1. Ievads
Radiofrekvences (RF) enerģijas ieguve (RFEH) un starojuma bezvadu jaudas pārvade (WPT) ir piesaistījušas lielu interesi kā metodes, lai izveidotu ilgtspējīgus bezvadu tīklus bez akumulatora. Taisnās antenas ir WPT un RFEH sistēmu stūrakmens, un tām ir būtiska ietekme uz slodzei piegādāto līdzstrāvas jaudu. Taisnās antenas elementi tieši ietekmē ieguves efektivitāti, kas var mainīt iegūto jaudu par vairākām lieluma kārtām. Šajā rakstā ir apskatītas antenu konstrukcijas, ko izmanto WPT un apkārtējās vides RFEH lietojumos. Ziņotās taisnās antenas tiek klasificētas pēc diviem galvenajiem kritērijiem: antenas izlīdzinošās impedances joslas platuma un antenas starojuma raksturlielumiem. Katram kritērijam tiek noteikts un salīdzinoši pārskatīts kvalitātes koeficients (FoM) dažādiem lietojumiem.
20. gadsimta sākumā Tesla ierosināja bezvadu mikroviļņu pārraides (WPT) tehnoloģiju kā metodi tūkstošiem zirgspēku pārraidīšanai. Termins “rectenna”, kas apraksta antenu, kas savienota ar taisngriezi, lai iegūtu radiofrekvenču (RF) jaudu, parādījās 20. gs. piecdesmitajos gados kosmosa mikroviļņu jaudas pārraides lietojumprogrammām un autonomu dronu darbināšanai. Visvirzienu, tālas darbības rādiusa WPT ierobežo izplatīšanās vides (gaisa) fizikālās īpašības. Tāpēc komerciālā WPT galvenokārt aprobežojas ar tuvā lauka neradiatīvo jaudas pārraidi bezvadu plaša patēriņa elektronikas uzlādei vai RFID.
Tā kā pusvadītāju ierīču un bezvadu sensoru mezglu enerģijas patēriņš turpina samazināties, kļūst arvien reālāk sensoru mezglus darbināt, izmantojot apkārtējās vides RFEH vai izkliedētus mazjaudas visvirzienu raidītājus. Īpaši mazjaudas bezvadu barošanas sistēmas parasti sastāv no RF uztveršanas priekšējā gala, līdzstrāvas barošanas un atmiņas pārvaldības, kā arī mazjaudas mikroprocesora un raidītāja.
1. attēlā parādīta RFEH bezvadu mezgla arhitektūra un bieži ziņotās RF priekšējās daļas ieviešanas. Bezvadu barošanas sistēmas efektivitāte no gala līdz galam un sinhronizētā bezvadu informācijas un jaudas pārraides tīkla arhitektūra ir atkarīga no atsevišķu komponentu, piemēram, antenu, taisngriežu un jaudas pārvaldības shēmu, veiktspējas. Ir veiktas vairākas literatūras aptaujas par dažādām sistēmas daļām. 1. tabulā ir apkopots jaudas pārveidošanas posms, galvenās komponentes efektīvai jaudas pārveidošanai un saistītās literatūras aptaujas par katru daļu. Jaunākā literatūra koncentrējas uz jaudas pārveidošanas tehnoloģiju, taisngriežu topoloģijām vai tīklā apzinīgu RFEH.
1. attēls
Tomēr antenas dizains netiek uzskatīts par kritisku RFEH komponentu. Lai gan dažos literatūras avotos antenas joslas platums un efektivitāte tiek aplūkota no kopējās perspektīvas vai no konkrētas antenas dizaina perspektīvas, piemēram, miniaturizētām vai valkājamām antenām, noteiktu antenas parametru ietekme uz jaudas uztveršanu un pārveidošanas efektivitāti netiek detalizēti analizēta.
Šajā rakstā ir apskatītas antenu projektēšanas metodes taisnstūrveida antenās ar mērķi atšķirt RFEH un WPT specifiskos antenu projektēšanas izaicinājumus no standarta sakaru antenu projektēšanas. Antenas tiek salīdzinātas no diviem aspektiem: pilnīgās impedances saskaņošanas un starojuma raksturlielumiem; katrā gadījumā tiek identificēta un pārskatīta FoM (fokusa vērtība) modernākajās (SoA) antenās.
2. Joslas platums un saskaņošana: RF tīkli bez 50Ω
Raksturīgā impedance 50Ω ir agrīns apsvērums kompromisam starp vājinājumu un jaudu mikroviļņu inženierijas pielietojumos. Antenās impedances joslas platums tiek 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 50Ω ieejas impedances atbilstību, tradicionāli atsauces signālam tiek izmantots 50Ω avots.
Taisngriezī antenas izeja tiek tieši padota taisngriezim, un diodes nelinearitāte izraisa lielas ieejas impedances svārstības, dominējot kapacitatīvajai komponentei. Pieņemot, ka antena ir 50Ω, galvenais izaicinājums ir izstrādāt papildu RF saskaņošanas tīklu, lai pārveidotu ieejas impedanci taisngrieža impedancē attiecīgajā frekvencē un optimizētu to noteiktam jaudas līmenim. Šajā gadījumā ir nepieciešama pilnīga impedances joslas platums, lai nodrošinātu efektīvu RF pārveidošanu līdzstrāvā. Tāpēc, lai gan antenas teorētiski var sasniegt bezgalīgu vai īpaši plašu joslas platumu, izmantojot periodiskus elementus vai paškomplementāru ģeometriju, taisngrieža joslas platumu ierobežos taisngrieža saskaņošanas tīkls.
Ir ierosinātas vairākas taisnstūra topoloģijas, lai panāktu vienas joslas un daudzjoslu joslas iegūšanu jeb WPT, samazinot atstarojumus un palielinot jaudas pārnesi starp antenu un taisngriezi. 2. attēlā parādītas ziņoto taisnstūra topoloģiju struktūras, kas kategorizētas pēc to impedances saskaņošanas arhitektūras. 2. tabulā parādīti augstas veiktspējas taisnstūra piemēri attiecībā uz gala-gala joslas platumu (šajā gadījumā FoM) katrai kategorijai.
2. attēls. Taisnās antenas topoloģijas no joslas platuma un impedances saskaņošanas viedokļa. (a) Vienjoslas taisnstūris ar standarta antenu. (b) Daudzjoslu taisnstūris (sastāv no vairākām savstarpēji savienotām antenām) ar vienu taisngriezi un saskaņošanas tīklu katrā joslā. (c) Platjoslas taisnstūris ar vairākiem RF portiem un atsevišķiem saskaņošanas tīkliem katrai joslai. (d) Platjoslas taisnstūris ar platjoslas antenu un platjoslas saskaņošanas tīklu. (e) Vienjoslas taisnstūris, izmantojot elektriski mazu antenu, kas tieši saskaņota ar taisngriezi. (f) Vienjoslas, elektriski liela antena ar kompleksu impedanci, lai konjugētu ar taisngriezi. (g) Platjoslas taisnstūris ar kompleksu impedanci, lai konjugētu ar taisngriezi frekvenču diapazonā.
Lai gan bezvadu taisngrieža (WPT) un apkārtējās vides RFEH no īpašas padeves ir atšķirīgi taisngriežu pielietojumi, pilnīgas saskaņošanas panākšana starp antenu, taisngriezi un slodzi ir būtiska, lai sasniegtu augstu jaudas pārveidošanas efektivitāti (PCE) no joslas platuma viedokļa. Tomēr bezvadu taisngrieža (WPT) taisngrieži vairāk koncentrējas uz augstākas kvalitātes faktora saskaņošanas (zemāks S11) sasniegšanu, lai uzlabotu vienas joslas PCE noteiktos jaudas līmeņos (topoloģijas a, e un f). Vienas joslas bezvadu taisngrieža (WPT) plašais joslas platums uzlabo sistēmas imunitāti pret noskaņošanu, ražošanas defektiem un iepakojuma parazītiem. No otras puses, RFEH taisngrieži prioritāri izmanto vairāku joslu darbību un pieder pie topoloģijām bd un g, jo vienas joslas jaudas spektrālais blīvums (PSD) parasti ir zemāks.
3. Taisnstūra antenas dizains
1. Vienfrekvences taisnstūris
Vienas frekvences taisnstūra (topoloģija A) antenas konstrukcija galvenokārt balstās uz standarta antenas konstrukciju, piemēram, lineārās polarizācijas (LP) vai cirkulārās polarizācijas (CP) izstarojošu plāksteri uz zemes plaknes, dipola antenu un apgrieztu F antenu. Diferenciālās joslas taisnstūra pamatā ir līdzstrāvas kombinēts masīvs, kas konfigurēts ar vairākām antenu vienībām vai jauktu līdzstrāvas un radiofrekvences (RF) kombināciju no vairākām plāksteru vienībām.
Tā kā daudzas no piedāvātajām antenām ir vienas frekvences antenas un atbilst vienas frekvences bezvadu enerģijas apstrādes (WPT) prasībām, meklējot vides daudzfrekvenču RFEH, vairākas vienas frekvences antenas tiek apvienotas daudzjoslu taisnstūrī (topoloģija B) ar savstarpējas savienošanas slāpēšanu un neatkarīgu līdzstrāvas apvienošanu pēc jaudas pārvaldības shēmas, lai tās pilnībā izolētu no RF iegūšanas un pārveidošanas shēmas. Tas prasa vairākas jaudas pārvaldības shēmas katrai joslai, kas var samazināt pastiprinājuma pārveidotāja efektivitāti, jo vienas joslas līdzstrāvas jauda ir zema.
2. Daudzjoslu un platjoslas RFEH antenas
Vides RFEH bieži tiek saistīts ar daudzjoslu uztveršanu; tāpēc ir ierosinātas dažādas metodes standarta antenu konstrukciju joslas platuma uzlabošanai un metodes divu joslu vai joslu antenu bloku veidošanai. Šajā sadaļā mēs apskatām pielāgotus antenu dizainus RFEH, kā arī klasiskās daudzjoslu antenas ar potenciālu izmantošanu kā taisnstūrveida antenas.
Koplanāras viļņvada (CPW) monopola antenas aizņem mazāku laukumu nekā mikrolentas ielāpa antenas tajā pašā frekvencē un rada LP vai CP viļņus, un tās bieži izmanto platjoslas vides taisnstūrveida antenām. Atstarošanas plaknes tiek izmantotas, lai palielinātu izolāciju un uzlabotu pastiprinājumu, kā rezultātā starojuma modeļi ir līdzīgi ielāpa antenām. Spraugu koplanāras viļņvada antenas tiek izmantotas, lai uzlabotu impedances joslas platumu vairākām frekvenču joslām, piemēram, 1,8–2,7 GHz vai 1–3 GHz. Savienotas barošanas spraugu antenas un ielāpa antenas bieži tiek izmantotas arī daudzjoslu taisnstūrveida antenu konstrukcijās. 3. attēlā parādītas dažas ziņotās daudzjoslu antenas, kas izmanto vairāk nekā vienu joslas platuma uzlabošanas metodi.
3. attēls
Antenas-taisngrieža impedances saskaņošana
50Ω antenas saskaņošana ar nelineāru taisngriezi ir sarežģīta, jo tās ieejas pretestība ievērojami mainās atkarībā no frekvences. A un B topoloģijās (2. attēls) parastais saskaņošanas tīkls ir LC saskaņošana, izmantojot apkopotus elementus; tomēr relatīvais joslas platums parasti ir mazāks nekā vairumam sakaru joslu. Vienas joslas atzaru saskaņošana parasti tiek izmantota mikroviļņu un milimetru viļņu joslās zem 6 GHz, un ziņotajām milimetru viļņu taisngriežiem ir raksturīgi šaurs joslas platums, jo to PCE joslas platumu ierobežo izejas harmoniku slāpēšana, kas padara tās īpaši piemērotas vienas joslas WPT lietojumprogrammām 24 GHz nelicencētajā joslā.
C un D topoloģiju taisnstūriem ir sarežģītāki saskaņošanas tīkli. Platjoslas saskaņošanai ir piedāvāti pilnībā izkliedēti līniju saskaņošanas tīkli ar RF bloku/līdzstrāvas īsslēgumu (caurlaides filtru) izejas portā vai līdzstrāvas bloķēšanas kondensatoru kā atgriešanās ceļu diodes harmonikām. Taisngrieža komponentus var aizstāt ar iespiedshēmas plates (PCB) savstarpēji savienotiem kondensatoriem, kas tiek sintezēti, izmantojot komerciālus elektronikas projektēšanas automatizācijas rīkus. Citos ziņotajos platjoslas taisnstūru saskaņošanas tīklos ir apvienoti apkopoti elementi saskaņošanai ar zemākām frekvencēm un izkliedēti elementi RF īsslēguma radīšanai ieejā.
Mainot ieejas impedanci, ko novēro slodze caur avotu (pazīstama kā avota vilkšanas metode), ir izstrādāts platjoslas taisngriezis ar 57 % relatīvo joslas platumu (1,25–2,25 GHz) un par 10 % augstāku PCE salīdzinājumā ar sadalītajām shēmām. Lai gan saskaņošanas tīkli parasti ir paredzēti antenu saskaņošanai visā 50 Ω joslas platumā, literatūrā ir ziņojumi, kuros platjoslas antenas ir savienotas ar šaurjoslas taisngriežiem.
Hibrīdie salikto elementu un izkliedēto elementu saskaņošanas tīkli ir plaši izmantoti C un D topoloģijās, un visbiežāk izmantotie saliktie elementi ir virknes induktori un kondensatori. Tie ļauj izvairīties no sarežģītām struktūrām, piemēram, savstarpēji savienotiem kondensatoriem, kuriem nepieciešama precīzāka modelēšana un izgatavošana nekā standarta mikrostripas līnijām.
Ieejas jauda taisngriezim ietekmē ieejas impedanci diodes nelinearitātes dēļ. Tāpēc taisngriezis ir konstruēts tā, lai maksimāli palielinātu PCE noteiktam ieejas jaudas līmenim un slodzes impedancei. Tā kā diodes galvenokārt ir kapacitatīvas ar augstu impedanci frekvencēs zem 3 GHz, platjoslas taisngrieži, kas likvidē saskaņošanas tīklus vai samazina vienkāršotas saskaņošanas shēmas, ir koncentrēti uz frekvencēm Prf>0 dBm un virs 1 GHz, jo diodēm ir zema kapacitatīvā impedance un tās var labi saskaņot ar antenu, tādējādi izvairoties no antenu konstrukcijas ar ieejas reaktivitāti >1000Ω.
Adaptīva vai pārkonfigurējama impedances saskaņošana ir novērota CMOS taisnstūros, kur saskaņošanas tīkls sastāv no mikroshēmā iebūvētām kondensatoru bankām un induktoriem. Standarta 50Ω antenām, kā arī kopīgi izstrādātām cilpas antenām ir ierosināti arī statiskie CMOS saskaņošanas tīkli. Ir ziņots, ka pasīvie CMOS jaudas detektori tiek izmantoti, lai kontrolētu slēdžus, kas novirza antenas izeju uz dažādiem taisngriežiem un saskaņošanas tīkliem atkarībā no pieejamās jaudas. Ir ierosināts pārkonfigurējams saskaņošanas tīkls, izmantojot koncentrētus regulējamus kondensatorus, kas tiek noregulēts ar precīzu noregulēšanu, mērot ieejas impedanci, izmantojot vektoru tīkla analizatoru. Pārkonfigurējamos mikrolentu saskaņošanas tīklos lauka efekta tranzistora slēdži ir izmantoti, lai pielāgotu saskaņošanas vadiem, lai panāktu divu joslu raksturlielumus.
Lai uzzinātu vairāk par antenām, lūdzu, apmeklējiet:
Publicēšanas laiks: 2024. gada 9. augusts
