1. Panimula
Ang radio frequency (RF) energy harvesting (RFEH) at radiative wireless power transfer (WPT) ay nakaakit ng malaking interes bilang mga pamamaraan upang makamit ang mga napapanatiling wireless network na walang baterya. Ang mga rectenna ang pundasyon ng mga sistema ng WPT at RFEH at may malaking epekto sa DC power na inihahatid sa load. Ang mga elemento ng antenna ng rectenna ay direktang nakakaapekto sa kahusayan ng pag-aani, na maaaring mag-iba sa harvested power nang ilang order ng magnitude. Sinusuri ng papel na ito ang mga disenyo ng antenna na ginagamit sa mga aplikasyon ng WPT at ambient RFEH. Ang mga naiulat na rectenna ay inuri ayon sa dalawang pangunahing pamantayan: ang antenna rectifying impedance bandwidth at ang mga katangian ng radiation ng antenna. Para sa bawat pamantayan, ang figure of merit (FoM) para sa iba't ibang aplikasyon ay tinutukoy at sinusuri nang pahambing.
Ang WPT ay iminungkahi ng Tesla noong unang bahagi ng ika-20 siglo bilang isang paraan upang magpadala ng libu-libong horsepower. Ang terminong rectenna, na naglalarawan sa isang antenna na konektado sa isang rectifier upang makakuha ng RF power, ay lumitaw noong 1950s para sa mga aplikasyon ng space microwave power transmission at upang paganahin ang mga autonomous drone. Ang omnidirectional, long-range WPT ay nililimitahan ng mga pisikal na katangian ng propagation medium (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 posible na paganahin ang mga sensor node gamit ang ambient RFEH o paggamit ng mga distributed low-power omnidirectional transmitter. Ang mga ultra-low-power wireless power system ay karaniwang binubuo ng isang RF acquisition front end, DC power at memory management, at isang low-power microprocessor at transceiver.
Ipinapakita ng Figure 1 ang arkitektura ng isang RFEH wireless node at ang mga karaniwang naiuulat na RF front-end implementations. Ang end-to-end efficiency ng wireless power system at ang arkitektura ng synchronized wireless information and power transfer network ay nakasalalay sa performance ng mga indibidwal na component, tulad ng mga antenna, rectifier, at power management circuit. Ilang literature survey ang isinagawa para sa iba't ibang bahagi ng system. Binubuod ng Table 1 ang power conversion stage, mga pangunahing component para sa mahusay na power conversion, at mga kaugnay na literature survey para sa bawat bahagi. Ang mga kamakailang literature ay nakatuon sa power conversion technology, rectifier topologies, o network-aware RFEH.
Pigura 1
Gayunpaman, ang disenyo ng antena ay hindi itinuturing na isang kritikal na bahagi sa RFEH. Bagama't isinasaalang-alang ng ilang literatura ang bandwidth at kahusayan ng antena mula sa isang pangkalahatang perspektibo o mula sa isang partikular na perspektibo ng disenyo ng antena, tulad ng mga miniaturized o wearable antenna, ang epekto ng ilang mga parameter ng antena sa pagtanggap ng kuryente at kahusayan ng conversion ay hindi sinusuri nang detalyado.
Sinusuri ng papel na ito ang mga pamamaraan sa disenyo ng antenna sa mga rectenna na may layuning makilala ang mga partikular na hamon sa disenyo ng antenna na RFEH at WPT mula sa karaniwang disenyo ng antenna ng komunikasyon. Ang mga antenna ay inihahambing mula sa dalawang pananaw: end-to-end impedance matching at mga katangian ng radiation; sa bawat kaso, ang FoM ay tinutukoy at sinusuri sa mga state-of-the-art (SoA) na antenna.
2. Bandwidth at Pagtutugma: Mga Non-50Ω RF Network
Ang katangiang impedance na 50Ω ay isang maagang konsiderasyon sa kompromiso sa pagitan ng attenuation at power sa mga aplikasyon ng microwave engineering. Sa mga antenna, ang impedance bandwidth ay binibigyang kahulugan bilang ang frequency range kung saan ang repleksyon ng power ay mas mababa sa 10% (S11< − 10 dB). Dahil ang mga low noise amplifier (LNA), power amplifier, at detector ay karaniwang dinisenyo na may 50Ω input impedance match, isang 50Ω source ang tradisyonal na tinutukoy.
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 pagdisenyo ng karagdagang RF matching network upang baguhin ang input impedance sa impedance ng rectifier sa frequency of interest at i-optimize ito para sa isang partikular na antas ng kuryente. Sa kasong ito, kinakailangan ang end-to-end impedance bandwidth upang matiyak ang mahusay na RF to DC conversion. Samakatuwid, bagama't maaaring makamit ng mga antenna ang theoretically infinite o ultra-wide bandwidth gamit ang mga periodic elements o self-complementary geometry, ang bandwidth ng rectenna ay mahahadlangan ng rectifier matching network.
Ilang topolohiya ng rectenna ang iminungkahi upang makamit ang single-band at multi-band harvesting o WPT sa pamamagitan ng pagliit ng mga repleksyon at pag-maximize ng paglipat ng kuryente sa pagitan ng antenna at rectifier. Ipinapakita ng Figure 2 ang mga istruktura ng mga naiulat na topolohiya ng rectenna, na ikinategorya ayon sa kanilang arkitektura ng impedance matching. Ipinapakita ng Table 2 ang mga halimbawa ng mga high-performance rectenna na may kinalaman sa end-to-end bandwidth (sa kasong ito, FoM) para sa bawat kategorya.
Pigura 2 Mga topolohiya ng Rectenna mula sa perspektibo ng bandwidth at impedance matching. (a) Single-band rectenna na may karaniwang antenna. (b) Multiband rectenna (binubuo ng maraming magkaugnay na antenna) na may isang rectifier at tumutugmang network bawat band. (c) Broadband rectenna na may maraming RF port at magkakahiwalay na tumutugmang network para sa bawat band. (d) Broadband rectenna na may broadband antenna at broadband matching network. (e) Single-band rectenna na gumagamit ng electrically small antenna na direktang tumutugma sa rectifier. (f) Single-band, electrically large antenna na may complex impedance upang i-conjugate sa rectifier. (g) Broadband rectenna na may complex impedance upang i-conjugate sa rectifier sa isang hanay ng mga frequency.
Bagama't magkaibang aplikasyon ng rectenna ang WPT at ambient RFEH mula sa dedicated feed, ang pagkamit ng end-to-end matching sa pagitan ng antenna, rectifier, at load ay mahalaga upang makamit ang mataas na power conversion efficiency (PCE) mula sa perspektibo ng bandwidth. Gayunpaman, mas nakatuon ang mga WPT rectenna sa pagkamit ng mas mataas na quality factor matching (mas mababang S11) upang mapabuti ang single-band PCE sa ilang partikular na antas ng kuryente (mga topolohiya a, e, at f). Ang malawak na bandwidth ng single-band WPT ay nagpapabuti sa resistensya ng sistema sa detuning, mga depekto sa paggawa, at mga parasitiko sa packaging. Sa kabilang banda, inuuna ng mga RFEH rectenna ang multi-band operation at kabilang sa mga topolohiya bd at g, dahil ang power spectral density (PSD) ng isang single band ay karaniwang mas mababa.
3. Disenyo ng parihabang antena
1. Rectangle na may iisang dalas
Ang disenyo ng antenna ng single-frequency rectenna (topology A) ay pangunahing nakabatay sa karaniwang disenyo ng antenna, tulad ng linear polarization (LP) o circular polarization (CP) na nagra-radiate ng patch sa ground plane, dipole antenna at inverted F antenna. Ang differential band rectenna ay nakabatay sa DC combination array na naka-configure na may maraming antenna unit o mixed DC at RF combination ng maraming patch unit.
Dahil marami sa mga iminungkahing antenna ay mga single-frequency antenna at nakakatugon sa mga kinakailangan ng single-frequency WPT, kapag naghahanap ng environmental multi-frequency RFEH, maraming single-frequency antenna ang pinagsasama sa mga multi-band rectenna (topology B) na may mutual coupling suppression at independent DC combination pagkatapos ng power management circuit upang ganap na ihiwalay ang mga ito mula sa RF acquisition at conversion circuit. Nangangailangan ito ng maraming power management circuit para sa bawat band, na maaaring makabawas sa kahusayan ng boost converter dahil mababa ang DC power ng isang band.
2. Mga multi-band at broadband na RFEH antenna
Ang environmental RFEH ay kadalasang iniuugnay sa multi-band acquisition; samakatuwid, iba't ibang pamamaraan ang iminungkahi para sa pagpapabuti ng bandwidth ng mga karaniwang disenyo ng antenna at mga pamamaraan para sa pagbuo ng dual-band o band antenna arrays. Sa seksyong ito, susuriin namin ang mga pasadyang disenyo ng antenna para sa mga RFEH, pati na rin ang mga klasikong multi-band antenna na may potensyal na gamitin bilang mga rectenna.
Ang mga coplanar waveguide (CPW) monopole antenna ay sumasakop ng 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 environmental rectenna. Ginagamit ang mga reflection plane upang mapataas ang isolation at mapabuti ang gain, na nagreresulta sa mga radiation pattern na katulad ng mga patch antenna. Ginagamit ang mga slotted coplanar waveguide antenna upang mapabuti ang impedance bandwidth para sa maraming frequency band, tulad 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 disenyo ng multi-band rectenna. Ipinapakita ng Figure 3 ang ilang naiulat na multi-band antenna na gumagamit ng higit sa isang bandwidth improvement technique.
Pigura 3
Pagtutugma ng Impedance ng Antenna-Rectifier
Ang pagtutugma ng isang 50Ω antenna sa isang nonlinear rectifier ay isang hamon dahil ang input impedance nito ay lubhang nag-iiba depende sa frequency. Sa mga topolohiya A at B (Larawan 2), ang karaniwang pagtutugma ng network ay isang LC match gamit ang mga lumped elements; gayunpaman, ang relatibong bandwidth ay karaniwang mas mababa kaysa sa karamihan ng mga communication band. Ang single-band stub matching ay karaniwang ginagamit sa mga microwave at millimeter-wave band na mas mababa sa 6 GHz, at ang mga naiulat na millimeter-wave rectenna ay may likas na makitid na bandwidth dahil ang kanilang PCE bandwidth ay nababara ng output harmonic suppression, na ginagawa silang partikular na angkop para sa mga single-band WPT application sa 24 GHz unlicensed band.
Ang mga rectenna sa mga topolohiyang C at D ay may mas kumplikadong mga network ng pagtutugma. Ang mga ganap na distributed line matching network ay iminungkahi para sa broadband matching, na may RF block/DC short circuit (pass filter) sa output port o isang DC blocking capacitor bilang return path para sa diode harmonics. Ang mga bahagi ng rectifier ay maaaring palitan ng mga printed circuit board (PCB) interdigitated capacitor, na sini-synthesize gamit ang mga komersyal na electronic design automation tool. Ang iba pang naiulat na broadband rectenna matching network ay pinagsasama ang mga lumped elements para sa pagtutugma sa mas mababang mga frequency at mga distributed elements para sa paglikha ng RF short sa input.
Ang pag-iiba-iba ng input impedance na naobserbahan ng load sa pamamagitan ng isang source (kilala bilang source-pull technique) ay ginamit upang magdisenyo ng isang broadband rectifier na may 57% relatibong bandwidth (1.25–2.25 GHz) at 10% na mas mataas na PCE kumpara sa mga lumped o distributed circuit. Bagama't ang mga matching network ay karaniwang idinisenyo upang itugma ang mga antenna sa buong 50Ω bandwidth, may mga ulat sa literatura kung saan ang mga broadband antenna ay nakakonekta sa mga narrowband rectifier.
Ang mga hybrid lumped-element at distributed-element matching network ay malawakang ginagamit sa mga topolohiyang C at D, kung saan ang mga series inductor at capacitor ang pinakakaraniwang ginagamit na lumped elements. Iniiwasan nito ang mga kumplikadong istruktura tulad ng mga interdigitated capacitor, na nangangailangan ng mas tumpak na pagmomodelo at paggawa kaysa sa mga karaniwang microstrip lines.
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 input power at load impedance. Dahil ang mga diode ay pangunahing may capacitive high impedance sa mga frequency na mas mababa sa 3 GHz, ang mga broadband rectenna na nag-aalis ng mga matching network o nagmi-minimize ng mga pinasimpleng matching 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 naiiwasan ang disenyo ng mga antenna na may input reactances >1,000Ω.
Nakita na ang adaptive o reconfigurable impedance matching sa mga CMOS rectenna, kung saan ang matching network ay binubuo ng mga on-chip capacitor bank at inductor. Iminungkahi rin ang mga static CMOS matching network para sa mga karaniwang 50Ω antenna pati na rin ang mga co-designed loop antenna. Naiulat na ang mga passive CMOS power detector ay ginagamit upang kontrolin ang mga switch na nagdidirekta sa output ng antenna patungo sa iba't ibang rectifier at matching network depende sa available na power. Iminungkahi ang isang reconfigurable matching network gamit ang mga lumped tunable capacitor, na itinatakda sa pamamagitan ng fine-tuning habang sinusukat ang input impedance gamit ang isang vector network analyzer. Sa mga reconfigurable microstrip matching network, ginamit ang mga field effect transistor switch upang ayusin ang mga matching stub upang makamit ang mga dual-band characteristic.
Para matuto nang higit pa tungkol sa mga antenna, pakibisita ang:
Oras ng pag-post: Agosto-09-2024
