1. Pambuka
Panen energi frekuensi radio (RF) (RFEH) lan transfer daya nirkabel radiatif (WPT) wis narik minat gedhe minangka cara kanggo entuk jaringan nirkabel lestari tanpa baterei. Rectennas minangka landasan sistem WPT lan RFEH lan duweni pengaruh sing signifikan marang daya DC sing dikirim menyang beban. Unsur antena saka rectenna langsung mengaruhi efficiency panen, kang bisa beda-beda daya panen dening sawetara pesenan saka gedhene. Makalah iki nliti desain antena sing digunakake ing WPT lan aplikasi RFEH sekitar. Rectennas sing dilaporake diklasifikasikake miturut rong kritéria utama: bandwidth impedansi sing mbenerake antena lan karakteristik radiasi antena. Kanggo saben kritéria, tokoh sing pantes (FoM) kanggo aplikasi sing beda ditemtokake lan dideleng kanthi relatif.
WPT diusulake dening Tesla ing awal abad kaping 20 minangka cara kanggo ngirimake ribuan tenaga kuda. Istilah rectenna, sing nggambarake antena sing disambungake menyang penyearah kanggo ngasilake daya RF, muncul ing taun 1950-an kanggo aplikasi transmisi daya gelombang mikro ruang lan kanggo nguwasani drone otonom. Omnidirectional, long-range WPT diwatesi dening sifat fisik saka medium propagasi (udara). Mulane, WPT komersial utamane diwatesi kanggo transfer daya non-radiatif cedhak-bidang kanggo pangisian daya elektronik konsumen nirkabel utawa RFID.
Nalika konsumsi daya piranti semikonduktor lan simpul sensor nirkabel terus suda, dadi luwih layak kanggo simpul sensor daya nggunakake RFEH sekitar utawa nggunakake pemancar omnidirectional kurang daya sing disebarake. Sistem daya nirkabel ultra-rendah biasane kalebu mburi ngarep akuisisi RF, daya DC lan manajemen memori, lan mikroprosesor lan transceiver daya-rendah.
Gambar 1 nuduhake arsitektur simpul nirkabel RFEH lan implementasine ngarep mburi RF sing umum dilapurake. Efisiensi end-to-end sistem daya nirkabel lan arsitektur informasi nirkabel sing disinkronake lan jaringan transfer daya gumantung marang kinerja komponen individu, kayata antena, rectifier, lan sirkuit manajemen daya. Sawetara survey literatur wis ditindakake kanggo macem-macem bagean sistem. Tabel 1 ngringkes tataran konversi daya, komponen kunci kanggo konversi daya efisien, lan survey literatur sing gegandhengan kanggo saben bagean. Literatur paling anyar fokus ing teknologi konversi daya, topologi rectifier, utawa RFEH sing ngerti jaringan.
Gambar 1
Nanging, desain antena ora dianggep minangka komponen kritis ing RFEH. Senajan sawetara literatur nganggep bandwidth antena lan efisiensi saka perspektif sakabèhé utawa saka perspektif desain antena tartamtu, kayata miniaturized utawa antena wearable, impact saka paramèter antena tartamtu ing reception daya lan efficiency konversi ora analisa rinci.
Makalah iki nliti teknik desain antena ing rectennas kanthi tujuan mbedakake tantangan desain antena khusus RFEH lan WPT saka desain antena komunikasi standar. Antena dibandhingake saka rong perspektif: cocog impedansi end-to-end lan karakteristik radiation; ing saben kasus, FoM dikenali lan dideleng ing negara-saka-gambar (SoA) antena.
2. Bandwidth lan Cocog: Non-50Ω RF Networks
Impedansi karakteristik 50Ω minangka pertimbangan awal saka kompromi antarane atenuasi lan daya ing aplikasi teknik gelombang mikro. Ing antena, bandwidth impedansi ditetepake minangka sawetara frekuensi ing ngendi daya sing dibayangke kurang saka 10% (S11< - 10 dB). Wiwit amplifiers low noise (LNA), amplifier daya, lan detektor biasane dirancang kanthi cocog impedansi input 50Ω, sumber 50Ω biasane dirujuk.
Ing rectenna a, output saka antena langsung dipakani menyang rectifier, lan nonlinearity saka diode nimbulaké variasi gedhe ing impedansi input, karo komponen kapasitif ndominasi. Nganggep antena 50Ω, tantangan utama yaiku ngrancang jaringan cocog RF tambahan kanggo ngowahi impedansi input menyang impedansi rectifier ing frekuensi kapentingan lan ngoptimalake kanggo tingkat daya tartamtu. Ing kasus iki, bandwidth impedansi end-to-end dibutuhake kanggo njamin konversi RF menyang DC sing efisien. Mulane, sanajan antena bisa entuk bandwidth tanpa wates utawa ultra-sudhut kanthi teoritis kanthi nggunakake unsur periodik utawa geometri pelengkap, bandwidth saka rectenna bakal bottlenecked dening jaringan cocog rectifier.
Sawetara topologi rectenna wis ngajokaken kanggo entuk siji-band lan multi-band panen utawa WPT dening minimalake bayangan lan nggedhekake transfer daya antarane antena lan rectifier. Gambar 2 nuduhake struktur topologi rectenna sing dilapurake, dikategorikake miturut arsitektur sing cocog karo impedansi. Tabel 2 nuduhake conto rectennas kinerja dhuwur karo bandwidth end-to-end (ing kasus iki, FoM) kanggo saben kategori.
Figure 2 Rectenna topologies saka perspektif bandwidth lan impedansi cocog. (a) Single-band rectenna karo antena standar. (b) Multiband rectenna (kapérang saka macem-macem antena bebarengan) karo siji rectifier lan cocog jaringan saben band. (c) Broadband rectenna karo sawetara bandar RF lan jaringan cocog kapisah kanggo saben band. (d) Broadband rectenna karo broadband antena lan broadband cocog jaringan. (e) Single-band rectenna nggunakake antena listrik cilik langsung cocog kanggo rectifier. (f) Single-band, antena listrik gedhe karo impedansi Komplek kanggo conjugate karo rectifier. (g) Broadband rectenna karo impedansi Komplek kanggo conjugate karo rectifier liwat sawetara frekuensi.
Nalika WPT lan RFEH sekitar saka feed darmabakti iku aplikasi rectenna beda, entuk end-to-end cocog antarane antena, rectifier lan mbukak iku dhasar kanggo entuk efficiency konversi daya dhuwur (PCE) saka perspektif bandwidth. Nanging, WPT rectennas luwih fokus kanggo entuk cocog faktor kualitas sing luwih dhuwur (S11 ngisor) kanggo nambah siji-band PCE ing tingkat daya tartamtu (topologi a, e lan f). Bandwidth lebar WPT pita tunggal nambah kekebalan sistem kanggo detuning, cacat manufaktur lan parasit kemasan. Ing tangan liyane, RFEH rectennas prioritize operasi multi-band lan kagolong topologi bd lan g, minangka Kapadhetan spektral daya (PSD) saka band siji umume luwih murah.
3. Desain antena persegi dowo
1. Single-frekuensi rectenna
Desain antena saka rectenna frekuensi siji (topologi A) utamané adhedhasar desain antena standar, kayata polarisasi linear (LP) utawa circular polarisasi (CP) radiating patch ing bidang lemah, antena dipole lan kuwalik antena F. Rectenna band diferensial adhedhasar susunan kombinasi DC sing dikonfigurasi karo sawetara unit antena utawa gabungan DC lan RF campuran saka sawetara unit patch.
Amarga akeh antena sing diusulake yaiku antena frekuensi siji lan nyukupi syarat WPT frekuensi tunggal, nalika nggoleki RFEH multi-frekuensi lingkungan, sawetara antena frekuensi siji digabungake dadi rectenna multi-band (topologi B) kanthi penekanan kopling bebarengan lan kombinasi DC independen sawise sirkuit Manajemen daya kanggo rampung isolasi saka akuisisi RF lan sirkuit konversi. Iki mbutuhake macem-macem sirkuit manajemen daya kanggo saben band, sing bisa nyuda efisiensi konverter ngedongkrak amarga daya DC band siji kurang.
2. Antena RFEH multi-band lan broadband
RFEH lingkungan asring digandhengake karo akuisisi multi-band; mulane, macem-macem Techniques wis ngajokaken kanggo nambah jembaré band saka designs antena standar lan cara kanggo mbentuk dual-band utawa band susunan antena. Ing bagean iki, kita mriksa desain antena khusus kanggo RFEH, uga antena multi-band klasik kanthi potensial digunakake minangka rectenna.
Coplanar waveguide (CPW) antena monopole Occupy area kurang saka microstrip patch antena ing frekuensi padha lan gawé gelombang LP utawa CP, lan asring digunakake kanggo rectennas lingkungan broadband. Pesawat refleksi digunakake kanggo nambah isolasi lan nambah gain, nyebabake pola radiasi sing padha karo antena patch. Antena pandu gelombang coplanar slotted digunakake kanggo nambah bandwidth impedansi kanggo sawetara pita frekuensi, kayata 1,8-2,7 GHz utawa 1-3 GHz. Gandheng-panganan slot antena lan patch antena uga umum digunakake ing multi-band designs rectenna. Figure 3 nuduhake sawetara kacarita antena multi-band sing nggunakke luwih saka siji technique dandan bandwidth.
Gambar 3
Antena-Rectifier Impedansi Matching
Matching antena 50Ω kanggo rectifier nonlinear tantangan amarga impedansi input beda-beda gumantung banget karo frekuensi. Ing topologi A lan B (Figure 2), jaringan cocog umum cocog LC nggunakake unsur lumped; Nanging, bandwidth relatif biasane luwih murah tinimbang paling band komunikasi. Pencocokan rintisan pita tunggal umume digunakake ing pita gelombang mikro lan milimeter ing ngisor 6 GHz, lan rectenna gelombang milimeter sing dilapurake duwe bandwidth sing sempit amarga bandwidth PCE diblokir dening penindasan harmonik output, sing ndadekake dheweke cocok kanggo siji- aplikasi band WPT ing pita 24 GHz tanpa lisensi.
Rectennas ing topologi C lan D duwe jaringan cocog luwih Komplek. Jaringan sing cocog karo garis sing disebarake kanthi lengkap wis diusulake kanggo cocog broadband, kanthi sirkuit cendhak RF / DC (filter pass) ing port output utawa kapasitor pamblokiran DC minangka jalur bali kanggo harmonik dioda. Komponen rectifier bisa diganti karo papan sirkuit dicithak (PCB) kapasitor interdigitated, sing disintesis nggunakake alat otomatisasi desain elektronik komersial. Jaringan sing cocog karo broadband rectenna broadband liyane nggabungake unsur sing digabungake kanggo cocog karo frekuensi sing luwih murah lan unsur sing disebarake kanggo nggawe RF cendhak ing input.
Macem-macem impedansi input sing diamati dening beban liwat sumber (dikenal minangka teknik tarik-sumber) wis digunakake kanggo ngrancang rectifier broadband kanthi bandwidth relatif 57% (1.25-2.25 GHz) lan PCE sing luwih dhuwur 10% dibandhingake karo sirkuit sing digabung utawa disebarake. . Senajan jaringan cocog biasane dirancang kanggo cocog antena liwat kabeh bandwidth 50Ω, ana laporan ing literatur ngendi antena broadband wis disambungake menyang rectifiers narrowband.
Jaringan pencocokan unsur gabungan hibrida lan unsur sing disebarake wis akeh digunakake ing topologi C lan D, kanthi induktor seri lan kapasitor minangka unsur sing paling umum digunakake. Iki nyegah struktur rumit kayata kapasitor interdigitated, sing mbutuhake model lan fabrikasi sing luwih akurat tinimbang garis microstrip standar.
Daya input kanggo rectifier mengaruhi impedansi input amarga nonlinearity saka diode. Mulane, rectenna dirancang kanggo nggedhekake PCE kanggo tingkat daya input tartamtu lan mbukak impedansi. Wiwit dioda utamane impedansi dhuwur kapasitif ing frekuensi ngisor 3 GHz, rectenna broadband sing ngilangi jaringan sing cocog utawa nyilikake sirkuit sing cocog sing disederhanakake wis fokus ing frekuensi Prf> 0 dBm lan ndhuwur 1 GHz, amarga dioda duwe impedansi kapasitif sing sithik lan bisa dicocogake kanthi apik. menyang antena, saéngga ngindhari desain antena kanthi reaktansi input > 1.000Ω.
Adaptive utawa reconfigurable impedansi cocog wis katon ing rectennas CMOS, ngendi jaringan cocog kasusun saka bank-bank kapasitor ing-chip lan induktor. Jaringan sing cocog karo CMOS statis uga wis diusulake kanggo antena 50Ω standar uga antena daur ulang sing dirancang bebarengan. Kacarita detektor daya CMOS pasif digunakake kanggo ngontrol ngalih sing ngarahake output antena menyang rectifier beda lan jaringan sing cocog gumantung saka daya sing kasedhiya. A jaringan cocog reconfigurable nggunakake kapasitor tunable lumped wis ngajokaken, kang disetel dening fine-tuning nalika ngukur impedansi input nggunakake analyzer jaringan vektor. Ing jaringan pencocokan microstrip sing bisa dikonfigurasi ulang, switch transistor efek lapangan digunakake kanggo nyetel stub sing cocog kanggo entuk karakteristik dual-band.
Kanggo mangerteni sing luwih lengkap babagan antena, bukak:
Wektu kirim: Aug-09-2024
