1.Inleiding
Radiofrekwensie (RF) energie-oes (RFEH) en radiatiewe draadlose kragoordrag (WPT) het groot belangstelling gelok as metodes om batteryvrye volhoubare draadlose netwerke te bereik. Rektennas is die hoeksteen van WPT- en RFEH-stelsels en het 'n beduidende impak op die GS-krag wat aan die las gelewer word. Die antenna-elemente van die rektenna beïnvloed die oesdoeltreffendheid direk, wat die geoesde krag met verskeie grootteordes kan varieer. Hierdie vraestel hersien die antenna-ontwerpe wat in WPT- en omgewings-RFEH-toepassings gebruik word. Die gerapporteerde rektennas word volgens twee hoofkriteria geklassifiseer: die antenna-regstellende impedansiebandwydte en die stralingskenmerke van die antenna. Vir elke maatstaf word die merietesyfer (FoM) vir verskillende aansoeke 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 rektenna, wat 'n antenna beskryf wat aan 'n gelykrigter gekoppel is om RF-krag te oes, het in die 1950's ontstaan vir ruimtemikrogolfkragoordragtoepassings en om outonome hommeltuie aan te dryf. Omnirigting, langafstand WPT word beperk deur die fisiese eienskappe van die voortplantingsmedium (lug). Daarom is kommersiële WPT hoofsaaklik beperk tot naby-veld nie-stralingskragoordrag vir draadlose verbruikerselektronika-laai of RFID.
Namate die kragverbruik van halfgeleiertoestelle en draadlose sensornodusse aanhou daal, word dit meer haalbaar om sensornodusse aan te dryf deur gebruik te maak van omgewings-RFEH of die gebruik van verspreide laekrag-omnirigtingsenders. Ultra-lae-krag draadlose kragstelsels bestaan gewoonlik uit 'n RF-verkryging voorkant, GS-krag en geheuebestuur, en 'n lae-krag mikroverwerker en transceiver.
Figuur 1 toon die argitektuur van 'n RFEH draadlose nodus en die algemeen gerapporteerde RF front-end 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 kragbestuurkringe. Verskeie literatuuropnames is vir verskillende dele van die stelsel gedoen. Tabel 1 som die kragomsettingstadium, sleutelkomponente vir doeltreffende kragomsetting 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 ontleed nie.
Hierdie vraestel hersien antenna-ontwerptegnieke in rektennas met die doel om RFEH- en WPT-spesifieke antenna-ontwerpuitdagings van standaard kommunikasie-antenna-ontwerp te onderskei. Antennas word vanuit twee perspektiewe vergelyk: end-tot-end impedansie-passing en stralingskenmerke; in elke geval word die FoM geïdentifiseer en hersien in die state-of-the-art (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 weerkaatste drywing minder as 10% is (S11< − 10 dB). Aangesien lae geraasversterkers (LNA's), drywingsversterkers en detektors tipies ontwerp word met 'n 50Ω-insetimpedansie-passing, word tradisioneel na 'n 50Ω-bron verwys.
In 'n rektenna word die uitset van die antenna direk in die gelykrigter ingevoer, en die nie-lineariteit van die diode veroorsaak 'n groot variasie in die insetimpedansie, met die kapasitiewe komponent wat oorheers. As 'n 50Ω-antenna aanvaar word, is die hoofuitdaging om 'n bykomende RF-pasnetwerk te ontwerp om die insetimpedansie te transformeer na die impedansie van die gelykrigter teen die frekwensie van belang en dit te optimaliseer vir 'n spesifieke drywingsvlak. In hierdie geval word end-tot-end impedansie bandwydte vereis om doeltreffende RF na DC omskakeling te verseker. Daarom, alhoewel antennas teoreties oneindige of ultrawye bandwydte kan bereik deur gebruik te maak van periodieke elemente of self-komplementêre meetkunde, sal die bandwydte van die rektenna deur die gelykrigter-pasnetwerk gebottel word.
Verskeie rektenna-topologieë is voorgestel om enkelband- en multi-band-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-bypassende argitektuur. 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-passing. (a) Enkelband-rektenna met standaardantenna. (b) Meerband-rektenna (saamgestel uit veelvuldige onderling gekoppelde antennas) met een gelykrigter en bypassende netwerk per band. (c) Breëband-rektenna met veelvuldige RF-poorte en aparte bypassende netwerke vir elke band. (d) Breëband-rektenna met breëbandantenna en breëbandpasnetwerk. (e) Enkelband-rektenna wat elektries klein antenna gebruik wat direk by die gelykrigter pas. (f) Enkelband, elektries groot antenna met komplekse impedansie om met die gelykrigter te verbind. (g) Breëband-rektenna met komplekse impedansie om met die gelykrigter oor 'n reeks frekwensies te konjugeer.
Terwyl WPT en omringende RFEH van toegewyde voer verskillende rektenna-toepassings is, is die bereiking van end-tot-end-passing 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 faktorpassing (laer S11) om enkelband PCE te verbeter by sekere kragvlakke (topologieë a, e en f). Die wye bandwydte van enkelband-WPT verbeter die stelsel se immuniteit teen ontsteking, vervaardigingsdefekte en verpakkingsparasiete. Aan die ander kant prioritiseer RFEH-rektennas multi-band werking en behoort aan topologieë bd en g, aangesien die kragspektrale digtheid (PSD) van 'n enkele band oor die algemeen laer is.
3. Reghoekige antenna-ontwerp
1. Enkelfrekwensie-rektenna
Die antenna-ontwerp van enkelfrekwensie-rektenna (topologie A) is hoofsaaklik gebaseer op standaard antenna-ontwerp, soos lineêre polarisasie (LP) of sirkelpolarisasie (CP) uitstralende vlek op die grondvlak, dipoolantenna en omgekeerde F-antenna. Differensiële band-rektenna is gebaseer op GS-kombinasie-skikking wat gekonfigureer is met veelvuldige antenna-eenhede of gemengde GS- en RF-kombinasie van veelvuldige pleister-eenhede.
Aangesien baie van die voorgestelde antennas enkelfrekwensie antennas is en voldoen aan die vereistes van enkelfrekwensie WPT, wanneer omgewings multifrekwensie RFEH gesoek word, word veelvuldige enkelfrekwensie antennas gekombineer in multi-band rektennas (topologie B) met wedersydse koppeling onderdrukking en onafhanklike GS-kombinasie na die kragbestuurkring om hulle heeltemal van die RF-verkrygings- en omskakelingskring te isoleer. Dit vereis veelvuldige kragbestuurkringe vir elke band, wat die doeltreffendheid van die hupstootomsetter kan verminder omdat die GS-krag van 'n enkele band laag is.
2. Multi-band en breëband RFEH antennas
Omgewings-RFEH word dikwels geassosieer met multi-band verkryging; daarom is 'n verskeidenheid tegnieke voorgestel vir die verbetering van die bandwydte van standaard antenna ontwerpe en metodes vir die vorming van dubbelband of band antenna skikkings. In hierdie afdeling hersien ons pasgemaakte antenna-ontwerpe vir RFEH's, sowel as klassieke multi-band antennas met die potensiaal om as rektennas gebruik te word.
Koplanêre golfleier (CPW) monopool-antennas beslaan minder area as mikrostrook-vlekantennas teen dieselfde frekwensie en produseer LP- of CP-golwe, en word dikwels gebruik vir breëband-omgewingsrektennas. Refleksievlakke word gebruik om isolasie te verhoog en wins te verbeter, wat lei tot stralingspatrone soortgelyk aan pleisterantennas. Geslote koplanêre golfleier-antennas word gebruik om impedansiebandwydtes vir veelvuldige frekwensiebande te verbeter, soos 1.8–2.7 GHz of 1–3 GHz. Gekoppelde gleufantennas en pleisterantennas word ook algemeen in multiband-rektenna-ontwerpe gebruik. Figuur 3 toon 'n paar gerapporteerde multi-band antennas wat meer as een bandwydte verbetering tegniek gebruik.
Figuur 3
Antenna-gelykrigter impedansie-passing
Om 'n 50Ω-antenna by 'n nie-lineêre gelykrigter te pas is uitdagend omdat die insetimpedansie daarvan grootliks verskil met frekwensie. In topologieë A en B (Figuur 2), is die gemeenskaplike bypassende netwerk 'n LC-pasmaat wat saamgevoegde elemente gebruik; die relatiewe bandwydte is egter gewoonlik laer as die meeste kommunikasiebande. Enkelband-stomppassing word algemeen gebruik in mikrogolf- en millimetergolfbande onder 6 GHz, en die gerapporteerde millimetergolf-rektennas het 'n inherent smal bandwydte omdat hul PCE-bandwydte knelpunte is deur harmoniese onderdrukking van uitset, wat hulle veral geskik maak vir enkel- band WPT toepassings in die 24 GHz ongelisensieerde band.
Die rektennas in topologieë C en D het meer komplekse ooreenstemmende netwerke. Volledig verspreide lynaanpassingsnetwerke is voorgestel vir breëbandpassing, met 'n RF-blok/GS-kortsluiting (deurlaatfilter) by die uitsetpoort of 'n GS-blokkerende kapasitor as 'n terugkeerpad vir diode-harmoniese. Die gelykrigter komponente kan vervang word deur gedrukte stroombaan (PCB) interdigitale kapasitors, wat gesintetiseer word met behulp van kommersiële elektroniese ontwerp outomatisering gereedskap. Ander gerapporteerde breëband-rektenna-pasnetwerke kombineer saamgevoegde elemente om by laer frekwensies te pas en verspreide elemente vir die skep van 'n RF-kortsluiting by die inset.
Die wisseling van die insetimpedansie wat deur die las deur 'n bron (bekend as die brontrektegniek) waargeneem word, is gebruik om 'n breëbandgelykrigter te ontwerp met 57% relatiewe bandwydte (1,25–2,25 GHz) en 10% hoër PCE in vergelyking met klonterige of verspreide stroombane . Alhoewel bypassende netwerke tipies ontwerp is om antennas oor die hele 50Ω-bandwydte te pas, is daar berigte in die literatuur waar breëbandantennas aan smalbandgelykrigters gekoppel is.
Hibriede klont-element- en verspreide-element-pasnetwerke is wyd gebruik in topologieë C en D, met serie-induktors en -kapasitors wat die mees gebruikte klontelemente is. Dit vermy komplekse strukture soos interdigitale kapasitors, wat meer akkurate modellering en vervaardiging vereis as standaard mikrostrooklyne.
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 kapasitiewe hoë impedansie by frekwensies onder 3 GHz is, is breëband-rektennas wat bypassende netwerke uitskakel of vereenvoudigde bypassende stroombane minimaliseer op frekwensies Prf>0 dBm en bo 1 GHz gefokus, aangesien die diodes lae kapasitiewe impedansie het en goed gepas kan word na die antenna, om sodoende die ontwerp van antennas met insetreaktansies >1 000Ω te vermy.
Aanpasbare of herkonfigureerbare impedansie-passing is gesien in CMOS-rektennas, waar die bypassende netwerk uit on-chip kapasitorbanke en induktors bestaan. Statiese CMOS-pasnetwerke 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 bypassende netwerke rig, afhangende van die beskikbare krag. 'n Herkonfigureerbare bypassende netwerk met behulp van klonterige verstelbare kapasitors is voorgestel, wat verstel word deur fyninstelling terwyl die insetimpedansie met behulp van 'n vektornetwerkontleder gemeet word. In herkonfigureerbare mikrostrookpasnetwerke is veldeffektransistorskakelaars gebruik om die bypassende stompe aan te pas om dubbelbandeienskappe te bereik.
Om meer te wete te kom oor antennas, besoek asseblief:
Postyd: Aug-09-2024
