1. Entwodiksyon
Rekòlte enèji radyofrekans (RF) (RFEH) ak transfè enèji san fil radyatif (WPT) te atire anpil enterè kòm metòd pou reyalize rezo san fil dirab san pil. Rectenna yo se fondasyon sistèm WPT ak RFEH yo epi yo gen yon enpak siyifikatif sou enèji DC ki delivre nan chaj la. Eleman antèn rectenna yo afekte dirèkteman efikasite rekòt la, ki ka varye enèji rekòlte a pa plizyè lòd mayitid. Atik sa a revize desen antèn yo itilize nan aplikasyon WPT ak RFEH anbyen. Rectenna yo rapòte yo klase dapre de kritè prensipal: Pleasant enpedans redresman antèn lan ak karakteristik radyasyon antèn lan. Pou chak kritè, yo detèmine figi merit (FoM) pou diferan aplikasyon yo epi yo revize li konparativman.
Tesla te pwopoze WPT nan kòmansman 20yèm syèk la kòm yon metòd pou transmèt plizyè milye puisans. Tèm rectenna a, ki dekri yon antèn konekte ak yon redresè pou kolekte puisans RF, te parèt nan ane 1950 yo pou aplikasyon transmisyon puisans mikwo ond espasyal ak pou alimenter dron otonòm yo. WPT omnidireksyonèl ak long distans limite pa pwopriyete fizik mwayen pwopagasyon an (lè). Se poutèt sa, WPT komèsyal la limite sitou a transfè puisans ki pa radyatif nan chan pre pou chaje elektwonik konsomatè san fil oswa RFID.
Kòm konsomasyon enèji aparèy semi-kondiktè yo ak nœuds detèktè san fil yo kontinye diminye, li vin pi posib pou bay nœuds detèktè yo enèji lè l sèvi avèk RFEH anbyen oswa lè l sèvi avèk transmetè omnidireksyonèl distribye ki gen ti pouvwa. Sistèm pouvwa san fil ki gen ultra-ti pouvwa anjeneral konsiste de yon front-end akizisyon RF, pouvwa DC ak jesyon memwa, ak yon mikwoprocesè ak yon transceiver ki gen ti pouvwa.
Figi 1 montre achitekti yon ne san fil RFEH ak aplikasyon front-end RF yo rapòte souvan. Efikasite bout-a-bout sistèm pouvwa san fil la ak achitekti rezo transfè enfòmasyon ak pouvwa san fil senkronize a depann de pèfòmans konpozan endividyèl yo, tankou antèn, redresè, ak sikui jesyon pouvwa. Plizyè sondaj literati te fèt pou diferan pati nan sistèm nan. Tablo 1 rezime etap konvèsyon pouvwa a, konpozan kle pou konvèsyon pouvwa efikas, ak sondaj literati ki gen rapò ak chak pati. Literati resan an konsantre sou teknoloji konvèsyon pouvwa, topoloji redresè, oswa RFEH ki konsyan de rezo.
Figi 1
Sepandan, konsepsyon antèn pa konsidere kòm yon eleman kritik nan RFEH. Malgre ke gen kèk literati ki konsidere Pleasant antèn ak efikasite li nan yon pèspektiv jeneral oswa nan yon pèspektiv konsepsyon antèn espesifik, tankou antèn miniaturize oswa antèn pòtab, enpak sèten paramèt antèn sou resepsyon pouvwa ak efikasite konvèsyon pa analize an detay.
Atik sa a revize teknik konsepsyon antèn nan rektann yo ak objektif pou distenge defi konsepsyon antèn espesifik RFEH ak WPT yo ak konsepsyon antèn kominikasyon estanda. Antèn yo konpare sou de pèspektiv: adaptasyon enpedans bout-a-bout ak karakteristik radyasyon; nan chak ka, yo idantifye epi revize FoM nan antèn dènye kri (SoA) yo.
2. Pleasant ak Matching: Rezo RF ki pa 50Ω
Enpedans karakteristik 50Ω la se yon konsiderasyon bonè nan konpwomi ant atenyasyon ak puisans nan aplikasyon jeni mikwo ond yo. Nan antèn yo, yo defini Pleasant enpedans lan kòm seri frekans kote puisans reflete a mwens pase 10% (S11< − 10 dB). Piske anplifikatè ki pa fè anpil bri (LNA), anplifikatè puisans, ak detektè yo tipikman fèt ak yon matche enpedans antre 50Ω, tradisyonèlman yo itilize yon sous 50Ω kòm referans.
Nan yon rektann, pwodiksyon antèn lan ale dirèkteman nan redresè a, epi nonlinearite dyòd la lakòz yon gwo varyasyon nan enpedans antre a, ak konpozan kapasitif la k ap domine. Si nou sipoze yon antèn 50Ω, prensipal defi a se pou konsepsyon yon rezo adaptasyon RF adisyonèl pou transfòme enpedans antre a an enpedans redresè a nan frekans enterè a epi optimize li pou yon nivo puisans espesifik. Nan ka sa a, yo bezwen yon Pleasant enpedans bout-a-bout pou asire yon konvèsyon RF an DC efikas. Se poutèt sa, byenke antèn yo ka reyalize Pleasant teyorikman enfini oswa ultra-laj lè yo itilize eleman peryodik oswa jeyometri oto-konplemantè, Pleasant rektann lan pral bloke pa rezo adaptasyon redresè a.
Yo pwopoze plizyè topoloji rektann pou reyalize rekòlt yon sèl bann ak plizyè bann oubyen WPT lè yo minimize refleksyon yo epi maksimize transfè puisans antèn lan ak redresè a. Figi 2 montre estrikti topoloji rektann yo rapòte yo, klase pa achitekti adaptasyon enpedans yo. Tablo 2 montre egzanp rektann pèfòmans segondè yo anrapò ak Pleasant bout-a-bout (nan ka sa a, FoM) pou chak kategori.
Figi 2 Topoloji Rectenna nan pèspektiv adaptasyon Pleasant ak enpedans. (a) Rektenna yon sèl bann ak antèn estanda. (b) Rektenna plizyè bann (ki konpoze de plizyè antèn ki konekte youn ak lòt) ak yon sèl redresè ak rezo adaptasyon pou chak bann. (c) Rektenna laj bann ak plizyè pò RF ak rezo adaptasyon separe pou chak bann. (d) Rektenna laj bann ak antèn laj bann ak rezo adaptasyon laj bann. (e) Rektenna yon sèl bann ki itilize yon antèn ki piti elektrikman epi ki konekte dirèkteman ak redresè a. (f) Antèn yon sèl bann, gwo elektrikman ak enpedans konplèks pou konjige ak redresè a. (g) Rektenna laj bann ak enpedans konplèks pou konjige ak redresè a sou yon seri frekans.
Malgre ke WPT ak RFEH anbyen ki soti nan yon alimantasyon dedye se aplikasyon diferan pou rektann, reyalize yon matche bout-a-bout ant antèn, redresè ak chaj la fondamantal pou reyalize yon efikasite konvèsyon pouvwa (PCE) ki wo nan yon pèspektiv Pleasant. Sepandan, rektann WPT yo konsantre plis sou reyalize yon matche faktè ki pi wo kalite (pi ba S11) pou amelyore PCE yon sèl bann nan sèten nivo pouvwa (topoloji a, e ak f). Laj Pleasant WPT yon sèl bann lan amelyore iminite sistèm nan kont dezakòd, domaj fabrikasyon ak parazit anbalaj. Nan lòt men an, rektann RFEH yo bay priyorite a operasyon milti-band epi yo fè pati topoloji bd ak g, paske dansite espektral pouvwa (PSD) yon sèl bann jeneralman pi ba.
3. Konsepsyon antèn rektangilè
1. Rektann yon sèl frekans
Desen antèn rektann yon sèl frekans (topoloji A) a baze sitou sou yon konsepsyon antèn estanda, tankou polarizasyon lineyè (LP) oswa polarizasyon sikilè (CP) ki gaye sou plan tè a, antèn dipol ak antèn F envèse. Rektann bann diferansyèl la baze sou yon seri konbinezon DC ki configuré ak plizyè inite antèn oswa yon konbinezon melanje DC ak RF ki gen plizyè inite patch.
Piske anpil nan antèn yo pwopoze yo se antèn yon sèl frekans epi yo satisfè egzijans WPT yon sèl frekans, lè w ap chèche RFEH milti-frekans anviwònman an, plizyè antèn yon sèl frekans yo konbine an rektann milti-band (topoloji B) ak sipresyon kouplaj mityèl ak konbinezon DC endepandan apre sikwi jesyon pouvwa a pou izole yo nèt de sikwi akizisyon ak konvèsyon RF la. Sa mande plizyè sikwi jesyon pouvwa pou chak band, sa ki ka diminye efikasite konvètisè boost la paske pouvwa DC yon sèl band ba.
2. Antèn RFEH milti-band ak bande laj
RFEH anviwònman an souvan asosye avèk akizisyon milti-band; kidonk, yo te pwopoze yon varyete teknik pou amelyore Pleasant desen antèn estanda yo ak metòd pou fòme seri antèn doub-band oswa band. Nan seksyon sa a, nou revize desen antèn koutim pou RFEH yo, ansanm ak antèn milti-band klasik ki gen potansyèl pou yo itilize kòm rektann.
Antèn monopole gid vag koplanè (CPW) yo okipe mwens zòn pase antèn patch mikwostrip nan menm frekans lan epi yo pwodui vag LP oswa CP, epi yo souvan itilize pou rektan anviwònman bande laj. Plan refleksyon yo itilize pou ogmante izolasyon ak amelyore genyen, sa ki lakòz modèl radyasyon menm jan ak antèn patch yo. Antèn gid vag koplanè ak fant yo itilize pou amelyore Pleasant enpedans pou plizyè bann frekans, tankou 1.8–2.7 GHz oswa 1–3 GHz. Antèn fant ak manje makonnen ak antèn patch yo souvan itilize tou nan konsepsyon rektan milti-band. Figi 3 montre kèk antèn milti-band rapòte ki itilize plis pase yon teknik amelyorasyon Pleasant.
Figi 3
Antèn-Redifikatè Enpedans Matching
Li difisil pou konekte yon antèn 50Ω ak yon redresè non lineyè paske enpedans antre li varye anpil avèk frekans lan. Nan topoloji A ak B (Figi 2), rezo adaptasyon komen an se yon adaptasyon LC ki itilize eleman gwoupe; sepandan, Pleasant relatif la anjeneral pi ba pase pifò bann kominikasyon yo. Adaptasyon stub yon sèl bann souvan itilize nan bann mikwo ond ak ond milimèt anba 6 GHz, epi redresè ond milimèt yo rapòte yo gen yon Pleasant natirèlman etwat paske Pleasant PCE yo gen yon blokaj akòz sipresyon amonik pwodiksyon an, sa ki fè yo patikilyèman apwopriye pou aplikasyon WPT yon sèl bann nan bann san lisans 24 GHz la.
Rektansè nan topoloji C ak D yo gen rezo matche ki pi konplèks. Yo te pwopoze rezo matche liy konplètman distribye pou matche bande laj, ak yon blòk RF/kous sikwi DC (filtè pasaj) nan pò pwodiksyon an oswa yon kondansateur blokaj DC kòm yon chemen retou pou amonik dyòd yo. Konpozan redresè yo ka ranplase pa kondansateur entèdijite sou tablo sikwi enprime (PCB), ki sentetize lè l sèvi avèk zouti automatisation konsepsyon elektwonik komèsyal yo. Gen lòt rezo matche rektansè bande laj ki rapòte ki konbine eleman gwoupe pou matche ak frekans ki pi ba yo ak eleman distribye pou kreye yon kous sikwi RF nan antre a.
Yo te itilize varyasyon enpedans antre chaj la obsève atravè yon sous (ke yo rele teknik sous-rale a) pou konsepsyon yon redresè bande laj ak 57% Pleasant relatif (1.25–2.25 GHz) ak 10% pi wo PCE konpare ak sikui gwoupe oswa distribye. Malgre ke rezo adaptasyon yo tipikman fèt pou matche antèn sou tout Pleasant 50Ω la, gen rapò nan literati a kote antèn bande laj yo te konekte ak redresè bande etwat.
Rezo ibrid eleman gwoupe ak eleman distribye yo te lajman itilize nan topoloji C ak D, ak enduktè seri ak kondansateur kòm eleman gwoupe ki pi souvan itilize yo. Sa yo evite estrikti konplèks tankou kondansateur entèdijite, ki mande yon modèl ak yon fabrikasyon ki pi egzak pase liy mikrostrip estanda yo.
Puisans antre nan redresè a afekte enpedans antre a akòz non-linearite dyòd la. Se poutèt sa, rektann lan fèt pou maksimize PCE a pou yon nivo puisans antre ak enpedans chaj espesifik. Piske dyòd yo se prensipalman kapasitif ak gwo enpedans nan frekans ki anba 3 GHz, rektann bande laj ki elimine rezo matche oswa minimize sikui matche senplifye yo te konsantre sou frekans Prf>0 dBm ak pi wo pase 1 GHz, piske dyòd yo gen yon enpedans kapasitif ki ba epi yo ka byen matche ak antèn lan, kidonk evite konsepsyon antèn ak reyaktans antre >1,000Ω.
Yo te wè adaptasyon enpedans adaptif oswa rekonfigurab nan redresè CMOS yo, kote rezo adaptasyon an konsiste de bank kondansateur ak enduktè sou chip. Yo te pwopoze tou rezo adaptasyon CMOS estatik pou antèn 50Ω estanda ansanm ak antèn bouk ko-konsepsyone. Yo rapòte ke detektè pouvwa CMOS pasif yo itilize pou kontwole switch ki dirije pwodiksyon antèn lan nan diferan redresè ak rezo adaptasyon selon pouvwa ki disponib la. Yo te pwopoze yon rezo adaptasyon rekonfigurab lè l sèvi avèk kondansateur reglabl gwoupe, ki ajiste pa ajisteman presi pandan y ap mezire enpedans antre a lè l sèvi avèk yon analizè rezo vektè. Nan rezo adaptasyon mikrostrip rekonfigurab, yo te itilize switch tranzistò efè chan pou ajiste stubs adaptasyon yo pou reyalize karakteristik doub-band.
Pou aprann plis bagay sou antèn yo, tanpri vizite:
Dat piblikasyon: 9 Out 2024
