1. Bubuka
Panén énérgi frekuensi radio (RF) (RFEH) sareng transfer daya nirkabel radiatif (WPT) parantos narik minat anu ageung salaku padika pikeun ngahontal jaringan nirkabel sustainable tanpa batré. Rectennas mangrupakeun cornerstone sahiji sistem WPT na RFEH sarta boga dampak signifikan dina kakuatan DC dikirimkeun ka beban. Unsur anteneu tina rectenna langsung mangaruhan efisiensi panén, nu bisa rupa-rupa kakuatan dipanén ku sababaraha ordo gedena. Tulisan ieu marios desain anteneu anu dianggo dina WPT sareng aplikasi RFEH ambien. Rectennas dilaporkeun digolongkeun dumasar kana dua kriteria utama: anteneu rectifying impedansi rubakpita jeung karakteristik radiasi anteneu. Pikeun unggal kriteria, inohong istighfar (FoM) pikeun aplikasi béda ditangtukeun sarta reviewed comparatively.
WPT diusulkeun ku Tesla dina awal abad ka-20 salaku padika pikeun ngirimkeun rébuan tenaga kuda. Istilah rectenna, anu ngajelaskeun anteneu disambungkeun ka panyaarah pikeun panén kakuatan RF, mecenghul dina taun 1950-an pikeun aplikasi transmisi kakuatan gelombang mikro spasi jeung kakuatan drones otonom. Omnidirectional, jarak jauh WPT dibatesan ku sipat fisik medium rambatan (hawa). Ku alatan éta, WPT komérsial utamana dugi ka mindahkeun kakuatan non-radiative deukeut-widang pikeun ngecas éléktronika konsumén nirkabel atawa RFID.
Nalika konsumsi kakuatan alat semikonduktor sareng titik sénsor nirkabel terus ngirangan, janten langkung tiasa dianggo pikeun titik sénsor kakuatan nganggo RFEH ambient atanapi nganggo pamancar omnidirectional kakuatan rendah anu disebarkeun. Sistem kakuatan nirkabel ultra-rendah biasana diwangun ku tungtung hareup akuisisi RF, kakuatan DC sareng manajemén mémori, sareng mikroprosésor sareng transceiver kakuatan-rendah.
Gambar 1 nunjukkeun arsitéktur titik nirkabel RFEH sareng palaksanaan hareup-tungtung RF anu biasa dilaporkeun. Efisiensi tungtung-ka-tungtung tina sistem kakuatan nirkabel sareng arsitéktur inpormasi nirkabel anu disingkronkeun sareng jaringan transfer daya gumantung kana kinerja komponén individu, sapertos anteneu, panyaarah, sareng sirkuit manajemén kakuatan. Sababaraha survey literatur parantos dilakukeun pikeun sababaraha bagian tina sistem. Tabél 1 nyimpulkeun tahap konvérsi daya, komponén konci pikeun konvérsi daya anu éfisién, sareng survey literatur anu aya hubunganana pikeun unggal bagian. Literatur panganyarna museurkeun kana téknologi konversi kakuatan, topologi panyaarah, atanapi RFEH sadar jaringan.
Gambar 1
Sanajan kitu, desain anteneu teu dianggap salaku komponén kritis dina RFEH. Sanajan sababaraha literatur nganggap rubakpita anteneu jeung efisiensi tina hiji sudut pandang sakabéh atawa tina sudut pandang design anteneu husus, kayaning miniaturized atawa anteneu wearable, dampak parameter anteneu tangtu dina panarimaan kakuatan sarta efisiensi konversi teu dianalisis di jéntré.
Tulisan ieu marios téknik desain anteneu dina rectennas kalayan tujuan ngabédakeun RFEH sareng tantangan desain antena khusus WPT tina desain antena komunikasi standar. Anteneu dibandingkeun tina dua sudut pandang: cocog impedansi tungtung-to-tungtung jeung ciri radiasi; dina unggal hal, FoM dicirikeun tur reviewed dina anteneu state-of-nu-seni (SoA).
2. Bandwidth sareng Cocog: Jaringan RF Non-50Ω
Impedansi karakteristik 50Ω mangrupikeun pertimbangan awal kompromi antara atenuasi sareng kakuatan dina aplikasi rékayasa gelombang mikro. Dina anteneu, rubakpita impedansi diartikeun rentang frékuénsi dimana kakuatan reflected kirang ti 10% (S11<-10 dB). Kusabab low noise amplifier (LNA), power amplifier, sareng detektor biasana dirarancang nganggo 50Ω input impedansi cocok, sumber 50Ω sacara tradisional dirujuk.
Dina rectenna, kaluaran anteneu langsung diasupkeun kana panyaarah, sarta nonlinieritas dioda ngabalukarkeun variasi badag dina impedansi input, jeung komponén kapasitif dominating. Anggap anteneu 50Ω, tangtangan utama nyaéta mendesain jaringan cocog RF tambahan pikeun ngarobih impedansi input kana impedansi panyaarah dina frékuénsi anu dipikaresep sareng ngaoptimalkeunana pikeun tingkat kakuatan khusus. Dina hal ieu, rubakpita impedansi tungtung-to-tungtung diperlukeun pikeun mastikeun konversi RF ka DC efisien. Ku alatan éta, sanajan anteneu bisa ngahontal rubakpita téoritis tanpa wates atawa ultra-lega ngagunakeun elemen périodik atawa géométri timer lawanna, rubakpita rectenna bakal bottlenecked ku jaringan cocog rectifier.
Sababaraha topologies rectenna geus diusulkeun pikeun ngahontal single-band jeung multi-band Panén atawa WPT ku ngaminimalkeun reflections jeung maximizing mindahkeun kakuatan antara anteneu jeung rectifier nu. angka 2 nembongkeun struktur topologies rectenna dilaporkeun, categorized ku arsitektur cocog impedansi maranéhna. meja 2 nembongkeun conto rectennas-kinerja tinggi ngeunaan rubakpita tungtung-to-tungtung (dina hal ieu, FoM) pikeun tiap kategori.
angka 2 Rectenna topologies tina sudut pandang rubakpita jeung impedansi cocog. (a) Single-band rectenna kalawan anteneu baku. (b) Multiband rectenna (diwangun ku sababaraha anteneu saling gandeng) kalawan hiji panyaarah tur cocog jaringan per band. (c) Broadband rectenna kalawan sababaraha palabuhan RF jeung jaringan cocog misah pikeun tiap band. (d) Broadband rectenna kalawan anteneu broadband jeung jaringan cocog broadband. (e) Single-band rectenna ngagunakeun anteneu leutik listrik langsung cocog kana panyaarah. (f) Single-band, anteneu listrik badag kalawan impedansi kompléks pikeun conjugate kalawan panyaarah. (g) Broadband rectenna kalawan impedansi kompléks pikeun conjugate kalawan panyaarah dina rentang frékuénsi.
Nalika WPT sareng RFEH ambien tina feed khusus mangrupikeun aplikasi rectenna anu béda-béda, ngahontal cocog tungtung-ka-tungtung antara anteneu, panyaarah sareng beban mangrupikeun dasar pikeun ngahontal efisiensi konversi kakuatan tinggi (PCE) tina sudut pandang bandwidth. Sanajan kitu, WPT rectennas leuwih museurkeun kana achieving faktor kualitas luhur cocog (handap S11) pikeun ngaronjatkeun single-band PCE dina tingkat kakuatan nu tangtu (topologies a, e jeung f). Lebar lebar pita tunggal WPT ningkatkeun kekebalan sistem pikeun detuning, cacad manufaktur sareng parasit bungkusan. Di sisi séjén, RFEH rectennas prioritas operasi multi-band jeung kagolong kana topologies bd jeung g, sakumaha kapadetan spéktral kakuatan (PSD) tina hiji pita umumna leuwih handap.
3. Desain anteneu rectangular
1. Single-frékuénsi rectenna
Desain anteneu single-frékuénsi rectenna (topology A) utamana dumasar kana rarancang anteneu baku, kayaning polarisasi linier (LP) atanapi sirkular polarisasi (CP) radiating patch dina pesawat taneuh, anteneu dipole na inverted anteneu F. rectenna band diferensial dumasar kana Asép Sunandar Sunarya kombinasi DC ngonpigurasi kalawan sababaraha unit anteneu atawa campuran DC jeung RF kombinasi sababaraha unit patch.
Kusabab seueur anteneu anu diusulkeun nyaéta anteneu frekuensi tunggal sareng nyumponan sarat WPT frekuensi tunggal, nalika milarian RFEH multi-frékuénsi lingkungan, sababaraha anteneu frekuensi tunggal digabungkeun kana rectenna multi-band (topologi B) kalayan suprési gandeng silih sareng kombinasi DC bebas sanggeus sirkuit manajemén kakuatan pikeun sakabéhna ngasingkeun aranjeunna tina akuisisi RF jeung sirkuit konvérsi. Ieu merlukeun sababaraha sirkuit manajemén kakuatan pikeun tiap band, nu bisa ngurangan efisiensi converter dorongan sabab kakuatan DC hiji band tunggal low.
2. Multi-band jeung broadband anteneu RFEH
RFEH lingkungan sering dikaitkeun sareng akuisisi multi-band; kituna, rupa-rupa téhnik geus diajukeun pikeun ngaronjatkeun rubakpita tina desain anteneu baku jeung métode pikeun ngabentuk dual-band atawa band arrays anteneu. Dina bagian ieu, urang marios desain anteneu custom pikeun RFEHs, kitu ogé anteneu multi-band Palasik kalawan potensi pikeun dipaké salaku rectennas.
Coplanar waveguide (CPW) anteneu monopole nempatan aréa kirang ti microstrip patch anteneu dina frékuénsi anu sarua sarta ngahasilkeun LP atanapi CP gelombang, sarta mindeng dipaké pikeun rectennas lingkungan broadband. Planes pantulan dipaké pikeun ngaronjatkeun isolasi jeung ningkatkeun gain, hasilna pola radiasi sarupa patch anteneu. Slotted coplanar waveguide anteneu dipaké pikeun ngaronjatkeun bandwidth impedansi pikeun sababaraha pita frékuénsi, kayaning 1,8-2,7 GHz atawa 1-3 GHz. anteneu slot gandeng-fed na patch anteneu ogé ilahar dipaké dina desain rectenna multi-band. angka 3 nembongkeun sababaraha dilaporkeun anteneu multi-band anu ngagunakeun leuwih ti hiji téhnik pamutahiran rubakpita.
Gambar 3
Antenna-Rectifier impedansi cocog
Nyocogkeun anteneu 50Ω ka panyaarah nonlinier hésé sabab impedansi inputna béda-béda pisan sareng frékuénsi. Dina topologies A jeung B (Gambar 2), jaringan cocog umum mangrupa patandingan LC ngagunakeun elemen lumped; kumaha oge, rubakpita relatif biasana leuwih handap ti lolobana pita komunikasi. Cocog rintisan pita tunggal biasana dianggo dina gelombang gelombang mikro sareng pita gelombang milimeter sahandapeun 6 GHz, sareng rectenna gelombang milimeter anu dilaporkeun gaduh rubakpita anu heureut sabab bandwidth PCEna dihalangan ku suprési harmonik kaluaran, anu ngajantenkeun aranjeunna cocog pikeun single-band. aplikasi band WPT dina pita 24 GHz unlicensed.
The rectennas dina topologies C jeung D boga jaringan cocog leuwih kompleks. Jaringan cocog garis disebarkeun pinuh geus diusulkeun pikeun cocog broadband, kalawan block RF / DC circuit pondok (pass filter) dina port kaluaran atawa DC blocking kapasitor salaku jalur balik pikeun harmonik dioda. Komponén panyaarah tiasa digentos ku kapasitor interdigitated circuit board (PCB), anu disintésis nganggo alat automation desain éléktronik komérsial. Jaringan cocog rectenna broadband séjén anu dilaporkeun ngagabungkeun elemen lumped pikeun cocog kana frékuénsi handap sarta elemen disebarkeun pikeun nyieun hiji RF pondok dina input.
Ngabedakeun impedansi input anu dititénan ku beban ngaliwatan sumber (katelah téknik tarik-sumber) geus dipaké pikeun ngarancang panyaarah pita lebar kalayan rubakpita relatif 57% (1.25–2.25 GHz) jeung PCE 10% leuwih luhur dibandingkeun jeung sirkuit terdistribusi. . Sanajan jaringan cocog ilaharna dirancang pikeun cocog anteneu dina sakabéh rubakpita 50Ω, aya laporan dina literatur dimana anteneu broadband geus disambungkeun ka panyaarah narrowband.
Hibrid lumped-elemen jeung distribusi-elemen cocog jaringan geus loba dipaké dina topologies C jeung D, kalawan runtuyan induktor jeung kapasitor keur elemen lumped paling ilahar dipake. Ieu nyegah struktur kompléks kayaning kapasitor interdigitated, nu merlukeun modeling leuwih akurat tur fabrikasi ti garis microstrip baku.
Daya input kana panyaarah mangaruhan impedansi input alatan nonlinieritas dioda. Ku alatan éta, rectenna dirancang pikeun maksimalkeun pungsi PCE pikeun tingkat kakuatan input husus sarta impedansi beban. Kusabab dioda utamana impedansi tinggi kapasitif dina frékuénsi handap 3 GHz, rectennas broadband nu ngaleungitkeun jaringan cocog atawa ngaleutikan sirkuit cocog saderhana geus fokus kana frékuénsi Prf> 0 dBm na luhur 1 GHz, saprak diodes boga impedansi kapasitif low tur bisa ogé cocog. ka anteneu, sahingga ngahindarkeun desain anteneu kalayan réaktansi input > 1.000Ω.
Adaptif atanapi reconfigurable impedansi cocog geus katempo dina rectennas CMOS, dimana jaringan cocog diwangun ku on-chip kapasitor bank jeung induktor. Jaringan cocog CMOS statik ogé geus diusulkeun pikeun anteneu standar 50Ω ogé anteneu loop dirancang babarengan. Parantos dilaporkeun yén detéktor kakuatan CMOS pasip dianggo pikeun ngadalikeun saklar anu ngarahkeun kaluaran anteneu ka panyaarah anu béda sareng jaringan anu cocog gumantung kana kakuatan anu sayogi. Jaringan cocog anu tiasa dikonfigurasi deui nganggo kapasitor tunable lumped parantos diajukeun, anu disaluyukeun ku fine-tuning bari ngukur impedansi input nganggo analisa jaringan vektor. Dina jaringan cocog microstrip reconfigurable, saklar transistor pangaruh widang geus dipaké pikeun nyaluyukeun stubs cocog pikeun ngahontal ciri dual-band.
Pikeun leuwih jéntré ngeunaan anteneu, mangga buka:
waktos pos: Aug-09-2024
