1.Hyrje
Marrja e energjisë së radiofrekuencës (RF) (RFEH) dhe transferimi i energjisë pa tel rrezatuese (WPT) kanë tërhequr interes të madh si metoda për të arritur rrjete pa tel të qëndrueshme pa bateri. Rektenat janë gurthemeli i sistemeve WPT dhe RFEH dhe kanë një ndikim të rëndësishëm në fuqinë DC të dorëzuar në ngarkesë. Elementet e antenës së rectenës ndikojnë drejtpërdrejt në efikasitetin e vjeljes, e cila mund të ndryshojë fuqinë e korrur me disa renditje të madhësisë. Ky dokument shqyrton dizajnet e antenave të përdorura në aplikacionet WPT dhe RFEH të ambientit. Rektenat e raportuara klasifikohen sipas dy kritereve kryesore: gjerësia e brezit të impedancës korrigjuese të antenës dhe karakteristikat e rrezatimit të antenës. Për secilin kriter përcaktohet dhe shqyrtohet në mënyrë krahasuese shifra e meritës (FoM) për aplikime të ndryshme.
WPT u propozua nga Tesla në fillim të shekullit të 20-të si një metodë për të transmetuar mijëra kuaj fuqi. Termi rectenna, i cili përshkruan një antenë të lidhur me një ndreqës për të marrë fuqinë RF, u shfaq në vitet 1950 për aplikimet e transmetimit të energjisë me mikrovalë hapësinore dhe për të fuqizuar dronët autonome. WPT gjithëdrejtuese, me rreze të gjatë, kufizohet nga vetitë fizike të mediumit të përhapjes (ajrit). Prandaj, WPT komerciale kufizohet kryesisht në transferimin e fuqisë jo-rrezatuese në fushë të afërt për karikimin e elektronikës së konsumit pa tel ose RFID.
Ndërsa konsumi i energjisë i pajisjeve gjysmëpërçuese dhe nyjeve të sensorëve me valë vazhdon të ulet, bëhet më e realizueshme për të fuqizuar nyjet e sensorëve duke përdorur RFEH të ambientit ose duke përdorur transmetues të shpërndarë gjithëdrejtues me fuqi të ulët. Sistemet e energjisë pa tela me fuqi jashtëzakonisht të ulët zakonisht përbëhen nga një pjesë e përparme e përvetësimit RF, menaxhimi i energjisë DC dhe i kujtesës, dhe një mikroprocesor dhe marrës me fuqi të ulët.
Figura 1 tregon arkitekturën e një nyje pa tel RFEH dhe implementimet e zakonshme të raportuara në pjesën e përparme RF. Efikasiteti nga skaji në fund i sistemit të energjisë me valë dhe arkitektura e rrjetit të sinkronizuar të informacionit me valë dhe transferimit të energjisë varet nga performanca e komponentëve individualë, si antenat, ndreqësit dhe qarqet e menaxhimit të energjisë. Janë kryer disa sondazhe të literaturës për pjesë të ndryshme të sistemit. Tabela 1 përmbledh fazën e konvertimit të fuqisë, komponentët kryesorë për konvertimin efikas të fuqisë dhe anketat e literaturës përkatëse për secilën pjesë. Literatura e fundit fokusohet në teknologjinë e konvertimit të fuqisë, topologjitë e ndreqësve ose RFEH të vetëdijshëm për rrjetin.
Figura 1
Megjithatë, dizajni i antenës nuk konsiderohet si një komponent kritik në RFEH. Edhe pse disa literaturë e konsiderojnë gjerësinë e brezit të antenës dhe efikasitetin nga një këndvështrim i përgjithshëm ose nga një perspektivë specifike e dizajnit të antenës, të tilla si antenat e miniaturës ose të veshjes, ndikimi i disa parametrave të antenës në marrjen e energjisë dhe efikasitetin e konvertimit nuk është analizuar në detaje.
Ky punim shqyrton teknikat e projektimit të antenave në rectenat me synimin për të dalluar sfidat specifike të projektimit të antenave RFEH dhe WPT nga dizajni standard i antenës së komunikimit. Antenat krahasohen nga dy këndvështrime: përputhja e rezistencës nga skaji në skaj dhe karakteristikat e rrezatimit; në çdo rast, FM identifikohet dhe rishikohet në antenat më të fundit (SoA).
2. Gjerësia e brezit dhe përputhja: Rrjetet RF jo-50Ω
Impedanca karakteristike prej 50Ω është një konsideratë e hershme e kompromisit midis dobësimit dhe fuqisë në aplikimet e inxhinierisë me mikrovalë. Në antenat, gjerësia e brezit të rezistencës përcaktohet si diapazoni i frekuencës ku fuqia e reflektuar është më pak se 10% (S11< - 10 dB). Meqenëse amplifikatorët me zhurmë të ulët (LNA), amplifikatorët e fuqisë dhe detektorët janë të dizajnuar zakonisht me një përputhje të rezistencës së hyrjes 50Ω, tradicionalisht referohet një burim 50Ω.
Në një rektenë, dalja e antenës futet drejtpërdrejt në ndreqës, dhe jolineariteti i diodës shkakton një ndryshim të madh në rezistencën e hyrjes, me komponentin kapacitiv që dominon. Duke supozuar një antenë 50Ω, sfida kryesore është të dizenjoni një rrjet shtesë përputhjeje RF për të transformuar rezistencën e hyrjes në rezistencën e rezistencës së ndreqësit në frekuencën e interesit dhe për ta optimizuar atë për një nivel specifik të fuqisë. Në këtë rast, gjerësia e brezit të impedancës nga skaji në skaj kërkohet për të siguruar konvertim efikas RF në DC. Prandaj, megjithëse antenat mund të arrijnë teorikisht një gjerësi brezi të pafund ose ultra të gjerë duke përdorur elementë periodikë ose gjeometri vetë-plotësuese, gjerësia e brezit të rektenës do të bllokohet nga rrjeti i përputhjes së ndreqësit.
Janë propozuar disa topologji rektene për të arritur korrjen me një brez dhe me shumë breza ose WPT duke minimizuar reflektimet dhe duke maksimizuar transferimin e fuqisë midis antenës dhe ndreqësit. Figura 2 tregon strukturat e topologjive rectenna të raportuara, të kategorizuara sipas arkitekturës së tyre të përputhjes së rezistencës. Tabela 2 tregon shembuj të rektenave me performancë të lartë në lidhje me gjerësinë e brezit nga skaji në fund (në këtë rast, FoM) për secilën kategori.
Figura 2 Topologjitë Rectenna nga këndvështrimi i përputhjes së gjerësisë së brezit dhe rezistencës. (a) Rektena me një brez me antenë standarde. (b) Rektena me shumë breza (e përbërë nga antena të shumta të ndërlidhura) me një ndreqës dhe rrjet të përshtatshëm për brez. (c) Rektena me brez të gjerë me porte të shumta RF dhe rrjete të veçanta përputhëse për çdo brez. (d) Rektena me brez të gjerë me antenë me brez të gjerë dhe rrjet të përputhjes me brez të gjerë. (e) Rektena me një brez që përdor një antenë elektrike të vogël që përputhet drejtpërdrejt me ndreqësin. (f) Antenë me një brez, elektrikisht e madhe me rezistencë komplekse për t'u bashkuar me ndreqësin. (g) Rektena me brez të gjerë me rezistencë komplekse për t'u bashkuar me ndreqësin në një sërë frekuencash.
Ndërsa WPT dhe RFEH e ambientit nga furnizimi i dedikuar janë aplikacione të ndryshme të rectenës, arritja e përputhjes nga skaji në fund midis antenës, ndreqësit dhe ngarkesës është thelbësore për të arritur efikasitet të lartë të konvertimit të fuqisë (PCE) nga këndvështrimi i gjerësisë së brezit. Sidoqoftë, rectenat WPT fokusohen më shumë në arritjen e përputhjes së faktorëve të cilësisë më të lartë (S11 më i ulët) për të përmirësuar PCE me një brez në nivele të caktuara fuqie (topologjitë a, e dhe f). Gjerësia e gjerë e brezit të WPT me një brez të vetëm përmirëson imunitetin e sistemit ndaj detonifikimit, defekteve të prodhimit dhe parazitëve të paketimit. Nga ana tjetër, rectenat RFEH i japin përparësi funksionimit me shumë breza dhe i përkasin topologjive bd dhe g, pasi densiteti spektral i fuqisë (PSD) i një brezi të vetëm është përgjithësisht më i ulët.
3. Dizajni i antenës drejtkëndore
1. Rektena me një frekuencë
Dizajni i antenës së rektenës me një frekuencë të vetme (topologjia A) bazohet kryesisht në dizajnin standard të antenës, si p.sh. polarizimi linear (LP) ose polarizimi rrethor (CP) që rrezaton copëzën në rrafshin e tokës, antenën dipole dhe antenën F të përmbysur. Rektena e brezit diferencial bazohet në grup kombinimi DC të konfiguruar me njësi të shumta antenash ose kombinim të përzier DC dhe RF të njësive të shumta patch.
Meqenëse shumë nga antenat e propozuara janë antena me një frekuencë dhe plotësojnë kërkesat e WPT me një frekuencë, kur kërkohet RFEH mjedisore me shumë frekuencë, antenat e shumta me një frekuencë kombinohen në rectenat me shumë breza (topologjia B) me shtypjen e ndërsjellë të bashkimit dhe kombinim i pavarur DC pas qarkut të menaxhimit të energjisë për t'i izoluar plotësisht ato nga qarku i marrjes dhe konvertimit RF. Kjo kërkon qarqe të shumta të menaxhimit të energjisë për çdo brez, gjë që mund të zvogëlojë efikasitetin e konvertuesit të rritjes sepse fuqia DC e një brezi të vetëm është e ulët.
2. Antenat RFEH me shumë breza dhe me brez të gjerë
RFEH mjedisore shpesh shoqërohet me blerjen me shumë breza; prandaj, janë propozuar një sërë teknikash për përmirësimin e gjerësisë së brezit të modeleve standarde të antenave dhe metodave për formimin e grupeve të antenave me bandë të dyfishtë ose me brez. Në këtë seksion, ne shqyrtojmë dizajnet e personalizuara të antenave për RFEH, si dhe antenat klasike me shumë breza me potencialin për t'u përdorur si rectena.
Antenat monopole me anë të valëve koplanare (CPW) zënë më pak sipërfaqe se antenat patch me mikrostrip në të njëjtën frekuencë dhe prodhojnë valë LP ose CP, dhe shpesh përdoren për rectenat mjedisore me brez të gjerë. Planet e reflektimit përdoren për të rritur izolimin dhe për të përmirësuar fitimin, duke rezultuar në modele të rrezatimit të ngjashme me antenat patch. Antenat përcjellëse valësh koplanare me çarje përdoren për të përmirësuar gjerësinë e brezit të rezistencës për brezat e shumëfishtë të frekuencave, të tilla si 1,8–2,7 GHz ose 1–3 GHz. Antenat me slot me furnizim të çiftuar dhe antenat patch përdoren gjithashtu zakonisht në dizajnet e rectenave me shumë breza. Figura 3 tregon disa antena të raportuara me shumë breza që përdorin më shumë se një teknikë të përmirësimit të gjerësisë së brezit.
Figura 3
Përputhja e rezistencës së rezistencës antenë-ndreqës
Përputhja e një antene 50Ω me një ndreqës jolinear është sfiduese sepse impedanca e saj hyrëse ndryshon shumë me frekuencën. Në topologjitë A dhe B (Figura 2), rrjeti i zakonshëm i përputhjes është një përputhje LC duke përdorur elementë të grumbulluar; megjithatë, gjerësia relative e brezit është zakonisht më e ulët se shumica e brezave të komunikimit. Përputhja e cungëve me një brez përdoret zakonisht në brezat e valëve me mikrovalë dhe milimetër nën 6 GHz, dhe rectenat e raportuara me valë milimetër kanë një gjerësi bande thelbësisht të ngushtë, sepse gjerësia e brezit të tyre PCE është ngushtuar nga shtypja harmonike e daljes, gjë që i bën ato veçanërisht të përshtatshme për një aplikimet e brezit WPT në brezin e palicensuar 24 GHz.
Rektenat në topologjitë C dhe D kanë rrjete më komplekse të përputhjes. Rrjetet e përputhjes së linjës plotësisht të shpërndarë janë propozuar për përputhjen me brez të gjerë, me një bllok të shkurtër RF/DC (filtër kalimi) në portën e daljes ose një kondensator bllokues DC si një rrugë kthimi për harmonikat e diodës. Komponentët e ndreqësit mund të zëvendësohen me kondensatorë të ndërlidhur me bordin e qarkut të printuar (PCB), të cilët sintetizohen duke përdorur mjete komerciale të automatizimit të dizajnit elektronik. Rrjetet e tjera të raportuara të përputhjes së rectennës me brez të gjerë kombinojnë elementë të grumbulluar për t'u përshtatur me frekuencat më të ulëta dhe elementë të shpërndarë për të krijuar një short RF në hyrje.
Ndryshimi i impedancës hyrëse të vëzhguar nga ngarkesa përmes një burimi (e njohur si teknika e tërheqjes së burimit) është përdorur për të projektuar një ndreqës me brez të gjerë me 57% gjerësi brezi relative (1,25-2,25 GHz) dhe 10% PCE më të lartë në krahasim me qarqet e grumbulluara ose të shpërndara . Megjithëse rrjetet që përputhen zakonisht janë të dizajnuara për të përputhur antenat në të gjithë gjerësinë e brezit 50Ω, ka raporte në literaturë ku antenat me brez të gjerë janë lidhur me ndreqës me brez të ngushtë.
Rrjetet hibride të përputhjes së elementeve të grumbulluara dhe të elementeve të shpërndarë janë përdorur gjerësisht në topologjitë C dhe D, me induktorët dhe kondensatorët e serisë që janë elementët më të përdorur të grumbulluar. Këto shmangin strukturat komplekse siç janë kondensatorët e ndërlidhur, të cilët kërkojnë modelim dhe fabrikim më të saktë se linjat standarde të mikrostripeve.
Fuqia hyrëse në ndreqës ndikon në impedancën e hyrjes për shkak të jolinearitetit të diodës. Prandaj, rectenna është projektuar për të maksimizuar PCE për një nivel specifik të fuqisë hyrëse dhe rezistencë të ngarkesës. Meqenëse diodat janë kryesisht me rezistencë të lartë kapacitore në frekuenca nën 3 GHz, rectenat me brez të gjerë që eliminojnë rrjetet e përputhshme ose minimizojnë qarqet e thjeshtuara të përputhjes janë fokusuar në frekuencat Prf>0 dBm dhe mbi 1 GHz, pasi diodat kanë rezistencë të ulët kapacitiv dhe mund të përputhen mirë. ndaj antenës, duke shmangur kështu projektimin e antenave me reaktansë hyrëse >1000Ω.
Përputhja adaptive ose e rikonfigurueshme e rezistencës së rezistencës është parë në rectenat CMOS, ku rrjeti i përputhjes përbëhet nga banka dhe induktorë të kondensatorëve në çip. Rrjetet statike të përputhjes CMOS janë propozuar gjithashtu për antenat standarde 50Ω, si dhe për antenat me unazë të bashkë-projektuara. Është raportuar se detektorë pasivë të fuqisë CMOS përdoren për të kontrolluar çelsat që drejtojnë daljen e antenës në ndreqës të ndryshëm dhe rrjete që përputhen në varësi të fuqisë së disponueshme. Është propozuar një rrjet përshtatës i rikonfigurueshëm duke përdorur kondensatorë të sintonizueshëm të grumbulluar, i cili akordohet duke akorduar mirë ndërsa matet impedanca e hyrjes duke përdorur një analizues të rrjetit vektor. Në rrjetet e rikonfigurueshme të përputhjes së mikrostripeve, çelsat e transistorit me efekt në terren janë përdorur për të rregulluar cungët që përputhen për të arritur karakteristikat me bandë të dyfishtë.
Për të mësuar më shumë rreth antenave, ju lutemi vizitoni:
Koha e postimit: Gusht-09-2024
