek parekatze-sare konplexuagoak dituzte. Erabat banatutako linea bat etortzeko sareak proposatu dira banda zabaleko parekatzeko, RF blokea/DC zirkuitu labur bat (pasa-iragazkia) irteerako atakan edo DC blokeatzeko kondentsadore bat diodo harmonikoen itzulera bide gisa. Zuzengailuaren osagaiak zirkuitu inprimatuko plaken (PCB) kondentsadore interdigitatuekin ordezka daitezke, diseinu elektronikoko automatizazio tresna komertzialen bidez sintetizatzen direnak. Salatutako beste banda zabaleko rectenna bat datozen sareek maiztasun baxuekin bat etortzeko elementu konbinatuak eta sarreran RF labur bat sortzeko elementu banatuak konbinatzen dituzte.
Kargak ikusitako sarrerako inpedantzia iturri baten bidez aldatzea (source-pull teknika bezala ezagutzen dena) banda zabaleko zuzengailu bat diseinatzeko erabili da, %57ko banda zabalera erlatiboa (1,25–2,25 GHz) eta %10 PCE handiagoa duen zirkuitu konbinatu edo banatuekin alderatuta. . Bat datozen sareak normalean 50Ω-ko banda-zabalera osoan antenak parekatzeko diseinatuta dauden arren, badaude literaturan banda zabaleko antenak banda estuko zuzengailuetara konektatu diren txostenak.
C eta D topologietan oso erabiliak izan dira elementu konbinatuen eta banatutako elementuen parekatze-sare hibridoak, serieko induktoreak eta kondentsadoreak direlarik gehien erabiltzen diren elementuak. Hauek egitura konplexuak saihesten dituzte, esate baterako, kondentsadore interdigitatuek, microstrip linea estandarrak baino modelizazio eta fabrikazio zehatzagoak behar dituztenak.
Zuzengailuaren sarrerako potentziak sarrerako inpedantzian eragiten du diodoaren ez-linealtasuna dela eta. Hori dela eta, rectenna sarrerako potentzia-maila eta karga-inpedantzia zehatz baterako PCE maximizatzeko diseinatuta dago. Diodoak 3 GHz-tik beherako maiztasunetan inpedantzia handiko kapazitate handikoak direnez, bat datozen sareak ezabatzen dituzten edo parekatze-zirkuitu sinplifikatuak minimizatzen dituzten banda zabaleko zuzenketak Prf>0 dBm eta 1 GHz-tik gorako maiztasunetara bideratu dira, diodoek inpedantzia gaitasun baxua baitute eta ondo parekatu daitezkeelako. antenari, horrela sarrerako erreaktantzia > 1.000Ω duten antenen diseinua saihestuz.
Inpedantzia egokitzeko edo birkonfiguragarria den inpedantzia parekatzea ikusi da CMOS errektennetan, non parekatze sarea txip gaineko kondentsadore-bankuek eta induktoreek osatzen duten. CMOS bat etortze-sare estatikoak ere proposatu dira 50Ω-ko antena estandarrentzat eta baita elkarrekin diseinatutako begizta-antenaetarako ere. Jakinarazi dutenez, CMOS potentzia-detektagailu pasiboak erabiltzen dira antenaren irteera zuzentzaile ezberdinetara eta sare bat datozen potentziaren arabera zuzentzen duten etengailuak kontrolatzeko. Kondentsadore sintonizagarriak erabiliz birkonfiguragarria den sare bat proposatu da, sintonizatuz sintonizatzen dena sarrerako inpedantzia neurtzen duen bitartean sare-analisi bektoriala erabiliz. Mikrostrip parekatzeko sare birkonfiguragarrietan, eremu-efektuko transistore etengailuak erabili dira bat datozen zirriborroak doitzeko, banda bikoitzeko ezaugarriak lortzeko.
Antenei buruz gehiago jakiteko, bisitatu:
Argitalpenaren ordua: 2024-09-09
