1. Bubuka
Panén énergi frékuénsi radio (RF) (RFEH) sareng transfer daya nirkabel radiatif (WPT) parantos narik minat anu ageung salaku metode pikeun ngahontal jaringan nirkabel anu lestari anu bébas batré. Rectenna mangrupikeun landasan sistem WPT sareng RFEH sareng gaduh dampak anu signifikan kana daya DC anu dikirimkeun ka beban. Élémen anteneu rectenna langsung mangaruhan efisiensi panén, anu tiasa ngarobih daya panén ku sababaraha kali lipat. Makalah ieu marios desain anteneu anu dianggo dina aplikasi WPT sareng RFEH ambient. Rectenna anu dilaporkeun diklasifikasikeun dumasar kana dua kriteria utama: bandwidth impedansi réktifikasi anteneu sareng karakteristik radiasi anteneu. Pikeun unggal kriteria, angka kaunggulan (FoM) pikeun aplikasi anu béda-béda ditangtukeun sareng diulas sacara komparatif.
WPT diusulkeun ku Tesla dina awal abad ka-20 salaku metode pikeun ngirimkeun rébuan tenaga kuda. Istilah rectenna, anu ngajelaskeun anteneu anu disambungkeun ka rectifier pikeun ngumpulkeun daya RF, muncul dina taun 1950-an pikeun aplikasi transmisi daya gelombang mikro luar angkasa sareng pikeun ngagerakkeun drone otonom. WPT omnidirectional, jarak jauh diwatesan ku sipat fisik média rambatan (hawa). Ku alatan éta, WPT komérsial utamina diwatesan pikeun transfer daya non-radiatif jarak deukeut pikeun ngecas éléktronik konsumen nirkabel atanapi RFID.
Kusabab konsumsi daya alat semikonduktor sareng simpul sensor nirkabel terus turun, janten langkung merenah pikeun ngadayaan simpul sensor nganggo RFEH ambient atanapi nganggo pemancar omnidirectional daya rendah anu disebarkeun. Sistem daya nirkabel daya rendah ultra biasana diwangun ku ujung hareup akuisisi RF, manajemen daya sareng mémori DC, sareng mikroprosesor sareng transceiver daya rendah.
Gambar 1 nunjukkeun arsitéktur simpul nirkabel RFEH sareng implementasi RF front-end anu umum dilaporkeun. Efisiensi end-to-end sistem daya nirkabel sareng arsitéktur jaringan informasi sareng transfer daya nirkabel anu disinkronkeun gumantung kana kinerja komponén individu, sapertos anteneu, rectifier, sareng sirkuit manajemen daya. Sababaraha survéy literatur parantos dilakukeun pikeun bagian sistem anu béda. Tabel 1 ngaruntuykeun tahapan konvérsi daya, komponén konci pikeun konvérsi daya anu efisien, sareng survéy literatur anu aya hubunganana pikeun unggal bagian. Literatur anyar museur kana téknologi konvérsi daya, topologi rectifier, atanapi RFEH anu sadar jaringan.
Gambar 1
Nanging, desain anteneu henteu dianggap salaku komponén kritis dina RFEH. Sanaos sababaraha literatur mertimbangkeun bandwidth sareng efisiensi anteneu tina sudut pandang sakabéhna atanapi tina sudut pandang desain anteneu khusus, sapertos anteneu miniatur atanapi anu tiasa dianggo, dampak parameter anteneu anu tangtu kana panarimaan daya sareng efisiensi konvérsi henteu dianalisis sacara rinci.
Makalah ieu marios téknik desain anteneu dina rectennas kalayan tujuan pikeun ngabédakeun tantangan desain anteneu khusus RFEH sareng WPT tina desain anteneu komunikasi standar. Anteneu dibandingkeun tina dua sudut pandang: cocog impedansi ujung-ka-ujung sareng karakteristik radiasi; dina unggal kasus, FoM diidentifikasi sareng diulas dina anteneu anu paling canggih (SoA).
2. Bandwidth sareng Cocogkeun: Jaringan RF Non-50Ω
Impedansi karakteristik 50Ω mangrupikeun pertimbangan awal tina kompromi antara atenuasi sareng daya dina aplikasi rékayasa gelombang mikro. Dina anteneu, bandwidth impedansi dihartikeun salaku rentang frékuénsi dimana daya anu dipantulkeun kirang ti 10% (S11< − 10 dB). Kusabab amplifier noise rendah (LNA), amplifier daya, sareng detektor biasana dirancang kalayan cocog impedansi input 50Ω, sumber 50Ω sacara tradisional dirujuk.
Dina rectenna, kaluaran anteneu langsung diasupkeun kana rectifier, sareng nonlinieritas dioda nyababkeun variasi anu ageung dina impedansi input, kalayan komponén kapasitif anu dominan. Anggap anteneu 50Ω, tantangan utama nyaéta ngarancang jaringan cocog RF tambahan pikeun ngarobih impedansi input kana impedansi rectifier dina frékuénsi anu dipikaresep sareng ngaoptimalkeunana pikeun tingkat daya anu khusus. Dina hal ieu, bandwidth impedansi ujung-ka-ujung diperyogikeun pikeun mastikeun konvérsi RF ka DC anu efisien. Ku alatan éta, sanaos anteneu tiasa ngahontal bandwidth anu teu terbatas atanapi ultra-lebar sacara téoritis nganggo unsur périodik atanapi géométri anu saling ngalengkepan, bandwidth rectenna bakal dihalangan ku jaringan cocog rectifier.
Sababaraha topologi rectenna parantos diusulkeun pikeun ngahontal panén pita tunggal sareng multi-pita atanapi WPT ku cara ngaminimalkeun pantulan sareng ngamaksimalkeun transfer daya antara anteneu sareng rectifier. Gambar 2 nunjukkeun struktur topologi rectenna anu dilaporkeun, dikategorikeun ku arsitéktur cocog impedansi na. Tabel 2 nunjukkeun conto rectenna kinerja tinggi anu aya hubunganana sareng bandwidth ujung-ka-ujung (dina hal ieu, FoM) pikeun unggal kategori.
Gambar 2 Topologi Rectenna tina sudut pandang bandwidth sareng cocog impedansi. (a) Rectenna pita tunggal kalayan anteneu standar. (b) Rectenna multiband (diwangun ku sababaraha anteneu anu silih gandeng) kalayan hiji rectifier sareng jaringan anu cocog per band. (c) Rectenna broadband kalayan sababaraha port RF sareng jaringan anu cocog misah pikeun unggal band. (d) Rectenna broadband kalayan anteneu broadband sareng jaringan anu cocog broadband. (e) Rectenna pita tunggal nganggo anteneu leutik sacara listrik anu cocog langsung sareng rectifier. (f) Anteneu pita tunggal, ageung sacara listrik kalayan impedansi kompléks pikeun konjugasi sareng rectifier. (g) Rectenna broadband kalayan impedansi kompléks pikeun konjugasi sareng rectifier dina rentang frékuénsi.
Sanaos WPT sareng RFEH ambient tina feed khusus mangrupikeun aplikasi rectenna anu béda, ngahontal cocog ujung-ka-ujung antara anteneu, rectifier sareng beban mangrupikeun dasar pikeun ngahontal efisiensi konvérsi daya anu luhur (PCE) tina sudut pandang bandwidth. Nanging, rectenna WPT langkung fokus kana ngahontal cocog faktor kualitas anu langkung luhur (S11 anu langkung handap) pikeun ningkatkeun PCE pita tunggal dina tingkat daya anu tangtu (topologi a, e sareng f). Bandwidth anu lega tina WPT pita tunggal ningkatkeun kekebalan sistem pikeun detuning, cacad manufaktur sareng parasit kemasan. Di sisi anu sanés, rectenna RFEH ngutamakeun operasi multi-band sareng kagolong kana topologi bd sareng g, sabab kapadetan spéktral daya (PSD) tina pita tunggal umumna langkung handap.
3. Desain anteneu pasagi panjang
1. Rectenna frékuénsi tunggal
Desain anteneu tina rektenna frékuénsi tunggal (topologi A) utamina dumasar kana desain anteneu standar, sapertos polarisasi linier (LP) atanapi polarisasi sirkular (CP) anu ngaradiasi patch dina bidang taneuh, anteneu dipol sareng anteneu F anu dibalikkeun. Rectenna pita diferensial dumasar kana susunan kombinasi DC anu dikonfigurasi sareng sababaraha unit anteneu atanapi kombinasi DC sareng RF campuran tina sababaraha unit patch.
Kusabab seueur anteneu anu diusulkeun mangrupikeun anteneu frékuénsi tunggal sareng nyumponan sarat WPT frékuénsi tunggal, nalika milarian RFEH multi-frékuénsi lingkungan, sababaraha anteneu frékuénsi tunggal digabungkeun kana rectennas multi-band (topologi B) kalayan suprési kopling silih sareng kombinasi DC mandiri saatos sirkuit manajemen daya pikeun ngasingkeunana sacara lengkep tina sirkuit akuisisi sareng konvérsi RF. Ieu meryogikeun sababaraha sirkuit manajemen daya pikeun unggal pita, anu tiasa ngirangan efisiensi konverter dorongan sabab kakuatan DC tina pita tunggal rendah.
2. Antena RFEH multi-band sareng broadband
RFEH lingkungan sering dikaitkeun sareng akuisisi multi-band; ku kituna, rupa-rupa téknik parantos diusulkeun pikeun ningkatkeun bandwidth desain anteneu standar sareng metode pikeun ngabentuk susunan anteneu dual-band atanapi band. Dina bagian ieu, urang marios desain anteneu khusus pikeun RFEH, ogé anteneu multi-band klasik kalayan poténsi pikeun dianggo salaku rectennas.
Antena monopole coplanar waveguide (CPW) ngeusian daérah anu langkung alit tibatan anteneu patch microstrip dina frékuénsi anu sami sareng ngahasilkeun gelombang LP atanapi CP, sareng sering dianggo pikeun rectenna lingkungan broadband. Bidang pantulan dianggo pikeun ningkatkeun isolasi sareng ningkatkeun gain, ngahasilkeun pola radiasi anu sami sareng anteneu patch. Anteneu waveguide coplanar slotted dianggo pikeun ningkatkeun bandwidth impedansi pikeun sababaraha pita frékuénsi, sapertos 1,8–2,7 GHz atanapi 1–3 GHz. Anteneu slot coupled-fed sareng anteneu patch ogé umumna dianggo dina desain rectenna multi-band. Gambar 3 nunjukkeun sababaraha anteneu multi-band anu dilaporkeun anu ngamangpaatkeun langkung ti hiji téknik perbaikan bandwidth.
Gambar 3
Cocogkeun Impedansi Antena-Rectifier
Ngacocogkeun anteneu 50Ω kana rectifier nonlinier téh hésé sabab impedansi inputna béda-béda pisan jeung frékuénsi. Dina topologi A jeung B (Gambar 2), jaringan cocooan umum nyaéta cocooan LC anu ngagunakeun unsur lumped; kumaha oge, bandwidth relatif biasana leuwih handap tibatan kalolobaan pita komunikasi. Cocooan rintisan pita tunggal umumna dianggo dina pita gelombang mikro jeung gelombang milimeter di handap 6 GHz, jeung rektenna gelombang milimeter anu dilaporkeun miboga bandwidth anu inheren sempit sabab bandwidth PCE-na dihalangan ku supresi harmonik kaluaran, anu ngajadikeun éta cocog pisan pikeun aplikasi WPT pita tunggal dina pita 24 GHz anu teu dilisensikeun.
Rectennas dina topologi C sareng D gaduh jaringan cocog anu langkung rumit. Jaringan cocog jalur anu disebarkeun pinuh parantos diusulkeun pikeun cocog broadband, kalayan sirkuit pondok blok RF/DC (pass filter) dina port output atanapi kapasitor blok DC salaku jalur balik pikeun harmonik dioda. Komponén rectifier tiasa digentos ku kapasitor interdigitated papan sirkuit cetak (PCB), anu disintésis nganggo alat otomatisasi desain éléktronik komérsial. Jaringan cocog rectenna broadband anu dilaporkeun sanésna ngagabungkeun unsur lumped pikeun cocog sareng frékuénsi anu langkung handap sareng unsur anu disebarkeun pikeun nyiptakeun pondok RF dina input.
Ngarobih impedansi input anu dititénan ku beban ngaliwatan sumber (anu katelah téknik source-pull) parantos dianggo pikeun ngarancang rectifier broadband kalayan bandwidth relatif 57% (1,25–2,25 GHz) sareng PCE 10% langkung luhur dibandingkeun sareng sirkuit lumped atanapi distributed. Sanaos jaringan anu cocog biasana dirancang pikeun cocogkeun anteneu dina sakumna bandwidth 50Ω, aya laporan dina literatur dimana anteneu broadband parantos disambungkeun ka rectifier narrowband.
Jaringan cocog unsur terdistribusi sareng unsur terkumpul hibrida parantos seueur dianggo dina topologi C sareng D, kalayan induktor séri sareng kapasitor janten unsur terkumpul anu paling umum dianggo. Ieu nyingkahan struktur anu rumit sapertos kapasitor interdigitated, anu meryogikeun modél sareng fabrikasi anu langkung akurat tibatan jalur mikrostrip standar.
Daya input kana rectifier mangaruhan impedansi input kusabab nonlinieritas dioda. Ku kituna, rectenna dirancang pikeun maksimalkeun PCE pikeun tingkat daya input sareng impedansi beban anu khusus. Kusabab dioda utamina impedansi kapasitif anu luhur dina frékuénsi di handap 3 GHz, rectenna broadband anu ngaleungitkeun jaringan anu cocog atanapi ngaminimalkeun sirkuit cocog anu disederhanakeun parantos difokuskeun kana frékuénsi Prf>0 dBm sareng di luhur 1 GHz, kumargi dioda gaduh impedansi kapasitif anu handap sareng tiasa cocog sareng anteneu, sahingga nyingkahan desain anteneu kalayan réaktansi input >1.000Ω.
Pencocokan impedansi adaptif atanapi anu tiasa dikonfigurasi ulang parantos katingali dina rectennas CMOS, dimana jaringan anu cocog diwangun ku bank kapasitor dina chip sareng induktor. Jaringan anu cocog CMOS statis ogé parantos diusulkeun pikeun anteneu standar 50Ω ogé anteneu loop anu dirancang babarengan. Parantos dilaporkeun yén detektor daya CMOS pasif dianggo pikeun ngontrol saklar anu ngarahkeun kaluaran anteneu ka rectifier anu béda sareng jaringan anu cocog gumantung kana daya anu sayogi. Jaringan anu cocog anu tiasa dikonfigurasi ulang nganggo kapasitor anu tiasa diatur sacara lumped parantos diusulkeun, anu disetel ku fine-tuning nalika ngukur impedansi input nganggo penganalisis jaringan véktor. Dina jaringan anu cocog mikrostrip anu tiasa dikonfigurasi ulang, saklar transistor éfék médan parantos dianggo pikeun nyaluyukeun rintisan anu cocog pikeun ngahontal karakteristik dual-band.
Kanggo terang langkung seueur ngeunaan anteneu, mangga buka:
Waktos posting: 9-Agu-2024
