1. Hyrje
Mbledhja e energjisë nga frekuenca radio (RF) (RFEH) dhe transferimi i energjisë pa tel rrezatues (WPT) kanë tërhequr interes të madh si metoda për të arritur rrjete pa tel të qëndrueshme pa bateri. Rektena-t janë gurthemeli i sistemeve WPT dhe RFEH dhe kanë një ndikim të rëndësishëm në energjinë DC të dërguar në ngarkesë. Elementet e antenës së rektenës ndikojnë drejtpërdrejt në efikasitetin e mbledhjes, i cili mund të ndryshojë energjinë e mbledhur me disa rend madhësie. Ky punim shqyrton modelet e antenave të përdorura në aplikacionet WPT dhe RFEH të ambientit. Rektena-t e raportuara klasifikohen sipas dy kritereve kryesore: brezi i impedancës korrigjuese të antenës dhe karakteristikat e rrezatimit të antenës. Për secilin kriter, shifra e meritës (FoM) për aplikacione të ndryshme përcaktohet dhe shqyrtohet në mënyrë krahasuese.
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 mbledhur energji RF, u shfaq në vitet 1950 për aplikimet e transmetimit të energjisë me mikrovalë në hapësirë dhe për të furnizuar me energji dronë autonomë. WPT omnidirekcionale dhe me rreze të gjatë veprimi është e kufizuar nga vetitë fizike të mediumit të përhapjes (ajrit). Prandaj, WPT komerciale është kryesisht e kufizuar në transferimin e energjisë jo-rrezatuese në fushë të afërt për karikimin pa tel të elektronikës së konsumatorit ose RFID.
Ndërsa konsumi i energjisë i pajisjeve gjysmëpërçuese dhe nyjeve sensorike pa tel vazhdon të ulet, bëhet më e realizueshme të furnizohen me energji nyjet sensorike duke përdorur RFEH ambienti ose duke përdorur transmetues omnidirektivë të shpërndarë me fuqi të ulët. Sistemet e energjisë pa tel me fuqi ultra të ulët zakonisht përbëhen nga një front marrjeje RF, menaxhim i energjisë dhe memories DC, dhe një mikroprocesor dhe marrës-transmetues me fuqi të ulët.
Figura 1 tregon arkitekturën e një nyjeje pa tel RFEH dhe implementimet front-end RF të raportuara zakonisht. Efikasiteti nga fillimi në fund i sistemit të energjisë pa tel dhe arkitektura e rrjetit të sinkronizuar të informacionit pa tel dhe transferimit të energjisë varet nga performanca e komponentëve individualë, siç janë antenat, ndreqësit dhe qarqet e menaxhimit të energjisë. Janë kryer disa studime të literaturës për pjesë të ndryshme të sistemit. Tabela 1 përmbledh fazën e konvertimit të energjisë, komponentët kryesorë për konvertim efikas të energjisë dhe studime të literaturës përkatëse për secilën pjesë. Literatura e fundit përqendrohet në teknologjinë e konvertimit të energjisë, topologjitë e ndreqësve ose RFEH të ndërgjegjshëm për rrjetin.
Figura 1
Megjithatë, projektimi i antenës nuk konsiderohet si një komponent kritik në RFEH. Edhe pse disa literaturë e konsiderojnë gjerësinë e brezit dhe efikasitetin e antenës nga një perspektivë e përgjithshme ose nga një perspektivë specifike e projektimit të antenës, siç janë antenat e miniaturizuara ose të veshshme, ndikimi i disa parametrave të antenës në marrjen e energjisë dhe efikasitetin e konvertimit nuk analizohet në detaje.
Ky punim shqyrton teknikat e projektimit të antenave në rectenna me qëllim dallimin e sfidave specifike të projektimit të antenave RFEH dhe WPT nga projektimi standard i antenave të komunikimit. Antenat krahasohen nga dy perspektiva: përputhja e impedancës skaj-në-skaj dhe karakteristikat e rrezatimit; në secilin rast, FoM 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 së mikrovalëve. Në antena, gjerësia e brezit të impedancës përcaktohet si diapazoni i frekuencave ku fuqia e reflektuar është më pak se 10% (S11< − 10 dB). Meqenëse amplifikatorët me zhurmë të ulët (LNA), amplifikatorët e fuqisë dhe detektorët zakonisht projektohen me një përputhje impedance hyrëse prej 50Ω, një burim 50Ω referohet tradicionalisht.
Në një rektena, dalja e antenës futet direkt në ndreqës, dhe jolineariteti i diodës shkakton një ndryshim të madh në impedancën hyrëse, ku komponenti kapacitiv dominon. Duke supozuar një antenë 50Ω, sfida kryesore është të projektohet një rrjet shtesë përputhjeje RF për të transformuar impedancën hyrëse në impedancën e ndreqësit në frekuencën e interesit dhe për ta optimizuar atë për një nivel specifik të fuqisë. Në këtë rast, kërkohet një brez i gjerë i impedancës nga fillimi në fund për të siguruar konvertim efikas nga RF në DC. Prandaj, megjithëse antenat mund të arrijnë një brez të gjerë teorikisht të pafund ose ultra të gjerë duke përdorur elementë periodikë ose gjeometri vetë-plotësuese, brezi i gjerë i rektenës do të jetë i bllokuar nga rrjeti i përputhjes së ndreqësit.
Janë propozuar disa topologji rectenna për të arritur mbledhjen me një bandë dhe shumë bandë ose WPT duke minimizuar reflektimet dhe duke maksimizuar transferimin e energjisë midis antenës dhe ndreqësit. Figura 2 tregon strukturat e topologjive të rectenna-ve të raportuara, të kategorizuara sipas arkitekturës së tyre të përputhjes së impedancës. Tabela 2 tregon shembuj të rectenna-ve me performancë të lartë në lidhje me gjerësinë e brezit nga fillimi në fund (në këtë rast, FoM) për secilën kategori.
Figura 2 Topologjitë e rektenës nga perspektiva e përputhjes së gjerësisë së brezit dhe impedancës. (a) Rektenë me një bandë të vetme me antenë standarde. (b) Rektenë shumëbandëshe (e përbërë nga antena të shumëfishta të lidhura reciprokisht) me një ndreqës dhe rrjet përputhës për çdo bandë. (c) Rektenë me brez të gjerë me porta të shumëfishta RF dhe rrjete të veçanta përputhëse për secilën bandë. (d) Rektenë me brez të gjerë me antenë me brez të gjerë dhe rrjet përputhës me brez të gjerë. (e) Rektenë me një bandë të vetme që përdor antenë të vogël elektrikisht të përputhur direkt me ndreqësin. (f) Antenë me një bandë të vetme, elektrikisht e madhe me impedancë komplekse për t'u konjuguar me ndreqësin. (g) Rektenë me brez të gjerë me impedancë komplekse për t'u konjuguar me ndreqësin në një gamë frekuencash.
Ndërsa WPT dhe RFEH ambienti nga ushqimi i dedikuar janë aplikime të ndryshme të rectenës, arritja e përputhjes fund-në-fund midis antenës, ndreqësit dhe ngarkesës është thelbësore për të arritur efikasitet të lartë të konvertimit të fuqisë (PCE) nga një perspektivë e gjerësisë së brezit. Megjithatë, rectenat WPT përqendrohen më shumë në arritjen e përputhjes së faktorit të cilësisë më të lartë (S11 më i ulët) për të përmirësuar PCE me një brez në nivele të caktuara të fuqisë (topologjitë a, e dhe f). Gjerësia e gjerë e brezit të WPT me një brez përmirëson imunitetin e sistemit ndaj çakordimit, 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 dendësia spektrale e fuqisë (PSD) e një brezi të vetëm është përgjithësisht më e ulët.
3. Dizajni i antenës drejtkëndëshe
1. Rectenna me një frekuencë të vetme
Projektimi i antenës së rektenës me një frekuencë të vetme (topologjia A) bazohet kryesisht në projektimin standard të antenës, siç është polarizimi linear (LP) ose polarizimi rrethor (CP) që rrezaton copëzën në planin e tokëzimit, antena dipolare dhe antena F e përmbysur. Rektena me bandë diferenciale bazohet në një varg kombinimi DC të konfiguruar me njësi të shumëfishta antenash ose kombinim të përzier DC dhe RF të njësive të shumëfishta të copëzave.
Meqenëse shumë nga antenat e propozuara janë antena me një frekuencë dhe plotësojnë kërkesat e WPT me një frekuencë, kur kërkohet RFEH me shumë frekuenca mjedisore, antena të shumëfishta me një frekuencë kombinohen në rektena me shumë banda (topologjia B) me shtypje të çiftëzimit të ndërsjellë dhe kombinim të 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 shumëfishta të menaxhimit të energjisë për secilën bandë, gjë që mund të zvogëlojë efikasitetin e konvertuesit të fuqisë sepse fuqia DC e një bande të vetme është e ulët.
2. Antena RFEH me shumë banda dhe brez të gjerë
RFEH mjedisor shpesh shoqërohet me përvetësimin me shumë banda; prandaj, janë propozuar një sërë teknikash për përmirësimin e gjerësisë së brezit të dizenjove standarde të antenave dhe metodave për formimin e vargjeve të antenave me dy banda ose banda. Në këtë seksion, ne shqyrtojmë dizenjot e antenave të personalizuara për RFEH, si dhe antenat klasike me shumë banda me potencialin për t'u përdorur si rektena.
Antenat monopole me valëudhëzues koplanar (CPW) zënë më pak sipërfaqe sesa antenat me mikrostrip në të njëjtën frekuencë dhe prodhojnë valë LP ose CP, dhe shpesh përdoren për rektena mjedisore me brez të gjerë. Planet reflektues përdoren për të rritur izolimin dhe për të përmirësuar fitimin, duke rezultuar në modele rrezatimi të ngjashme me antenat me strip. Antenat me valëudhëzues koplanar me slote përdoren për të përmirësuar gjerësitë e brezave të impedancës për breza të shumëfishtë frekuencash, të tilla si 1.8–2.7 GHz ose 1–3 GHz. Antenat me slote të lidhura me ushqim dhe antenat me strip përdoren gjithashtu zakonisht në dizajnet e rektenave me shumë breza. Figura 3 tregon disa antena shumëbandëshe të raportuara që përdorin më shumë se një teknikë përmirësimi të gjerësisë së brezit.
Figura 3
Përputhja e Impedancës së Antenës dhe Ndreqësit
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 e brezit relativ është zakonisht më e ulët se shumica e brezave të komunikimit. Përputhja e pjesëve me një brez përdoret zakonisht në brezat me mikrovalë dhe valë milimetrike nën 6 GHz, dhe rektenat me valë milimetrike të raportuara kanë një gjerësi brezi të ngushtë në vetvete sepse gjerësia e brezit të tyre PCE është e bllokuar nga shtypja e harmonikave të daljes, gjë që i bën ato veçanërisht të përshtatshme për aplikacionet WPT me një brez të vetëm në brezin e palicencuar 24 GHz.
Rektena-t në topologjitë C dhe D kanë rrjete përputhjeje më komplekse. Rrjetet e përputhjes së linjave të shpërndara plotësisht janë propozuar për përputhjen me brez të gjerë, me një qark të shkurtër bllok 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 nga kondensatorë të ndërlidhur të qarkut të shtypur (PCB), të cilët sintetizohen duke përdorur mjete komerciale të automatizimit të projektimit elektronik. Rrjete të tjera të raportuara të përputhjes së rektena-ve me brez të gjerë kombinojnë elementë të grumbulluar për përputhjen me frekuencat më të ulëta dhe elementë të shpërndarë për krijimin e një lidhjeje të shkurtër 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 broadband me 57% gjerësi bande relative (1.25–2.25 GHz) dhe 10% PCE më të lartë krahasuar me qarqet e grumbulluara ose të shpërndara. Megjithëse rrjetet e përputhjes zakonisht projektohen për të përputhur antenat në të gjithë gjerësinë e bandës 50Ω, ka raporte në literaturë ku antenat broadband janë lidhur me ndreqës me brez të ngushtë.
Rrjetet hibride të përputhjes së elementeve të grumbulluara dhe të shpërndara janë përdorur gjerësisht në topologjitë C dhe D, me induktorët dhe kondensatorët në seri që janë elementët e grumbulluar më të përdorur. Këto shmangin strukturat komplekse siç janë kondensatorët e ndërthurur, të cilët kërkojnë modelim dhe prodhim më të saktë sesa linjat standarde të mikrostripave.
Fuqia hyrëse në ndreqës ndikon në impedancën hyrëse për shkak të jolinearitetit të diodës. Prandaj, rektena është projektuar për të maksimizuar PCE-në për një nivel specifik të fuqisë hyrëse dhe impedancë ngarkese. Meqenëse diodat janë kryesisht impedancë të lartë kapacitive në frekuencat nën 3 GHz, rektenat me brez të gjerë që eliminojnë rrjetet e përputhjes ose minimizojnë qarqet e thjeshtuara të përputhjes janë përqendruar në frekuencat Prf>0 dBm dhe mbi 1 GHz, pasi diodat kanë impedancë të ulët kapacitive dhe mund të përputhen mirë me antenën, duke shmangur kështu projektimin e antenave me reaktansa hyrëse >1,000Ω.
Përputhja adaptive ose e rikonfigurueshme e impedancës është parë në rektenat CMOS, ku rrjeti i përputhjes përbëhet nga banka kondensatorësh dhe induktorë në çip. Rrjetet statike të përputhjes CMOS janë propozuar gjithashtu për antenat standarde 50Ω, si dhe për antenat me lak të projektuara bashkërisht. Është raportuar se detektorët pasivë të fuqisë CMOS përdoren për të kontrolluar çelësat që drejtojnë daljen e antenës në ndreqës të ndryshëm dhe rrjete përputhjeje në varësi të fuqisë së disponueshme. Është propozuar një rrjet përputhjeje i rikonfigurueshëm duke përdorur kondensatorë të akordueshëm të grumbulluar, i cili akordohet me anë të akordimit të imët ndërsa matet impedanca e hyrjes duke përdorur një analizues të rrjetit vektorial. Në rrjetet e rikonfigurueshme të përputhjes së mikrostripave, çelësat e tranzistorit me efekt fushe janë përdorur për të rregulluar stub-et e përputhjes për të arritur karakteristikat me dy banda.
Për të mësuar më shumë rreth antenave, ju lutemi vizitoni:
Koha e postimit: 09 Gusht 2024
