1.Ievads
Radiofrekvenču (RF) enerģijas ieguve (RFEH) un radiatīva bezvadu jaudas pārnešana (WPT) ir izraisījusi lielu interesi kā metodes ilgtspējīgu bezvadu tīklu izveidei bez akumulatoriem. Rectennas ir WPT un RFEH sistēmu stūrakmens, un tām ir būtiska ietekme uz slodzei piegādāto līdzstrāvas jaudu. Rectenna antenas elementi tieši ietekmē ražas novākšanas efektivitāti, kas var mainīt novākto jaudu par vairākām kārtām. Šajā rakstā ir aplūkoti WPT un apkārtējās vides RFEH lietojumprogrammās izmantotie antenu modeļi. Paziņotās taisnās līnijas tiek klasificētas pēc diviem galvenajiem kritērijiem: antenas iztaisnošanas pretestības joslas platums un antenas starojuma raksturlielumi. Katram kritērijam tiek noteikts un salīdzinoši pārskatīts nopelnu skaitlis (FoM) dažādiem pieteikumiem.
Tesla 20. gadsimta sākumā ierosināja WPT kā metodi tūkstošiem zirgspēku pārsūtīšanai. Termins rectenna, kas apzīmē antenu, kas savienota ar taisngriezi, lai iegūtu RF jaudu, radās 1950. gados kosmosa mikroviļņu enerģijas pārraides lietojumiem un autonomu dronu darbināšanai. Daudzvirzienu, liela attāluma WPT ierobežo izplatīšanās vides (gaisa) fizikālās īpašības. Tāpēc komerciālā WPT galvenokārt aprobežojas ar tuva lauka neradiatīvas jaudas pārraidi bezvadu plaša patēriņa elektronikas uzlādēšanai vai RFID.
Turpinot samazināties pusvadītāju ierīču un bezvadu sensoru mezglu enerģijas patēriņam, kļūst daudz izdevīgāk sensoru mezglus darbināt, izmantojot apkārtējās vides RFEH vai izkliedētus mazjaudas daudzvirzienu raidītājus. Īpaši mazjaudas bezvadu barošanas sistēmas parasti sastāv no RF uztveršanas priekšgala, līdzstrāvas jaudas un atmiņas pārvaldības, kā arī mazjaudas mikroprocesora un raiduztvērēja.
1. attēlā parādīta RFEH bezvadu mezgla arhitektūra un parasti ziņotās RF priekšgala implementācijas. Bezvadu energosistēmas pilnīga efektivitāte un sinhronizētā bezvadu informācijas un jaudas pārsūtīšanas tīkla arhitektūra ir atkarīga no atsevišķu komponentu, piemēram, antenu, taisngriežu un jaudas pārvaldības shēmu, veiktspējas. Par dažādām sistēmas daļām ir veiktas vairākas literatūras aptaujas. 1. tabulā ir apkopots jaudas pārveidošanas posms, galvenie komponenti efektīvai jaudas pārveidošanai un saistītās literatūras apskati katrai daļai. Jaunākajā literatūrā galvenā uzmanība ir pievērsta jaudas pārveidošanas tehnoloģijai, taisngriežu topoloģijām vai tīklam atbilstošu RFEH.
1. attēls
Tomēr antenas dizains netiek uzskatīts par kritisku RFEH sastāvdaļu. Lai gan dažās literatūrā antenas joslas platums un efektivitāte aplūkota no vispārējā perspektīvas vai no noteiktas antenas konstrukcijas perspektīvas, piemēram, miniaturizētas vai valkājamas antenas, noteiktu antenas parametru ietekme uz jaudas uztveršanu un pārveidošanas efektivitāti nav detalizēti analizēta.
Šajā rakstā ir apskatītas antenu projektēšanas metodes taisnstūrī, lai atšķirtu RFEH un WPT specifiskas antenas dizaina problēmas no standarta sakaru antenas dizaina. Antenas tiek salīdzinātas no divām perspektīvām: end-to-end pretestības saskaņošana un starojuma raksturlielumi; katrā gadījumā FoM tiek identificēts un pārskatīts vismodernākajās (SoA) antenās.
2. Joslas platums un atbilstība: RF tīkli, kas nav 50Ω
Raksturīgā pretestība 50Ω ir agrīns apsvērums par kompromisu starp vājinājumu un jaudu mikroviļņu inženierijas lietojumos. Antenās pretestības joslas platums ir definēts kā frekvenču diapazons, kurā atstarotā jauda ir mazāka par 10% (S11< – 10 dB). Tā kā zema trokšņa pastiprinātāji (LNA), jaudas pastiprinātāji un detektori parasti tiek konstruēti ar 50 Ω ieejas pretestības atbilstību, tradicionāli atsaucas uz 50 Ω avotu.
Taisnajā tīklā antenas izvade tiek tieši ievadīta taisngriežā, un diodes nelinearitāte izraisa lielas ieejas pretestības izmaiņas, dominējot kapacitatīvajam komponentam. Pieņemot, ka antena ir 50 Ω, galvenais izaicinājums ir izveidot papildu RF saskaņošanas tīklu, lai pārveidotu ieejas pretestību par taisngrieža pretestību interesējošā frekvencē un optimizētu to noteiktam jaudas līmenim. Šajā gadījumā, lai nodrošinātu efektīvu RF uz līdzstrāvu pārveidošanu, ir nepieciešams no gala līdz galam pretestības joslas platums. Tāpēc, lai gan antenas var sasniegt teorētiski bezgalīgu vai īpaši plašu joslas platumu, izmantojot periodiskus elementus vai sevi papildinošu ģeometriju, taisngrieža joslas platumu sašaurinās taisngrieža saskaņošanas tīkls.
Ir ierosinātas vairākas taisnās līnijas topoloģijas, lai panāktu vienas joslas un vairāku joslu novākšanu vai WPT, samazinot atstarojumus un maksimāli palielinot jaudas pārnesi starp antenu un taisngriezi. 2. attēlā parādītas ziņoto taisnās līnijas topoloģiju struktūras, kas klasificētas pēc to pretestības atbilstības arhitektūras. 2. tabulā ir parādīti augstas veiktspējas taisnleņķa piemēri attiecībā uz joslas platumu no gala līdz galam (šajā gadījumā FoM) katrai kategorijai.
2. attēls Taisnlaides topoloģijas no joslas platuma un pretestības saskaņošanas viedokļa. a) vienas joslas taisnstūris ar standarta antenu. b) daudzjoslu taisnleņķis (sastāv no vairākām savstarpēji savienotām antenām) ar vienu taisngriezi un atbilstošu tīklu katrā joslā. c) platjoslas taisnleņķis ar vairākiem RF portiem un atsevišķiem atbilstošiem tīkliem katrai joslai. d) platjoslas taisnleņķis ar platjoslas antenu un platjoslas saskaņošanas tīklu. e) vienas joslas taisnstūris, izmantojot elektriski mazu antenu, kas ir tieši saskaņota ar taisngriezi. f) vienas joslas, elektriski liela antena ar sarežģītu pretestību, lai savienotos ar taisngriezi. (g) platjoslas taisnleņķis ar sarežģītu pretestību, lai konjugētu ar taisngriezi vairākās frekvenču diapazonā.
Lai gan WPT un apkārtējās vides RFEH no speciālās padeves ir dažādas taisnās līnijas lietojumprogrammas, antenas, taisngrieža un slodzes pilnīgas saskaņošanas panākšana ir būtiska, lai sasniegtu augstu jaudas konversijas efektivitāti (PCE) no joslas platuma perspektīvas. Tomēr WPT rectennas vairāk koncentrējas uz augstākas kvalitātes faktoru atbilstības sasniegšanu (zemāks S11), lai uzlabotu vienas joslas PCE noteiktos jaudas līmeņos (topoloģijas a, e un f). Plašais vienas joslas WPT joslas platums uzlabo sistēmas imunitāti pret atskaņošanu, ražošanas defektiem un iepakošanas parazītiem. No otras puses, RFEH rectennas piešķir prioritāti vairāku joslu darbībai un pieder topoloģijām bd un g, jo vienas joslas jaudas spektrālais blīvums (PSD) parasti ir zemāks.
3. Taisnstūra antenas dizains
1. Vienfrekvences taisnleņķis
Vienfrekvences taisnstūrveida antenas dizains (topoloģija A) galvenokārt balstās uz standarta antenas dizainu, piemēram, lineāro polarizāciju (LP) vai cirkulāro polarizāciju (CP), kas izstaro iezemēto plakni, dipola antenu un apgrieztu F antenu. Diferenciālās joslas taisnās līnijas pamatā ir līdzstrāvas kombinācijas bloks, kas konfigurēts ar vairākām antenu vienībām vai jauktu līdzstrāvas un RF kombināciju no vairākām ielāpu vienībām.
Tā kā daudzas no piedāvātajām antenām ir vienas frekvences antenas un atbilst vienas frekvences WPT prasībām, meklējot vides daudzfrekvenču RFEH, vairākas vienas frekvences antenas tiek apvienotas daudzjoslu taisnstūrēs (topoloģija B) ar savstarpēju savienojuma slāpēšanu un neatkarīga līdzstrāvas kombinācija pēc jaudas pārvaldības ķēdes, lai tās pilnībā izolētu no RF iegūšanas un pārveidošanas ķēdes. Tam nepieciešamas vairākas jaudas pārvaldības shēmas katrai joslai, kas var samazināt pastiprināšanas pārveidotāja efektivitāti, jo vienas joslas līdzstrāvas jauda ir zema.
2. Daudzjoslu un platjoslas RFEH antenas
Vides RFEH bieži ir saistīta ar vairāku joslu iegūšanu; tāpēc ir ierosināti dažādi paņēmieni, lai uzlabotu standarta antenu konstrukciju joslas platumu un metodes divjoslu vai joslu antenu bloku veidošanai. Šajā sadaļā mēs apskatām pielāgotus antenu dizainus RFEH, kā arī klasiskās daudzjoslu antenas, kuras var izmantot kā taisnstūrveida antenas.
Kopplanārās viļņvada (CPW) monopola antenas aizņem mazāku laukumu nekā mikroslokšņu plākstera antenas ar tādu pašu frekvenci un rada LP vai CP viļņus, un tās bieži izmanto platjoslas vides taisnstūriem. Atstarošanas plaknes tiek izmantotas, lai palielinātu izolāciju un uzlabotu pastiprinājumu, kā rezultātā radiācijas modeļi ir līdzīgi plākstera antenām. Lai uzlabotu pretestības joslas platumu vairākās frekvenču joslās, piemēram, 1,8–2,7 GHz vai 1–3 GHz, tiek izmantotas spraugas kopplanāras viļņvada antenas. Savienotās barošanas slota antenas un plākstera antenas parasti izmanto arī vairāku joslu taisnstūrveida konstrukcijās. 3. attēlā parādītas dažas ziņotās daudzjoslu antenas, kurās tiek izmantota vairāk nekā viena joslas platuma uzlabošanas tehnika.
3. attēls
Antenas un taisngrieža pretestības saskaņošana
50 Ω antenas saskaņošana ar nelineāru taisngriezi ir sarežģīta, jo tās ieejas pretestība ievērojami atšķiras atkarībā no frekvences. Topoloģijās A un B (2. attēls) kopīgais saskaņošanas tīkls ir LC sakritība, izmantojot sagrupētus elementus; tomēr relatīvais joslas platums parasti ir mazāks nekā lielākajai daļai sakaru joslu. Vienas joslas stubs saskaņošana parasti tiek izmantota mikroviļņu un milimetru viļņu joslās zem 6 GHz, un ziņotajām milimetru viļņu taisnajām joslām ir šaurs joslas platums, jo to PCE joslas platums ir ierobežots izejas harmonikas slāpēšanas dēļ, kas padara tās īpaši piemērotas vienai joslas WPT lietojumprogrammas 24 GHz nelicencētajā joslā.
C un D topoloģiju taisnajām līnijām ir sarežģītāki atbilstības tīkli. Platjoslas saskaņošanai ir ierosināti pilnībā izkliedēti līniju saskaņošanas tīkli ar RF bloku/līdzstrāvas īssavienojumu (caurlaides filtru) izejas portā vai līdzstrāvas bloķējošu kondensatoru kā atgriešanās ceļu diodes harmonikas. Taisngriežu komponentus var aizstāt ar iespiedshēmas plates (PCB) savstarpēji savienotiem kondensatoriem, kas tiek sintezēti, izmantojot komerciālus elektroniskās projektēšanas automatizācijas rīkus. Citi ziņotie platjoslas taisnās līnijas saskaņošanas tīkli apvieno grupētus elementus, lai saskaņotu ar zemākām frekvencēm, un sadalītos elementus, lai ieejā izveidotu RF īssavienojumu.
Ieejas pretestības maiņa, ko novēro slodze, izmantojot avotu (pazīstama kā avota vilkšanas tehnika), ir izmantota, lai izstrādātu platjoslas taisngriezi ar 57% relatīvo joslas platumu (1,25–2,25 GHz) un par 10% lielāku PCE, salīdzinot ar apvienotajām vai sadalītajām shēmām. . Lai gan saskaņošanas tīkli parasti ir paredzēti, lai saskaņotu antenas visā 50 Ω joslas platumā, literatūrā ir ziņojumi, ka platjoslas antenas ir savienotas ar šaurjoslas taisngriežiem.
C un D topoloģijās plaši izmantoti hibrīdie viengabalu elementu un sadalīto elementu saskaņošanas tīkli, un sērijveida induktori un kondensatori ir visbiežāk izmantotie elementi. Tie ļauj izvairīties no sarežģītām struktūrām, piemēram, savstarpēji savienotiem kondensatoriem, kuriem nepieciešama precīzāka modelēšana un izgatavošana nekā standarta mikrosloksnes līnijām.
Taisngrieža ieejas jauda ietekmē ieejas pretestību diodes nelinearitātes dēļ. Tāpēc taisnstūris ir paredzēts, lai maksimāli palielinātu PCE noteiktam ieejas jaudas līmenim un slodzes pretestībai. Tā kā diodes galvenokārt ir kapacitatīvās augstas pretestības frekvencēs zem 3 GHz, platjoslas taisnās līnijas, kas novērš saskaņošanas tīklus vai samazina vienkāršotas saskaņošanas shēmas, ir vērstas uz frekvencēm Prf>0 dBm un virs 1 GHz, jo diodēm ir zema kapacitatīvā pretestība un tās var labi saskaņot. uz antenu, tādējādi izvairoties no antenu projektēšanas ar ieejas pretestību >1000Ω.
Adaptīvā vai pārkonfigurējamā pretestības saskaņošana ir novērota CMOS taisnstūrī, kur saskaņošanas tīkls sastāv no mikroshēmas kondensatoru bankām un induktoriem. Statiskie CMOS saskaņošanas tīkli ir ierosināti arī standarta 50Ω antenām, kā arī kopīgi izstrādātām cilpas antenām. Ir ziņots, ka pasīvie CMOS jaudas detektori tiek izmantoti, lai kontrolētu slēdžus, kas novirza antenas izvadi uz dažādiem taisngriežiem un atbilstošiem tīkliem atkarībā no pieejamās jaudas. Ir ierosināts pārkonfigurējams atbilstības tīkls, kurā tiek izmantoti noskaņojami kondensatori, kas tiek noregulēti, precīzi noregulējot, vienlaikus mērot ieejas pretestību, izmantojot vektoru tīkla analizatoru. Pārkonfigurējamos mikroslokšņu saskaņošanas tīklos lauka efekta tranzistoru slēdži ir izmantoti, lai pielāgotu atbilstības izvadus, lai sasniegtu divu joslu raksturlielumus.
Lai uzzinātu vairāk par antenām, lūdzu, apmeklējiet:
Publicēšanas laiks: 09.09.2024
