1. Giriş
Radiotezlik (RF) enerji yığımı (RF) və radiasiya simsiz enerji ötürülməsi (WPT) batareyasız dayanıqlı simsiz şəbəkələrə nail olmaq üçün metodlar kimi böyük maraq doğurmuşdur. Rektennalar WPT və RFH sistemlərinin təməl daşıdır və yükə verilən DC gücünə əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərir. Rektennanın anten elementləri yığım səmərəliliyinə birbaşa təsir göstərir ki, bu da yığım gücünü bir neçə böyüklük dərəcəsi ilə dəyişə bilər. Bu məqalədə WPT və ətraf mühit RFH tətbiqlərində istifadə olunan anten dizaynları nəzərdən keçirilir. Bildirilən rektennalar iki əsas meyara görə təsnif edilir: anten düzəldici empedans bant genişliyi və antenanın radiasiya xüsusiyyətləri. Hər bir meyar üçün müxtəlif tətbiqlər üçün üstünlük rəqəmi (FoM) müəyyən edilir və müqayisəli şəkildə nəzərdən keçirilir.
WPT, Tesla tərəfindən 20-ci əsrin əvvəllərində minlərlə at gücünü ötürmək üçün bir üsul kimi təklif edilmişdir. RF enerjisini toplamaq üçün düzəldiciyə qoşulmuş bir antenanı təsvir edən rektenna termini, 1950-ci illərdə kosmik mikrodalğalı enerji ötürülməsi tətbiqləri və muxtar dronları gücləndirmək üçün ortaya çıxdı. Hər istiqamətli, uzun mənzilli WPT, yayılma mühitinin (hava) fiziki xüsusiyyətləri ilə məhdudlaşır. Buna görə də, kommersiya WPT əsasən simsiz istehlakçı elektronikasının doldurulması və ya RFID üçün yaxın sahəli qeyri-radiasiya güc ötürülməsi ilə məhdudlaşır.
Yarımkeçirici cihazların və simsiz sensor qovşaqlarının enerji istehlakı azalmağa davam etdikcə, sensor qovşaqlarını ətraf mühit RFH və ya paylanmış aşağı güclü çoxistiqamətli ötürücülərdən istifadə etməklə enerji ilə təmin etmək daha məqsədəuyğun hala gəlir. Ultra aşağı güclü simsiz enerji sistemləri adətən RF toplama ön ucundan, DC enerji və yaddaş idarəetməsindən, eləcə də aşağı güclü mikroprosessor və ötürücü-ötürücüdən ibarətdir.
Şəkil 1-də RFH simsiz qovşağının arxitekturası və tez-tez bildirilən RF ön tərəf tətbiqləri göstərilir. Simsiz enerji sisteminin və sinxronlaşdırılmış simsiz informasiya və enerji ötürmə şəbəkəsinin arxitekturasının tam səmərəliliyi antenaların, düzəldicilərin və enerji idarəetmə sxemlərinin fərdi komponentlərinin performansından asılıdır. Sistemin müxtəlif hissələri üçün bir neçə ədəbiyyat araşdırması aparılmışdır. Cədvəl 1-də enerji çevrilməsi mərhələsi, səmərəli enerji çevrilməsi üçün əsas komponentlər və hər bir hissə üçün əlaqəli ədəbiyyat araşdırmaları ümumiləşdirilir. Son ədəbiyyat güc çevrilməsi texnologiyasına, düzəldici topologiyalara və ya şəbəkəyə uyğun RFH-ə yönəlmişdir.
Şəkil 1
Lakin, anten dizaynı RFEH-də kritik bir komponent kimi qəbul edilmir. Bəzi ədəbiyyatlarda antenin bant genişliyi və səmərəliliyi ümumi perspektivdən və ya miniatürləşdirilmiş və ya geyilə bilən antenalar kimi spesifik anten dizaynı baxımından nəzərdən keçirilsə də, müəyyən anten parametrlərinin enerji qəbulu və çevrilmə səmərəliliyinə təsiri ətraflı təhlil edilmir.
Bu məqalədə RFEH və WPT-yə xas antenna dizayn problemlərini standart rabitə antenna dizaynından fərqləndirmək məqsədi ilə rektennalarda antenna dizayn üsulları nəzərdən keçirilir. Antenlər iki baxımdan müqayisə edilir: başdan-başa impedans uyğunluğu və radiasiya xüsusiyyətləri; hər bir halda FoM ən müasir (SoA) antenalarda müəyyən edilir və nəzərdən keçirilir.
2. Bant genişliyi və uyğunlaşdırma: 50Ω olmayan RF şəbəkələri
50Ω xarakterik impedansı, mikrodalğalı mühəndislik tətbiqlərində zəifləmə və güc arasındakı kompromisin erkən nəzərdən keçirilməsidir. Antenlərdə impedans bant genişliyi əks olunan gücün 10%-dən az olduğu tezlik diapazonu kimi müəyyən edilir (S11< − 10 dB). Aşağı səs-küy gücləndiriciləri (LNA), güc gücləndiriciləri və detektorlar adətən 50Ω giriş impedansı uyğunluğu ilə dizayn edildiyindən, ənənəvi olaraq 50Ω mənbəyə istinad edilir.
Rektennada antenanın çıxışı birbaşa rektifikatora verilir və diodun qeyri-xəttiliyi giriş empedansında böyük bir dəyişikliyə səbəb olur və tutumlu komponent üstünlük təşkil edir. 50Ω antenanı fərz etsək, əsas çətinlik giriş empedansını maraq tezliyində rektifikatorun empedansına çevirmək və müəyyən bir güc səviyyəsi üçün optimallaşdırmaq üçün əlavə bir RF uyğunlaşdırma şəbəkəsi dizayn etməkdir. Bu halda, səmərəli RF-dən DC-yə çevrilməsini təmin etmək üçün başdan-başa empedans bant genişliyi tələb olunur. Buna görə də, antenalar dövri elementlər və ya özünü tamamlayan həndəsə istifadə edərək nəzəri cəhətdən sonsuz və ya ultra geniş bant genişliyinə nail ola bilsələr də, rektennanın bant genişliyi rektifikator uyğunlaşdırma şəbəkəsi tərəfindən sıxışdırılacaq.
Anten və düzəldici arasında əks olunmaları minimuma endirmək və güc ötürülməsini maksimum dərəcədə artırmaqla təkzolaqlı və çoxzolaqlı yığım və ya WPT əldə etmək üçün bir neçə rektenna topologiyası təklif edilmişdir. Şəkil 2-də bildirilən rektenna topologiyalarının strukturları, onların impedans uyğunlaşdırma arxitekturasına görə təsnif edilmişdir. Cədvəl 2-də hər bir kateqoriya üçün başdan-başa bant genişliyinə (bu halda, FoM) görə yüksək performanslı rektennaların nümunələri göstərilir.
Şəkil 2 Bant genişliyi və impedans uyğunluğu baxımından Rektenna topologiyaları. (a) Standart antenna ilə təkzolaqlı rektenna. (b) Hər zolaq üçün bir düzəldici və uyğun şəbəkə ilə çoxzolaqlı rektenna (birdən çox qarşılıqlı qoşulmuş antenalardan ibarətdir). (c) Hər zolaq üçün birdən çox RF portu və ayrı uyğun şəbəkələri olan genişzolaqlı rektenna. (d) Genişzolaqlı antenna və genişzolaqlı uyğun şəbəkəsi olan genişzolaqlı rektenna. (e) Düzəldiciyə birbaşa uyğunlaşdırılmış elektrik baxımından kiçik anten istifadə edən təkzolaqlı rektenna. (f) Düzəldici ilə birləşən mürəkkəb impedansa malik təkzolaqlı, elektrik baxımından böyük anten. (g) Müxtəlif tezlik diapazonunda düzəldici ilə birləşən mürəkkəb impedansa malik genişzolaqlı rektenna.
WPT və ayrılmış qidalanmadan gələn ambient RFEH fərqli rektenna tətbiqləri olsa da, antenna, düzəldici və yük arasında başdan-başa uyğunluğa nail olmaq, bant genişliyi baxımından yüksək güc çevirmə səmərəliliyinə (PCE) nail olmaq üçün vacibdir. Buna baxmayaraq, WPT rektennaları müəyyən güc səviyyələrində (a, e və f topologiyaları) tək zolaqlı PCE-ni yaxşılaşdırmaq üçün daha yüksək keyfiyyətli faktor uyğunluğuna (aşağı S11) nail olmağa daha çox diqqət yetirir. Tək zolaqlı WPT-nin geniş bant genişliyi sistemin deteksiyaya, istehsal qüsurlarına və qablaşdırma parazitlərinə qarşı immunitetini artırır. Digər tərəfdən, RFEH rektennaları çoxzolaqlı əməliyyata üstünlük verir və bd və g topologiyalarına aiddir, çünki tək zolağın güc spektral sıxlığı (PSD) ümumiyyətlə daha aşağıdır.
3. Düzbucaqlı anten dizaynı
1. Tək tezlikli rektenna
Tək tezlikli rektennanın (topologiya A) anten dizaynı əsasən standart anten dizaynına, məsələn, yer müstəvisində xətti polyarizasiya (LP) və ya dairəvi polyarizasiya (CP) şüalanma yamağına, dipol anteninə və tərs çevrilmiş F anteninə əsaslanır. Diferensial zolaqlı rektenna, birdən çox anten vahidi ilə konfiqurasiya edilmiş DC kombinasiya massivinə və ya birdən çox yamaq vahidinin qarışıq DC və RF kombinasiyasına əsaslanır.
Təklif olunan antenaların çoxu tək tezlikli antena olduğundan və tək tezlikli WPT tələblərinə cavab verdiyindən, ətraf mühitin çoxtezlikli RFEH-ni axtararkən, çoxsaylı tək tezlikli antenalar, RF əldə etmə və çevirmə dövrəsindən tamamilə təcrid etmək üçün qarşılıqlı qoşulma basqısı və güc idarəetmə dövrəsindən sonra müstəqil DC kombinasiyası ilə çoxzolaqlı rektennalara (B topologiyası) birləşdirilir. Bu, hər bir diapazon üçün çoxsaylı güc idarəetmə dövrələrini tələb edir ki, bu da tək diapazonun DC gücü aşağı olduğundan gücləndirici çeviricinin səmərəliliyini azalda bilər.
2. Çoxzolaqlı və genişzolaqlı RFEH antenləri
Ətraf mühit RFH-si tez-tez çoxzolaqlı əldə etmə ilə əlaqələndirilir; buna görə də standart antenna dizaynlarının bant genişliyini artırmaq üçün müxtəlif üsullar və ikizolaqlı və ya zolaqlı antenna massivlərinin formalaşdırılması metodları təklif edilmişdir. Bu bölmədə RFH-lər üçün xüsusi antenna dizaynlarını, eləcə də rektenna kimi istifadə edilə bilən klassik çoxzolaqlı antennaları nəzərdən keçiririk.
Koplanar dalğaötürücü (CPW) monopol antenaları eyni tezlikdə mikrozolaqlı yamaq antenalarına nisbətən daha az sahə tutur və LP və ya CP dalğaları yaradır və tez-tez genişzolaqlı ətraf mühit rektennaları üçün istifadə olunur. Əksetmə müstəviləri izolyasiyanı artırmaq və qazancı yaxşılaşdırmaq üçün istifadə olunur və nəticədə yamaq antenalarına bənzər radiasiya nümunələri yaranır. Yivli koplanar dalğaötürücü antenaları 1,8–2,7 GHz və ya 1–3 GHz kimi birdən çox tezlik diapazonu üçün impedans zolaqlarını yaxşılaşdırmaq üçün istifadə olunur. Qoşulmuş qidalanan yuva antenaları və yamaq antenaları da çoxzolaqlı rektenna dizaynlarında geniş istifadə olunur. Şəkil 3-də birdən çox zolaqlı bant genişliyi yaxşılaşdırma texnikasından istifadə edən bəzi bildirilən çoxzolaqlı antenalar göstərilir.
Şəkil 3
Anten-Düzəldici İmpedans Uyğunluğu
50Ω antenanı qeyri-xətti düzəldici ilə uyğunlaşdırmaq çətindir, çünki onun giriş empedansı tezliklə çox dəyişir. A və B topologiyalarında (Şəkil 2), ümumi uyğunlaşdırma şəbəkəsi toplu elementlərdən istifadə edən LC uyğunluğudur; lakin nisbi bant genişliyi adətən əksər rabitə zolaqlarından daha aşağıdır. Tək zolaqlı stub uyğunlaşdırması adətən 6 GHz-dən aşağı mikrodalğalı və millimetr dalğa zolaqlarında istifadə olunur və bildirilən millimetr dalğalı rektennalar, PCE bant genişliyi çıxış harmonik basqısı ilə sıxışdırıldığı üçün təbii olaraq dar bant genişliyinə malikdir, bu da onları 24 GHz lisenziyasız zolaqda tək zolaqlı WPT tətbiqləri üçün xüsusilə uyğun edir.
C və D topologiyalarındakı rektennalar daha mürəkkəb uyğunlaşdırma şəbəkələrinə malikdir. Genişzolaqlı uyğunlaşdırma üçün tam paylanmış xətt uyğunlaşdırma şəbəkələri təklif edilmişdir, çıxış portunda RF blok/DC qısaqapanması (keçid filtri) və ya diod harmonikaları üçün geri dönüş yolu kimi DC bloklayıcı kondensator mövcuddur. Düzəldici komponentlər kommersiya elektron dizayn avtomatlaşdırma vasitələrindən istifadə etməklə sintez edilən çap dövrə lövhəsi (PCB) ilə rəqəmsallaşdırılmış kondensatorlarla əvəz edilə bilər. Digər bildirilən genişzolaqlı rektenna uyğunlaşdırma şəbəkələri aşağı tezliklərə uyğunlaşdırma üçün toplu elementləri və girişdə RF qısaqapanması yaratmaq üçün paylanmış elementləri birləşdirir.
Mənbədən keçən yük tərəfindən müşahidə edilən giriş empedansının dəyişdirilməsi (mənbə çəkmə texnikası kimi tanınır), nisbi bant genişliyi 57% (1.25–2.25 GHz) və toplu və ya paylanmış dövrələrlə müqayisədə 10% daha yüksək PCE-yə malik genişzolaqlı rektifikatorun dizaynında istifadə edilmişdir. Uyğun şəbəkələr adətən bütün 50Ω bant genişliyi boyunca antenaları uyğunlaşdırmaq üçün hazırlansa da, ədəbiyyatda genişzolaqlı antenaların dar bantlı rektifikatorlara qoşulduğu barədə məlumatlar mövcuddur.
Hibrid toplu elementli və paylanmış elementli uyğunlaşdırma şəbəkələri C və D topologiyalarında geniş istifadə olunur, ardıcıl induktorlar və kondensatorlar ən çox istifadə edilən toplu elementlərdir. Bunlar standart mikrozolaq xətlərindən daha dəqiq modelləşdirmə və istehsal tələb edən rəqəmlərarası kondensatorlar kimi mürəkkəb strukturlardan qaçınır.
Düzəldiciyə giriş gücü, diodun qeyri-xətti olması səbəbindən giriş empedansına təsir göstərir. Buna görə də, rektenna müəyyən bir giriş gücü səviyyəsi və yük empedansı üçün PCE-ni maksimum dərəcədə artırmaq üçün hazırlanmışdır. Diodlar əsasən 3 GHz-dən aşağı tezliklərdə tutumlu yüksək empedans olduğundan, uyğun şəbəkələri aradan qaldıran və ya sadələşdirilmiş uyğunlaşdırma dövrələrini minimuma endirən genişzolaqlı rektennalar, diodların aşağı tutumlu empedansa malik olması və antenaya yaxşı uyğunlaşdırılması səbəbindən Prf>0 dBm və 1 GHz-dən yuxarı tezliklərə yönəldilmişdir, beləliklə, giriş reaksiyaları >1000Ω olan antenlərin dizaynından qaçınmaq olar.
Uyğunlaşdırıcı və ya yenidən konfiqurasiya edilə bilən impedans uyğunluğu CMOS rektennalarında müşahidə edilmişdir, burada uyğun şəbəkə çipdəki kondensator banklarından və induktorlardan ibarətdir. Statik CMOS uyğun şəbəkələri standart 50Ω antenaları, eləcə də birgə dizayn edilmiş dövrə antenaları üçün də təklif edilmişdir. Məlumat verilib ki, passiv CMOS güc detektorları antenin çıxışını mövcud gücdən asılı olaraq müxtəlif düzəldicilərə və uyğun şəbəkələrə yönəldən açarları idarə etmək üçün istifadə olunur. Vektor şəbəkə analizatorundan istifadə edərək giriş impedansını ölçərkən incə tənzimləmə ilə tənzimlənən toplu tənzimlənən kondensatorlardan istifadə edərək yenidən konfiqurasiya edilə bilən uyğun şəbəkə təklif edilmişdir. Yenidən konfiqurasiya edilə bilən mikrozolaq uyğun şəbəkələrində sahə effekti tranzistor açarları ikili zolaqlı xüsusiyyətlərə nail olmaq üçün uyğun stubları tənzimləmək üçün istifadə edilmişdir.
Antenlər haqqında daha çox məlumat əldə etmək üçün zəhmət olmasa, ziyarət edin:
Yazı vaxtı: 09 Avqust 2024
