1. Inleiding
Radiofrekwensie (RF) energie-oes (RFEH) en stralingsdraadlose kragoordrag (WPT) het groot belangstelling gewek as metodes om batteryvrye volhoubare draadlose netwerke te bereik. Rektonne is die hoeksteen van WPT- en RFEH-stelsels en het 'n beduidende impak op die GS-krag wat aan die las gelewer word. Die antenne-elemente van die rektonne beïnvloed direk die oesdoeltreffendheid, wat die geoeste krag met verskeie ordes van grootte kan wissel. Hierdie artikel hersien die antenne-ontwerpe wat in WPT- en omgewings-RFEH-toepassings gebruik word. Die gerapporteerde rektonne word geklassifiseer volgens twee hoofkriteria: die antenne-gelykrigterimpedansiebandwydte en die stralingseienskappe van die antenna. Vir elke kriterium word die merietesyfer (FoM) vir verskillende toepassings bepaal en vergelykend hersien.
WPT is in die vroeë 20ste eeu deur Tesla voorgestel as 'n metode om duisende perdekrag oor te dra. Die term rectenna, wat 'n antenna beskryf wat aan 'n gelykrigter gekoppel is om RF-krag te oes, het in die 1950's ontstaan vir ruimtemikrogolf-kragoordragtoepassings en om outonome hommeltuie aan te dryf. Omnidireksionele, langafstand-WPT word beperk deur die fisiese eienskappe van die voortplantingsmedium (lug). Daarom is kommersiële WPT hoofsaaklik beperk tot nabye-veld nie-stralende kragoordrag vir draadlose verbruikerselektronika-laai of RFID.
Namate die kragverbruik van halfgeleiertoestelle en draadlose sensornodusse aanhou afneem, word dit meer haalbaar om sensornodusse aan te dryf deur omgewings-RFEH te gebruik of verspreide lae-krag omnidireksionele senders te gebruik. Ultra-lae-krag draadlose kragstelsels bestaan gewoonlik uit 'n RF-verkrygingsvoorkant, GS-krag- en geheuebestuur, en 'n lae-krag mikroverwerker en sender-ontvanger.
Figuur 1 toon die argitektuur van 'n RFEH draadlose nodus en die algemeen gerapporteerde RF-voorkant-implementerings. Die end-tot-end doeltreffendheid van die draadlose kragstelsel en die argitektuur van die gesinchroniseerde draadlose inligting- en kragoordragnetwerk hang af van die werkverrigting van individuele komponente, soos antennas, gelykrigters en kragbestuurskringe. Verskeie literatuuropnames is vir verskillende dele van die stelsel gedoen. Tabel 1 som die kragomskakelingsfase, sleutelkomponente vir doeltreffende kragomskakeling en verwante literatuuropnames vir elke deel op. Onlangse literatuur fokus op kragomskakelingstegnologie, gelykrigtertopologieë of netwerkbewuste RFEH.
Figuur 1
Antenna-ontwerp word egter nie as 'n kritieke komponent in RFEH beskou nie. Alhoewel sommige literatuur antennabandwydte en -doeltreffendheid vanuit 'n algehele perspektief of vanuit 'n spesifieke antenna-ontwerpperspektief beskou, soos geminiaturiseerde of draagbare antennas, word die impak van sekere antennaparameters op kragontvangs en omskakelingsdoeltreffendheid nie in detail geanaliseer nie.
Hierdie artikel hersien antenna-ontwerptegnieke in rektennas met die doel om RFEH- en WPT-spesifieke antenna-ontwerpuitdagings te onderskei van standaard kommunikasie-antenna-ontwerp. Antennas word vanuit twee perspektiewe vergelyk: end-tot-end impedansie-ooreenstemming en stralingseienskappe; in elke geval word die FoM geïdentifiseer en hersien in die moderne (SoA) antennas.
2. Bandwydte en Ooreenstemming: Nie-50Ω RF-netwerke
Die kenmerkende impedansie van 50Ω is 'n vroeë oorweging van die kompromie tussen verswakking en krag in mikrogolf-ingenieurstoepassings. In antennas word die impedansiebandwydte gedefinieer as die frekwensiebereik waar die gereflekteerde krag minder as 10% is (S11< − 10 dB). Aangesien laeruisversterkers (LNA's), kragversterkers en detektors tipies ontwerp word met 'n 50Ω insetimpedansie-ooreenstemming, word tradisioneel na 'n 50Ω bron verwys.
In 'n rektenna word die uitset van die antenna direk in die gelykrigter gevoer, en die nie-lineariteit van die diode veroorsaak 'n groot variasie in die insetimpedansie, met die kapasitiewe komponent wat dominant is. As ons 'n 50Ω-antenna aanneem, is die hoofuitdaging om 'n addisionele RF-ooreenstemmingsnetwerk te ontwerp om die insetimpedansie na die impedansie van die gelykrigter by die betrokke frekwensie te transformeer en dit vir 'n spesifieke drywingsvlak te optimaliseer. In hierdie geval is end-tot-end impedansiebandwydte nodig om doeltreffende RF na GS-omskakeling te verseker. Daarom, alhoewel antennas teoreties oneindige of ultrawye bandwydte kan bereik deur periodieke elemente of selfkomplementêre geometrie te gebruik, sal die bandwydte van die rektenna deur die gelykrigter-ooreenstemmingsnetwerk gebottel word.
Verskeie rektenna-topologieë is voorgestel om enkelband- en multiband-oes of WPT te bereik deur refleksies te minimaliseer en kragoordrag tussen die antenna en die gelykrigter te maksimeer. Figuur 2 toon die strukture van die gerapporteerde rektenna-topologieë, gekategoriseer volgens hul impedansie-ooreenstemmingsargitektuur. Tabel 2 toon voorbeelde van hoëprestasie-rektennas met betrekking tot end-tot-end bandwydte (in hierdie geval, FoM) vir elke kategorie.
Figuur 2 Rektenna-topologieë vanuit die perspektief van bandwydte- en impedansie-aanpassing. (a) Enkelband-rektenna met standaardantenna. (b) Multiband-rektenna (saamgestel uit veelvuldige onderling gekoppelde antennas) met een gelykrigter en aanpassingsnetwerk per band. (c) Breëband-rektenna met veelvuldige RF-poorte en aparte aanpassingsnetwerke vir elke band. (d) Breëband-rektenna met breëbandantenna en breëband-aanpassingsnetwerk. (e) Enkelband-rektenna wat 'n elektries klein antenna direk met die gelykrigter verbind. (f) Enkelband, elektries groot antenna met komplekse impedansie om met die gelykrigter te konjugeer. (g) Breëband-rektenna met komplekse impedansie om met die gelykrigter oor 'n reeks frekwensies te konjugeer.
Alhoewel WPT en omringende RFEH vanaf toegewyde toevoer verskillende rektenna-toepassings is, is die bereiking van end-tot-end-ooreenstemming tussen antenna, gelykrigter en las fundamenteel om hoë kragomskakelingsdoeltreffendheid (PCE) vanuit 'n bandwydte-perspektief te bereik. Nietemin fokus WPT-rektennas meer op die bereiking van hoër kwaliteit faktorooreenstemming (laer S11) om enkelband-PCE by sekere kragvlakke (topologieë a, e en f) te verbeter. Die wye bandwydte van enkelband-WPT verbeter die stelsel se immuniteit teen ontstemming, vervaardigingsdefekte en verpakkingsparasiete. Aan die ander kant prioritiseer RFEH-rektennas multibandwerking en behoort hulle tot topologieë bd en g, aangesien die kragspektrale digtheid (PSD) van 'n enkele band oor die algemeen laer is.
3. Reghoekige antenna-ontwerp
1. Enkelfrekwensie-rekton
Die antenna-ontwerp van enkelfrekwensie-rektenna (topologie A) is hoofsaaklik gebaseer op standaard antenna-ontwerp, soos lineêre polarisasie (LP) of sirkelvormige polarisasie (CP) wat 'n stralende kol op die grondvlak, dipoolantenna en omgekeerde F-antenna, uitstraal. Differensiële band-rektenna is gebaseer op 'n GS-kombinasie-skikking wat gekonfigureer is met veelvuldige antenna-eenhede of 'n gemengde GS- en RF-kombinasie van veelvuldige kol-eenhede.
Aangesien baie van die voorgestelde antennas enkelfrekwensie-antennas is en aan die vereistes van enkelfrekwensie-WPT voldoen, word veelvuldige enkelfrekwensie-antennas gekombineer in multiband-reghoeke (topologie B) met wedersydse koppelingsonderdrukking en onafhanklike GS-kombinasie na die kragbestuurskring om hulle heeltemal van die RF-verkrygings- en omskakelingskring te isoleer wanneer omgewingsmultifrekwensie-RFEH gesoek word. Dit vereis veelvuldige kragbestuurskringe vir elke band, wat die doeltreffendheid van die hupstootomskakelaar kan verminder omdat die GS-krag van 'n enkele band laag is.
2. Multiband- en breëband RFEH-antennas
Omgewings-RFEH word dikwels geassosieer met multibandverkryging; daarom is 'n verskeidenheid tegnieke voorgestel om die bandwydte van standaardantenna-ontwerpe en metodes vir die vorming van dubbelband- of bandantenna-skikkings te verbeter. In hierdie afdeling hersien ons pasgemaakte antenne-ontwerpe vir RFEH's, sowel as klassieke multibandantennas met die potensiaal om as reghoekige antennas gebruik te word.
Koplanêre golfgeleier (KPW) monopoolantennas beslaan minder area as mikrostrip-plakantennas teen dieselfde frekwensie en produseer LP- of KP-golwe, en word dikwels gebruik vir breëband-omgewingsreghoeke. Refleksievlakke word gebruik om isolasie te verhoog en wins te verbeter, wat lei tot stralingspatrone soortgelyk aan plakantennas. Gegleufde koplanêre golfgeleierantennas word gebruik om impedansiebandwydtes vir veelvuldige frekwensiebande, soos 1.8–2.7 GHz of 1–3 GHz, te verbeter. Gekoppelde-gevoerde gleufantennas en plakantennas word ook algemeen in multiband-rekhoektenna-ontwerpe gebruik. Figuur 3 toon 'n paar gerapporteerde multiband-antennas wat meer as een bandwydteverbeteringstegniek gebruik.
Figuur 3
Antenna-gelykrigter impedansie-ooreenstemming
Dit is uitdagend om 'n 50Ω-antenna by 'n nie-lineêre gelykrigter aan te pas, want die insetimpedansie daarvan wissel baie met die frekwensie. In topologieë A en B (Figuur 2) is die algemene ooreenstemmingsnetwerk 'n LC-ooreenstemming wat saamgevoegde elemente gebruik; die relatiewe bandwydte is egter gewoonlik laer as die meeste kommunikasiebande. Enkelband-stompooreenstemming word algemeen in mikrogolf- en millimetergolfbande onder 6 GHz gebruik, en die gerapporteerde millimetergolf-reghoeke het 'n inherent nou bandwydte omdat hul PCE-bandwydte deur uitsetharmoniese onderdrukking geknoei word, wat hulle veral geskik maak vir enkelband-WPT-toepassings in die ongelisensieerde 24 GHz-band.
Die rektennes in topologieë C en D het meer komplekse ooreenstemmende netwerke. Volledig verspreide lynooreenstemmingsnetwerke is voorgestel vir breëbandooreenstemming, met 'n RF-blok/GS-kortsluiting (deurlaatfilter) by die uitvoerpoort of 'n GS-blokkeerkondensator as 'n terugkeerpad vir diodeharmonieke. Die gelykrigterkomponente kan vervang word deur gedrukte stroombaanbord (PCB) interdigiteerde kondensators, wat gesintetiseer word met behulp van kommersiële elektroniese ontwerpoutomatiseringsinstrumente. Ander gerapporteerde breëband-rektenne-ooreenstemmingsnetwerke kombineer saamgevoegde elemente vir ooreenstemming met laer frekwensies en verspreide elemente om 'n RF-kortsluiting by die inset te skep.
Die variasie van die invoerimpedansie wat deur die las deur 'n bron waargeneem word (bekend as die bron-trek-tegniek) is gebruik om 'n breëband-gelykrigter met 57% relatiewe bandwydte (1.25–2.25 GHz) en 10% hoër PCE te ontwerp in vergelyking met gekonsentreerde of verspreide stroombane. Alhoewel ooreenstemmende netwerke tipies ontwerp word om antennas oor die hele 50Ω bandwydte te pas, is daar verslae in die literatuur waar breëband-antennas aan smalband-gelykrigters gekoppel is.
Hibriede gekonsentreerde element- en verspreide element-ooreenstemmingsnetwerke word wyd gebruik in topologieë C en D, met serie-induktors en kapasitors as die mees gebruikte gekonsentreerde elemente. Hierdie vermy komplekse strukture soos ineengevlegte kapasitors, wat meer akkurate modellering en vervaardiging vereis as standaard mikrostriplyne.
Die insetkrag na die gelykrigter beïnvloed die insetimpedansie as gevolg van die nie-lineariteit van die diode. Daarom is die rektenna ontwerp om die PCE vir 'n spesifieke insetkragvlak en lasimpedansie te maksimeer. Aangesien diodes hoofsaaklik kapasitief hoë impedansie by frekwensies onder 3 GHz is, is breëband-rektennas wat ooreenstemmende netwerke uitskakel of vereenvoudigde ooreenstemmende stroombane minimaliseer, gefokus op frekwensies Prf>0 dBm en bo 1 GHz, aangesien die diodes lae kapasitiewe impedansie het en goed by die antenna aangepas kan word, waardeur die ontwerp van antennas met insetreaktansies >1 000Ω vermy word.
Aanpasbare of herkonfigureerbare impedansie-aanpassing is gesien in CMOS-reghoeke, waar die aanpassingsnetwerk bestaan uit kapasitorbanke en induktors op die skyfie. Statiese CMOS-aanpassingsnetwerke is ook voorgestel vir standaard 50Ω-antennas sowel as mede-ontwerpte lusantennas. Daar is berig dat passiewe CMOS-kragdetektors gebruik word om skakelaars te beheer wat die uitset van die antenna na verskillende gelykrigters en aanpassingsnetwerke rig, afhangende van die beskikbare krag. 'n Herkonfigureerbare aanpassingsnetwerk wat gekonsentreerde afstembare kapasitors gebruik, is voorgestel, wat deur fyn afstemming ingestel word terwyl die insetimpedansie met 'n vektornetwerkanaliseerder gemeet word. In herkonfigureerbare mikrostrip-aanpassingsnetwerke is veldeffektransistorskakelaars gebruik om die aanpassingsstompies aan te pas om dubbelband-eienskappe te bereik.
Om meer oor antennas te wete te kom, besoek asseblief:
Plasingstyd: 9 Augustus 2024
