1. Panimula
Ang radio frequency (RF) energy harvesting (RFEH) at radiative wireless power transfer (WPT) ay nakaakit ng malaking interes bilang mga paraan upang makamit ang walang baterya na napapanatiling wireless network. Rectennas ay ang pundasyon ng WPT at RFEH system at may malaking epekto sa DC power na inihatid sa load. Ang mga elemento ng antenna ng rectenna ay direktang nakakaapekto sa kahusayan sa pag-aani, na maaaring mag-iba-iba ang na-ani na kapangyarihan sa pamamagitan ng ilang mga order ng magnitude. Sinusuri ng papel na ito ang mga disenyo ng antenna na ginagamit sa WPT at ambient RFEH application. Ang mga naiulat na rectenna ay inuri ayon sa dalawang pangunahing pamantayan: ang antenna rectifying impedance bandwidth at ang radiation na katangian ng antenna. Para sa bawat criterion, ang figure of merit (FoM) para sa iba't ibang aplikasyon ay tinutukoy at sinusuri nang pahambing.
Ang WPT ay iminungkahi ni Tesla noong unang bahagi ng ika-20 siglo bilang isang paraan upang magpadala ng libu-libong lakas-kabayo. Ang terminong rectenna, na naglalarawan sa isang antenna na konektado sa isang rectifier upang kunin ang RF power, ay lumitaw noong 1950s para sa space microwave power transmission application at sa pagpapagana ng mga autonomous drone. Ang Omnidirectional, long-range na WPT ay nalilimitahan ng mga pisikal na katangian ng daluyan ng pagpapalaganap (hangin). Samakatuwid, ang komersyal na WPT ay pangunahing limitado sa near-field non-radiative power transfer para sa wireless consumer electronics charging o RFID.
Habang patuloy na bumababa ang konsumo ng kuryente ng mga semiconductor device at wireless sensor node, nagiging mas magagawa ito sa mga node ng sensor ng kuryente gamit ang ambient RFEH o paggamit ng mga distributed na low-power na omnidirectional transmitter. Ang mga ultra-low-power na wireless power system ay karaniwang binubuo ng isang RF acquisition front end, DC power at memory management, at isang low-power na microprocessor at transceiver.
Ipinapakita ng Figure 1 ang arkitektura ng isang RFEH wireless node at ang karaniwang iniulat na RF front-end na mga pagpapatupad. Ang end-to-end na kahusayan ng wireless power system at ang arkitektura ng naka-synchronize na wireless na impormasyon at power transfer network ay depende sa performance ng mga indibidwal na bahagi, gaya ng mga antenna, rectifier, at power management circuit. Ilang sarbey sa panitikan ang isinagawa para sa iba't ibang bahagi ng sistema. Ang talahanayan 1 ay nagbubuod sa yugto ng conversion ng kuryente, mga pangunahing bahagi para sa mahusay na conversion ng kuryente, at mga kaugnay na survey ng literatura para sa bawat bahagi. Nakatuon ang kamakailang literatura sa teknolohiya ng pagpapalit ng kuryente, mga topolohiya ng rectifier, o RFEH na alam sa network.
Larawan 1
Gayunpaman, ang disenyo ng antena ay hindi itinuturing bilang isang kritikal na bahagi sa RFEH. Bagama't isinasaalang-alang ng ilang literatura ang bandwidth at kahusayan ng antenna mula sa pangkalahatang pananaw o mula sa isang partikular na pananaw sa disenyo ng antenna, gaya ng mga miniaturized o naisusuot na antenna, ang epekto ng ilang parameter ng antenna sa pagtanggap ng kuryente at kahusayan ng conversion ay hindi sinusuri nang detalyado.
Sinusuri ng papel na ito ang mga diskarte sa disenyo ng antenna sa mga rectenna na may layuning makilala ang mga hamon sa disenyo ng partikular na antenna ng RFEH at WPT mula sa karaniwang disenyo ng antenna ng komunikasyon. Ang mga antena ay inihambing mula sa dalawang pananaw: end-to-end na pagtutugma ng impedance at mga katangian ng radiation; sa bawat kaso, tinutukoy at sinusuri ang FoM sa mga makabagong antenna (SoA).
2. Bandwidth at Pagtutugma: Mga Non-50Ω RF Network
Ang katangian na impedance ng 50Ω ay isang maagang pagsasaalang-alang ng kompromiso sa pagitan ng pagpapalambing at kapangyarihan sa mga aplikasyon ng microwave engineering. Sa mga antenna, ang impedance bandwidth ay tinukoy bilang ang frequency range kung saan ang ipinapakitang kapangyarihan ay mas mababa sa 10% (S11< − 10 dB). Dahil ang mga low noise amplifiers (LNA), power amplifier, at detector ay karaniwang idinisenyo na may 50Ω input impedance match, ang isang 50Ω source ay tradisyonal na nire-reference.
Sa isang rectenna, ang output ng antenna ay direktang ipinapasok sa rectifier, at ang nonlinearity ng diode ay nagdudulot ng malaking pagkakaiba-iba sa input impedance, kung saan nangingibabaw ang capacitive component. Sa pag-aakalang isang 50Ω antenna, ang pangunahing hamon ay ang magdisenyo ng karagdagang RF matching network upang baguhin ang input impedance sa impedance ng rectifier sa dalas ng interes at i-optimize ito para sa isang partikular na antas ng kapangyarihan. Sa kasong ito, kinakailangan ang end-to-end impedance bandwidth upang matiyak ang mahusay na conversion ng RF sa DC. Samakatuwid, kahit na ang mga antenna ay maaaring makamit ang theoretically infinite o ultra-wide bandwidth gamit ang mga periodic elements o self-complementary geometry, ang bandwidth ng rectenna ay mabo-bottleneck ng rectifier matching network.
Ilang rectenna topologies ang iminungkahi para makamit ang single-band at multi-band harvesting o WPT sa pamamagitan ng pagliit ng mga reflection at pag-maximize ng power transfer sa pagitan ng antenna at rectifier. Ipinapakita ng Figure 2 ang mga istruktura ng mga iniulat na rectenna topologies, na ikinategorya ng kanilang impedance matching architecture. Ipinapakita ng talahanayan 2 ang mga halimbawa ng mga rectenna na may mataas na pagganap na may kinalaman sa end-to-end na bandwidth (sa kasong ito, FoM) para sa bawat kategorya.
Figure 2 Rectenna topologies mula sa pananaw ng bandwidth at pagtutugma ng impedance. (a) Single-band rectenna na may karaniwang antenna. (b) Multiband rectenna (binubuo ng maramihang magkasanib na antenna) na may isang rectifier at tumutugmang network sa bawat banda. (c) Broadband rectenna na may maraming RF port at magkahiwalay na magkatugmang network para sa bawat banda. (d) Broadband rectenna na may broadband antenna at broadband matching network. (e) Single-band rectenna gamit ang electrically small antenna na direktang tumugma sa rectifier. (f) Single-band, electrically large antenna na may kumplikadong impedance upang mag-conjugate sa rectifier. (g) Broadband rectenna na may kumplikadong impedance upang makipag-ugnay sa rectifier sa isang hanay ng mga frequency.
Habang ang WPT at ambient RFEH mula sa nakalaang feed ay magkaibang mga rectenna application, ang pagkamit ng end-to-end na pagtutugma sa pagitan ng antenna, rectifier at load ay mahalaga upang makamit ang high power conversion efficiency (PCE) mula sa perspektibo ng bandwidth. Gayunpaman, ang WPT rectennas ay higit na nakatuon sa pagkamit ng mas mataas na kalidad na pagtutugma ng kadahilanan (mas mababang S11) upang mapahusay ang single-band PCE sa ilang partikular na antas ng kapangyarihan (topologies a, e at f). Ang malawak na bandwidth ng single-band WPT ay nagpapabuti sa system immunity sa detuning, mga depekto sa pagmamanupaktura at mga parasitiko sa packaging. Sa kabilang banda, ang RFEH rectennas ay inuuna ang multi-band operation at nabibilang sa mga topologies bd at g, dahil ang power spectral density (PSD) ng isang banda ay karaniwang mas mababa.
3. Parihabang disenyo ng antenna
1. Single-frequency rectenna
Ang disenyo ng antena ng single-frequency rectenna (topology A) ay pangunahing nakabatay sa karaniwang disenyo ng antena, tulad ng linear polarization (LP) o circular polarization (CP) radiating patch sa ground plane, dipole antenna at inverted F antenna. Ang differential band rectenna ay batay sa DC combination array na na-configure na may maraming antenna unit o pinaghalong DC at RF na kumbinasyon ng maraming patch unit.
Dahil marami sa mga iminungkahing antenna ay single-frequency antenna at nakakatugon sa mga kinakailangan ng single-frequency na WPT, kapag naghahanap ng environmental multi-frequency na RFEH, ang maramihang single-frequency antenna ay pinagsama sa multi-band rectennas (topology B) na may mutual coupling suppression at independiyenteng kumbinasyon ng DC pagkatapos ng circuit ng pamamahala ng kapangyarihan upang ganap na ihiwalay ang mga ito mula sa RF acquisition at conversion circuit. Nangangailangan ito ng maraming circuit ng pamamahala ng kuryente para sa bawat banda, na maaaring mabawasan ang kahusayan ng boost converter dahil mababa ang kapangyarihan ng DC ng isang banda.
2. Mga multi-band at broadband na RFEH antenna
Ang environmental RFEH ay kadalasang nauugnay sa multi-band acquisition; samakatuwid, ang iba't ibang mga diskarte ay iminungkahi para sa pagpapabuti ng bandwidth ng mga karaniwang disenyo ng antena at mga pamamaraan para sa pagbuo ng dual-band o band antenna arrays. Sa seksyong ito, sinusuri namin ang mga custom na disenyo ng antenna para sa mga RFEH, pati na rin ang mga klasikong multi-band antenna na may potensyal na magamit bilang mga rectenna.
Ang mga coplanar waveguide (CPW) monopole antenna ay sumasakop sa mas kaunting lugar kaysa sa mga microstrip patch antenna sa parehong frequency at gumagawa ng mga LP o CP wave, at kadalasang ginagamit para sa mga broadband na environmental rectenna. Ginagamit ang mga reflection plane upang pataasin ang paghihiwalay at pagbutihin ang pakinabang, na nagreresulta sa mga pattern ng radiation na katulad ng mga patch antenna. Ang mga slotted coplanar waveguide antenna ay ginagamit upang pahusayin ang mga bandwidth ng impedance para sa maraming frequency band, gaya ng 1.8–2.7 GHz o 1–3 GHz. Ang mga coupled-fed slot antenna at patch antenna ay karaniwang ginagamit din sa mga multi-band rectenna na disenyo. Ipinapakita ng Figure 3 ang ilang iniulat na multi-band antenna na gumagamit ng higit sa isang diskarte sa pagpapahusay ng bandwidth.
Larawan 3
Pagtutugma ng Impedance ng Antenna-Rectifier
Ang pagtutugma ng 50Ω antenna sa isang nonlinear rectifier ay mahirap dahil malaki ang pagkakaiba ng input impedance nito sa dalas. Sa topologies A at B (Figure 2), ang karaniwang pagtutugma ng network ay isang LC match gamit ang lumped elements; gayunpaman, ang relatibong bandwidth ay karaniwang mas mababa kaysa sa karamihan ng mga banda ng komunikasyon. Ang single-band stub matching ay karaniwang ginagamit sa microwave at millimeter-wave bands na mas mababa sa 6 GHz, at ang mga iniulat na millimeter-wave rectenna ay may likas na makitid na bandwidth dahil ang kanilang PCE bandwidth ay bottleneck ng output harmonic suppression, na ginagawang angkop ang mga ito para sa single- band WPT application sa 24 GHz na walang lisensyang banda.
Ang mga rectenna sa topologies C at D ay may mas kumplikadong pagtutugma ng mga network. Ang mga network na tumutugma sa linya na ganap na ipinamahagi ay iminungkahi para sa pagtutugma ng broadband, na may isang RF block/DC short circuit (pass filter) sa output port o isang DC blocking capacitor bilang isang pabalik na landas para sa diode harmonics. Ang mga bahagi ng rectifier ay maaaring palitan ng mga naka-print na circuit board (PCB) na mga interdigitated na capacitor, na na-synthesize gamit ang komersyal na electronic design automation tool. Pinagsasama-sama ng iba pang iniulat na broadband rectenna na tumutugmang network ang mga pinagsama-samang elemento para sa pagtutugma sa mas mababang mga frequency at mga distributed na elemento para sa paglikha ng RF short sa input.
Ang pag-iiba-iba ng input impedance na sinusunod ng load sa pamamagitan ng isang source (kilala bilang ang source-pull technique) ay ginamit upang magdisenyo ng broadband rectifier na may 57% relative bandwidth (1.25–2.25 GHz) at 10% na mas mataas na PCE kumpara sa mga bukol o distributed circuits . Bagama't karaniwang idinisenyo ang pagtutugma ng mga network upang tumugma sa mga antenna sa buong 50Ω bandwidth, may mga ulat sa literatura kung saan ang mga broadband antenna ay nakakonekta sa mga narrowband rectifier.
Ang hybrid na pinagsama-samang elemento at distributed-element na pagtutugma ng mga network ay malawakang ginagamit sa mga topolohiyang C at D, kung saan ang mga seryeng inductors at capacitor ang pinakakaraniwang ginagamit na bukol na elemento. Iniiwasan ng mga ito ang mga kumplikadong istruktura tulad ng mga interdigitated na capacitor, na nangangailangan ng mas tumpak na pagmomodelo at katha kaysa sa karaniwang mga linya ng microstrip.
Ang input power sa rectifier ay nakakaapekto sa input impedance dahil sa nonlinearity ng diode. Samakatuwid, ang rectenna ay idinisenyo upang i-maximize ang PCE para sa isang partikular na antas ng kapangyarihan ng input at impedance ng pagkarga. Dahil ang mga diode ay pangunahing capacitive high impedance sa mga frequency na mas mababa sa 3 GHz, ang mga broadband rectenna na nag-aalis ng mga tumutugmang network o nagpapaliit ng mga pinasimple na pagtutugma ng mga circuit ay nakatuon sa mga frequency na Prf>0 dBm at higit sa 1 GHz, dahil ang mga diode ay may mababang capacitive impedance at maaaring maitugma nang maayos. sa antenna, kaya iniiwasan ang disenyo ng mga antenna na may mga input reactance >1,000Ω.
Ang adaptive o reconfigurable impedance matching ay nakita sa CMOS rectennas, kung saan ang pagtutugma ng network ay binubuo ng on-chip capacitor banks at inductors. Ang mga static na network ng pagtutugma ng CMOS ay iminungkahi din para sa mga karaniwang 50Ω antenna pati na rin ang mga co-designed na loop antenna. Naiulat na ang passive CMOS power detector ay ginagamit upang kontrolin ang mga switch na nagdidirekta sa output ng antenna sa iba't ibang rectifier at tumutugmang mga network depende sa magagamit na kapangyarihan. Ang isang reconfigurable na pagtutugma ng network gamit ang lumped tunable capacitors ay iminungkahi, na nakatutok sa pamamagitan ng fine-tuning habang sinusukat ang input impedance gamit ang vector network analyzer. Sa reconfigurable microstrip matching network, ginamit ang mga field effect transistor switch para ayusin ang mga tumutugmang stub para makamit ang dual-band na mga katangian.
Upang matuto nang higit pa tungkol sa mga antenna, pakibisita ang:
Oras ng post: Aug-09-2024
