1. Giriş
Radiotezlik (RF) enerji yığımı (RFEH) və radiasiyalı simsiz enerji ötürülməsi (WPT) batareyasız dayanıqlı simsiz şəbəkələrə nail olmaq üsulları kimi böyük marağa səbəb olmuşdur. Rektenalar WPT və RFEH sistemlərinin təməl daşıdır və yükə çatdırılan DC gücünə əhəmiyyətli təsir göstərir. Rektenanın antena elementləri yığım səmərəliliyinə birbaşa təsir göstərir, bu da yığılmış gücü bir neçə böyüklükdə dəyişə bilər. Bu yazı WPT və ətraf mühit RFEH proqramlarında istifadə olunan anten dizaynlarını nəzərdən keçirir. Məlumat verilmiş rectennalar iki əsas meyara görə təsnif edilir: antenanın rektifikasiya edən empedansının bant genişliyi və antenanın radiasiya xüsusiyyətləri. Hər bir meyar üçün müxtəlif tətbiqlər üçün ləyaqət göstəricisi (FoM) müəyyən edilir və müqayisəli şəkildə nəzərdən keçirilir.
WPT minlərlə at gücünü ötürmək üçün bir üsul olaraq 20-ci əsrin əvvəllərində Tesla tərəfindən təklif edilmişdir. RF enerjisini yığmaq üçün rektifikatora qoşulmuş antenanı təsvir edən rectenna termini 1950-ci illərdə kosmik mikrodalğalı enerji ötürülməsi proqramları və avtonom dronları gücləndirmək üçün ortaya çıxdı. Çox yönlü, uzun mənzilli WPT yayılma mühitinin (hava) fiziki xüsusiyyətləri ilə məhdudlaşdırılır. Buna görə də, kommersiya WPT əsasən simsiz istehlakçı elektronikasının doldurulması və ya RFID üçün yaxın sahədə qeyri-radiativ enerji ötürülməsi ilə məhdudlaşır.
Yarımkeçirici cihazların və simsiz sensor qovşaqlarının enerji istehlakı azalmağa davam etdikcə, ətraf mühit RFEH və ya paylanmış aşağı güclü çox yönlü ötürücülərdən istifadə edərək sensor qovşaqlarını gücləndirmək daha məqsədəuyğun olur. Ultra aşağı gücə malik simsiz enerji sistemləri adətən RF əldə edən ön hissədən, DC gücü və yaddaşın idarə edilməsindən, aşağı güclü mikroprosessordan və ötürücüdən ibarətdir.
Şəkil 1-də RFEH simsiz qovşağının arxitekturası və tez-tez bildirilən RF qabaqcıl tətbiqləri göstərilir. Simsiz enerji sisteminin uçdan-uca səmərəliliyi və sinxronlaşdırılmış simsiz məlumat və enerji ötürmə şəbəkəsinin arxitekturası antenalar, rektifikatorlar və enerji idarəetmə sxemləri kimi fərdi komponentlərin performansından asılıdır. Sistemin müxtəlif hissələri üçün bir neçə ədəbiyyat sorğusu aparılmışdır. Cədvəl 1 gücün çevrilməsi mərhələsini, səmərəli enerji çevrilməsi üçün əsas komponentləri və hər bir hissə üçün əlaqəli ədəbiyyat sorğularını ümumiləşdirir. Son ədəbiyyatlar enerjinin çevrilməsi texnologiyasına, rektifikator topologiyalarına və ya şəbəkədən xəbərdar olan RFEH-ə diqqət yetirir.
Şəkil 1
Bununla belə, antenanın dizaynı RFEH-də kritik komponent hesab edilmir. Baxmayaraq ki, bəzi ədəbiyyatlarda antenanın bant genişliyi və səmərəliliyi ümumi perspektivdən və ya miniatürləşdirilmiş və ya geyilə bilən antenalar kimi xüsusi antenanın dizaynı nöqteyi-nəzərindən nəzərdən keçirilsə də, müəyyən antenna parametrlərinin enerji qəbuluna və çevrilmə səmərəliliyinə təsiri ətraflı təhlil edilmir.
Bu yazı RFEH və WPT xüsusi antenna dizayn problemlərini standart rabitə antenası dizaynından fərqləndirmək məqsədi ilə düzbucaqlılarda antenna dizayn üsullarını nəzərdən keçirir. Antenalar iki nöqteyi-nəzərdən müqayisə edilir: uç-uca empedans uyğunluğu və radiasiya xüsusiyyətləri; hər bir halda, FoM ən müasir (SoA) antenalarında müəyyən edilir və nəzərdən keçirilir.
2. Bant genişliyi və uyğunluq: 50Ω olmayan RF şəbəkələri
50Ω xarakterik empedans, mikrodalğalı mühəndislik tətbiqlərində zəifləmə və güc arasındakı güzəştin erkən nəzərdən keçirilməsidir. Antenalarda empedans 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 empedansı uyğunluğu ilə dizayn edildiyi üçün ənənəvi olaraq 50Ω mənbəyə istinad edilir.
Rektenada antenanın çıxışı birbaşa rektifikatora verilir və diodun qeyri-xətti olması, tutumlu komponentin üstünlük təşkil etdiyi giriş empedansında böyük dəyişikliyə səbəb olur. 50Ω antenanı fərz etsək, əsas problem giriş empedansını maraq tezliyində rektifikatorun empedansına çevirmək və onu müəyyən bir güc səviyyəsi üçün optimallaşdırmaq üçün əlavə RF uyğunlaşan şəbəkə dizayn etməkdir. Bu halda, effektiv RF-dən DC-yə çevrilməsini təmin etmək üçün uçdan-uca empedans bant genişliyi tələb olunur. Buna görə də, antenalar dövri elementlərdən və ya özünü tamamlayan həndəsədən istifadə edərək nəzəri cəhətdən sonsuz və ya ultra geniş bant genişliyinə nail ola bilsələr də, rektenanın bant genişliyi rektifikator uyğunluğu şəbəkəsi tərəfindən darboğaz olacaq.
Yansımaları minimuma endirməklə və antenna ilə rektifikator arasında güc ötürülməsini maksimum dərəcədə artırmaqla tək və çox zolaqlı yığım və ya WPT-yə nail olmaq üçün bir neçə rectenna topologiyası təklif edilmişdir. Şəkil 2, empedans uyğunluğu arxitekturasına görə təsnif edilən bildirilmiş rectenna topologiyalarının strukturlarını göstərir. Cədvəl 2, hər bir kateqoriya üçün uçdan-uca bant genişliyinə (bu halda, FoM) görə yüksək performanslı rektenaların nümunələrini göstərir.
Şəkil 2 Bant genişliyi və empedans uyğunluğu baxımından Rectenna topologiyaları. (a) Standart antenalı tək zolaqlı rektenna. (b) Çoxzolaqlı rektenna (bir-birini birləşdirən çoxlu antenalardan ibarətdir) bir rektifikator və hər lentə uyğun şəbəkə ilə. (c) Çoxlu RF portları və hər bir diapazon üçün ayrı-ayrı uyğun şəbəkələri olan genişzolaqlı rektena. (d) Genişzolaqlı antenna və genişzolaqlı uyğunluq şəbəkəsi ilə genişzolaqlı rectenna. (e) Düzləşdirici ilə birbaşa uyğunlaşdırılmış elektrik baxımından kiçik antennadan istifadə edən tək zolaqlı rektena. (f) Düzləşdirici ilə birləşmək üçün mürəkkəb empedansa malik bir zolaqlı, elektrik cəhətdən böyük antena. (g) bir sıra tezliklərdə rektifikatorla birləşmək üçün kompleks empedansa malik genişzolaqlı rektena.
Xüsusi yemdən WPT və ətraf mühit RFEH fərqli rectenna tətbiqləri olsa da, antenna, rektifikator və yük arasında uçdan-uca uyğunluğa nail olmaq, bant genişliyi baxımından yüksək gücə çevrilmə səmərəliliyinə (PCE) nail olmaq üçün əsasdır. Buna baxmayaraq, WPT rectennaları müəyyən güc səviyyələrində (a, e və f topologiyaları) tək diapazonlu PCE-ni təkmilləşdirmək üçün daha yüksək keyfiyyət amil uyğunluğuna (aşağı S11) nail olmağa daha çox diqqət yetirir. Tək zolaqlı WPT-nin geniş bant genişliyi sistemin detuning, istehsal qüsurları və qablaşdırma parazitlərinə qarşı toxunulmazlığını artırır. Digər tərəfdən, RFEH rectennaları çoxzolaqlı əməliyyata üstünlük verir və bd və g topologiyalarına aiddir, çünki tək bir bandın güc spektral sıxlığı (PSD) ümumiyyətlə daha aşağıdır.
3. Düzbucaqlı antenanın dizaynı
1. Tək tezlikli rektena
Tək tezlikli rektenanın (topologiya A) antenna dizaynı əsasən standart antenna dizaynına əsaslanır, məsələn, yer müstəvisində xətti qütbləşmə (LP) və ya dairəvi qütbləşmə (CP), dipol antenna və ters çevrilmiş F antenası. Diferensial diapazonlu rectenna çoxlu antena vahidləri ilə konfiqurasiya edilmiş DC kombinasiya massivinə və ya çoxsaylı yamaq vahidlərinin qarışıq DC və RF birləşməsinə əsaslanır.
Təklif olunan antenaların bir çoxu tək tezlikli antenalar olduğundan və tək tezlikli WPT tələblərinə cavab verdiyindən, ətraf mühitin çox tezlikli RFEH axtararkən, çoxlu tək tezlikli antenalar qarşılıqlı birləşmənin qarşısını alan və çox diapazonlu rektenalara (topologiya B) birləşdirilir. onları RF əldə etmə və çevirmə dövrəsindən tamamilə təcrid etmək üçün güc idarəetmə sxemindən sonra müstəqil DC birləşməsi. Bunun üçün hər bir zolaq üçün çoxlu enerji idarəetmə sxemləri tələb olunur ki, bu da tək bandın DC gücü aşağı olduğu üçün gücləndirici çeviricinin səmərəliliyini azalda bilər.
2. Çoxzolaqlı və genişzolaqlı RFEH antenalar
Ekoloji RFEH tez-tez multi-band alınması ilə əlaqələndirilir; buna görə də, standart antena dizaynlarının bant genişliyini yaxşılaşdırmaq üçün müxtəlif üsullar və ikili və ya zolaqlı antenna massivlərinin formalaşdırılması üsulları təklif edilmişdir. Bu bölmədə biz RFEH-lər üçün xüsusi antenna dizaynlarını, eləcə də rectenna kimi istifadə oluna bilən klassik çoxzolaqlı antenaları nəzərdən keçiririk.
Coplanar waveguide (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. Yansıtma təyyarələri izolyasiyanı artırmaq və qazancı yaxşılaşdırmaq üçün istifadə olunur, nəticədə yamaq antenalarına bənzər radiasiya nümunələri yaranır. Yivli düzbucaqlı dalğa ötürücü antenalar 1,8-2,7 GHz və ya 1-3 GHz kimi bir çox tezlik diapazonları üçün empedans bant genişliklərini yaxşılaşdırmaq üçün istifadə olunur. Birləşdirilmiş qidalanan yuva antenaları və yamaq antenaları da çox diapazonlu rektenna dizaynlarında istifadə olunur. Şəkil 3, birdən çox bant genişliyini təkmilləşdirmə texnikasından istifadə edən bəzi bildirilmiş çoxzolaqlı antenaları göstərir.
Şəkil 3
Antena-Rəktifikator Empedansının Uyğunluğu
50Ω antenanı qeyri-xətti düzəldici ilə uyğunlaşdırmaq çətindir, çünki onun giriş empedansı tezliyə görə çox dəyişir. A və B topologiyalarında (Şəkil 2) ümumi uyğunluq şəbəkəsi yığılmış elementlərdən istifadə edən LC uyğunluğudur; lakin, nisbi bant genişliyi adətən əksər rabitə diapazonlarından aşağı olur. Tək diapazonlu stub uyğunluğu adətən mikrodalğalı və 6 GHz-dən aşağı olan millimetr dalğa diapazonlarında istifadə olunur və bildirilmiş millimetr dalğalı rektenalar mahiyyətcə dar bant genişliyinə malikdir, çünki onların PCE bant genişliyi çıxış harmonik bastırılması ilə darboğaza malikdir və bu, onları xüsusilə tək diapazonlar üçün uyğun edir. 24 GHz lisenziyasız diapazonda band WPT proqramları.
C və D topologiyalarındakı rektenalar daha mürəkkəb uyğunluq şəbəkələrinə malikdir. Genişzolaqlı uyğunlaşma üçün çıxış portunda RF bloku/DC qısaqapanması (keçid filtri) və ya diod harmonikləri üçün geri dönüş yolu kimi DC bloklayıcı kondansatör ilə tam paylanmış xətt uyğunluğu şəbəkələri təklif edilmişdir. Düzəldici komponentləri kommersiya elektron dizayn avtomatlaşdırma vasitələrindən istifadə edərək sintez edilən çap dövrə lövhəsi (PCB) interdigitated kondansatörlərlə əvəz edilə bilər. Digər bildirilmiş genişzolaqlı rectenna uyğun şəbəkələri aşağı tezliklərə uyğunlaşmaq üçün yığılmış elementləri və girişdə qısa RF yaratmaq üçün paylanmış elementləri birləşdirir.
Mənbə vasitəsilə yükün müşahidə etdiyi giriş empedansının dəyişdirilməsi (mənbə-çəkmə texnikası kimi tanınır) yığılmış və ya paylanmış sxemlərlə müqayisədə 57% nisbi bant genişliyi (1,25-2,25 GHz) və 10% daha yüksək PCE ilə genişzolaqlı düzəldici dizayn etmək üçün istifadə edilmişdir. . Uyğun şəbəkələr adətən bütün 50Ω bant genişliyində antenaları uyğunlaşdırmaq üçün nəzərdə tutulsa da, ədəbiyyatda genişzolaqlı antenaların dar zolaqlı rektifikatorlara qoşulduğu barədə məlumatlar var.
Hibrid yığılmış element və paylanmış element uyğunluğu şəbəkələri C və D topologiyalarında geniş istifadə edilmişdir, seriyalı induktorlar və kondansatörlər ən çox istifadə olunan yığılmış elementlərdir. Bunlar standart mikrozolaqlı xətlərdən daha dəqiq modelləşdirmə və istehsal tələb edən interdigitated kondensatorlar kimi mürəkkəb strukturlardan qaçır.
Rektifikatorun 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 maksimuma çatdırmaq üçün nəzərdə tutulmuşdur. Diodlar ilk növbədə 3 GHz-dən aşağı tezliklərdə yüksək tutumlu empedans olduğundan, uyğun şəbəkələri aradan qaldıran və ya sadələşdirilmiş uyğunluq sxemlərini minimuma endirən genişzolaqlı rektenalar Prf>0 dBm və 1 GHz-dən yuxarı tezliklərə yönəldilmişdir, çünki diodlar aşağı tutumlu empedansa malikdir və yaxşı uyğunlaşdırıla bilər. antennaya, beləliklə, giriş reaktivləri >1,000Ω olan antenaların dizaynından qaçın.
Uyğunlaşan və ya yenidən konfiqurasiya edilə bilən empedans uyğunluğu CMOS rectennalarında görüldü, burada uyğun şəbəkə çipdəki kondansatör banklarından və induktorlardan ibarətdir. Statik CMOS uyğun şəbəkələri standart 50Ω antenalar, eləcə də birgə dizayn edilmiş loop antenalar üçün təklif edilmişdir. Bildirilib ki, passiv CMOS güc detektorları mövcud gücdən asılı olaraq antenanın çıxışını müxtəlif rektifikatorlara və uyğun şəbəkələrə yönəldən açarları idarə etmək üçün istifadə olunur. Bir vektor şəbəkə analizatorundan istifadə edərək giriş empedansını ölçərkən incə tənzimləmə ilə tənzimlənən, yığılmış tənzimlənən kondansatörlərdən istifadə edərək yenidən konfiqurasiya edilə bilən uyğunluq şəbəkəsi təklif edilmişdir. Yenidən konfiqurasiya edilə bilən mikrostrip uyğunlaşdırma şəbəkələrində, ikili diapazonlu xüsusiyyətlərə nail olmaq üçün uyğun stubları tənzimləmək üçün sahə effektli tranzistor açarları istifadə edilmişdir.
Antenalar haqqında daha çox məlumat əldə etmək üçün müraciət edin:
Göndərmə vaxtı: 09 avqust 2024-cü il
