1. Pambuka
Panen energi frekuensi radio (RF) (RFEH) lan transfer daya nirkabel radiatif (WPT) wis narik kawigaten gedhe minangka metode kanggo entuk jaringan nirkabel lestari tanpa baterei. Rectenna minangka pondasi sistem WPT lan RFEH lan duwe pengaruh sing signifikan marang daya DC sing dikirim menyang beban. Unsur antena rectenna langsung mengaruhi efisiensi panen, sing bisa ngowahi daya panen kanthi pirang-pirang urutan gedhene. Makalah iki nliti desain antena sing digunakake ing aplikasi WPT lan RFEH sekitar. Rectenna sing dilapurake diklasifikasikake miturut rong kritéria utama: bandwidth impedansi rektifikasi antena lan karakteristik radiasi antena. Kanggo saben kritéria, angka merit (FoM) kanggo aplikasi sing beda-beda ditemtokake lan ditinjau kanthi komparatif.
WPT diusulake dening Tesla ing awal abad kaping 20 minangka metode kanggo ngirim ewonan tenaga kuda. Istilah rectenna, sing nggambarake antena sing disambungake menyang rectifier kanggo ngumpulake daya RF, muncul ing taun 1950-an kanggo aplikasi transmisi daya gelombang mikro ruang angkasa lan kanggo ngdaya drone otonom. WPT omnidirectional, jarak jauh diwatesi dening sifat fisik media propagasi (udara). Mulane, WPT komersial utamane diwatesi kanggo transfer daya non-radiatif cedhak-medan kanggo pangisian daya elektronik konsumen nirkabel utawa RFID.
Amarga konsumsi daya piranti semikonduktor lan simpul sensor nirkabel terus mudhun, mula luwih gampang kanggo menehi daya marang simpul sensor nggunakake RFEH sekitar utawa nggunakake pemancar omnidirectional daya rendah sing didistribusikake. Sistem daya nirkabel daya rendah ultra biasane kasusun saka front end akuisisi RF, manajemen daya lan memori DC, lan mikroprosesor lan transceiver daya rendah.
Gambar 1 nuduhake arsitektur simpul nirkabel RFEH lan implementasi front-end RF sing umum dilapurake. Efisiensi end-to-end sistem daya nirkabel lan arsitektur jaringan informasi lan transfer daya nirkabel sing disinkronake 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 tahap konversi daya, komponen kunci kanggo konversi daya sing efisien, lan survey literatur sing gegandhengan kanggo saben bagean. Literatur 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. Sanajan sawetara literatur nganggep bandwidth lan efisiensi antena saka perspektif sakabèhé utawa saka perspektif desain antena tartamtu, kayata antena miniatur utawa sing bisa dienggo, dampak parameter antena tartamtu marang panrima daya lan efisiensi konversi ora dianalisis kanthi rinci.
Makalah iki nliti teknik desain antena ing rectennas kanthi tujuan kanggo mbedakake tantangan desain antena khusus RFEH lan WPT saka desain antena komunikasi standar. Antena dibandhingake saka rong perspektif: pencocokan impedansi ujung-ke-ujung lan karakteristik radiasi; ing saben kasus, FoM diidentifikasi lan ditinjau ing antena canggih (SoA).
2. Bandwidth lan Pencocokan: Jaringan RF Non-50Ω
Impedansi karakteristik 50Ω minangka pertimbangan awal saka kompromi antarane atenuasi lan daya ing aplikasi teknik gelombang mikro. Ing antena, bandwidth impedansi ditetepake minangka rentang frekuensi ing ngendi daya sing dipantulake kurang saka 10% (S11< − 10 dB). Amarga penguat gangguan rendah (LNA), penguat daya, lan detektor biasane dirancang kanthi cocog impedansi input 50Ω, sumber 50Ω sacara tradisional dirujuk.
Ing rectenna, output antena langsung dipasok menyang rectifier, lan nonlinieritas dioda nyebabake variasi gedhe ing impedansi input, kanthi komponen kapasitif sing dominan. Kanthi nganggep antena 50Ω, tantangan utama yaiku ngrancang jaringan pencocokan RF tambahan kanggo ngowahi impedansi input dadi impedansi rectifier ing frekuensi sing dikarepake lan ngoptimalake kanggo tingkat daya tartamtu. Ing kasus iki, bandwidth impedansi ujung-ke-ujung dibutuhake kanggo njamin konversi RF menyang DC sing efisien. Mulane, sanajan antena bisa entuk bandwidth tanpa wates utawa ultra-wide kanthi teoritis nggunakake elemen periodik utawa geometri komplementer dhewe, bandwidth rectenna bakal dihambat dening jaringan pencocokan rectifier.
Sawetara topologi rectenna wis diusulake kanggo entuk panen single-band lan multi-band utawa WPT kanthi minimalake pantulan lan maksimalake transfer daya antarane antena lan rectifier. Gambar 2 nuduhake struktur topologi rectenna sing dilapurake, dikategorikake miturut arsitektur pencocokan impedansi. Tabel 2 nuduhake conto rectenna kinerja dhuwur gegayutan karo bandwidth end-to-end (ing kasus iki, FoM) kanggo saben kategori.
Gambar 2 Topologi Rectenna saka perspektif bandwidth lan pencocokan impedansi. (a) Rectenna pita tunggal nganggo antena standar. (b) Rectenna multiband (kasusun saka pirang-pirang antena sing saling gandheng) nganggo siji rectifier lan jaringan sing cocog saben band. (c) Rectenna broadband nganggo pirang-pirang port RF lan jaringan sing cocog kapisah kanggo saben band. (d) Rectenna broadband nganggo antena broadband lan jaringan sing cocog broadband. (e) Rectenna pita tunggal nggunakake antena cilik sing dicocogake langsung karo rectifier. (f) Antena pita tunggal, gedhe kanthi impedansi kompleks kanggo konjugasi karo rectifier. (g) Rectenna broadband nganggo impedansi kompleks kanggo konjugasi karo rectifier liwat rentang frekuensi.
Sanajan WPT lan RFEH sekitar saka feed khusus minangka aplikasi rectenna sing beda, nggayuh pencocokan ujung-ke-ujung antarane antena, penyearah, lan beban minangka dhasar kanggo entuk efisiensi konversi daya (PCE) sing dhuwur saka perspektif bandwidth. Nanging, rectenna WPT luwih fokus kanggo entuk pencocokan faktor kualitas sing luwih dhuwur (S11 sing luwih murah) kanggo ningkatake PCE pita tunggal ing tingkat daya tartamtu (topologi a, e, lan f). Bandwidth sing amba saka WPT pita tunggal ningkatake kekebalan sistem kanggo detuning, cacat manufaktur, lan parasit kemasan. Ing sisih liya, rectenna RFEH ngutamakake operasi multi-band lan kalebu topologi bd lan g, amarga kapadhetan spektral daya (PSD) saka pita tunggal umume luwih murah.
3. Desain antena persegi panjang
1. Rectenna frekuensi tunggal
Desain antena rekten frekuensi tunggal (topologi A) utamane adhedhasar desain antena standar, kayata polarisasi linier (LP) utawa polarisasi bunder (CP) sing nyebarake patch ing bidang lemah, antena dipol lan antena F terbalik. Rectenna pita diferensial adhedhasar array kombinasi DC sing dikonfigurasi karo pirang-pirang unit antena utawa kombinasi DC lan RF campuran saka pirang-pirang unit patch.
Amarga akeh antena sing diusulake minangka antena frekuensi tunggal lan nyukupi syarat WPT frekuensi tunggal, nalika nggoleki RFEH multi-frekuensi lingkungan, pirang-pirang antena frekuensi tunggal digabungake dadi rektenna multi-band (topologi B) kanthi penekanan kopling timbal balik lan kombinasi DC independen sawise sirkuit manajemen daya kanggo ngisolasi kanthi lengkap saka sirkuit akuisisi lan konversi RF. Iki mbutuhake pirang-pirang sirkuit manajemen daya kanggo saben band, sing bisa nyuda efisiensi konverter boost amarga daya DC saka siji band kurang.
2. Antena RFEH multi-band lan broadband
RFEH lingkungan asring digandhengake karo akuisisi multi-band; mulane, macem-macem teknik wis diusulake kanggo ningkatake bandwidth desain antena standar lan metode kanggo mbentuk array antena dual-band utawa band. Ing bagean iki, kita nliti desain antena khusus kanggo RFEH, uga antena multi-band klasik kanthi potensi kanggo digunakake minangka rectennas.
Antena monopole coplanar waveguide (CPW) ngenggoni area sing luwih sithik tinimbang antena patch mikrostrip kanthi frekuensi sing padha lan ngasilake gelombang LP utawa CP, lan asring digunakake kanggo rektangle lingkungan broadband. Bidang refleksi digunakake kanggo nambah isolasi lan nambah gain, sing nyebabake pola radiasi sing padha karo antena patch. Antena waveguide coplanar slotted digunakake kanggo nambah bandwidth impedansi kanggo pirang-pirang pita frekuensi, kayata 1,8–2,7 GHz utawa 1–3 GHz. Antena slot coupled-fed lan antena patch uga umum digunakake ing desain rektangle multi-band. Gambar 3 nuduhake sawetara antena multi-band sing dilapurake sing nggunakake luwih saka siji teknik perbaikan bandwidth.
Gambar 3
Pencocokan Impedansi Antena-Rectifier
Cocokake antena 50Ω karo penyearah nonlinier iku tantangan amarga impedansi input beda-beda banget karo frekuensi. Ing topologi A lan B (Gambar 2), jaringan pencocokan umum yaiku pencocokan LC nggunakake elemen lumped; Nanging, bandwidth relatif biasane luwih murah tinimbang umume pita komunikasi. Pencocokan rintisan pita tunggal umum digunakake ing pita gelombang mikro lan gelombang milimeter ing ngisor 6 GHz, lan rektenna gelombang milimeter sing dilapurake duwe bandwidth sing sempit amarga bandwidth PCE-ne diwatesi dening penekanan harmonik output, sing ndadekake cocog banget kanggo aplikasi WPT pita tunggal ing pita tanpa lisensi 24 GHz.
Rectenna ing topologi C lan D duwé jaringan pencocokan sing luwih kompleks. Jaringan pencocokan garis sing didistribusikan kanthi lengkap wis diusulake kanggo pencocokan broadband, kanthi sirkuit cendhak blok RF/DC (pass filter) ing port output utawa kapasitor pemblokiran DC minangka jalur bali kanggo harmonik dioda. Komponen penyearah bisa diganti karo kapasitor interdigit papan sirkuit cetak (PCB), sing disintesis nggunakake alat otomatisasi desain elektronik komersial. Jaringan pencocokan rectenna broadband liyane sing dilapurake nggabungake elemen lumped kanggo pencocokan karo frekuensi sing luwih murah lan elemen sing didistribusikan kanggo nggawe sirkuit cendhak RF ing input.
Ngowahi impedansi input sing diamati dening beban liwat sumber (dikenal minangka teknik source-pull) wis digunakake kanggo ngrancang penyearah broadband kanthi bandwidth relatif 57% (1,25–2,25 GHz) lan PCE 10% luwih dhuwur dibandhingake karo sirkuit lumped utawa distributed. Sanajan jaringan sing cocog biasane dirancang kanggo cocog karo antena ing kabeh bandwidth 50Ω, ana laporan ing literatur ing ngendi antena broadband wis disambungake menyang penyearah narrowband.
Jaringan pencocokan elemen terdistribusi lan elemen terlumped hibrida wis digunakake sacara wiyar ing topologi C lan D, kanthi induktor seri lan kapasitor minangka elemen terlumped sing paling umum digunakake. Iki ngindhari struktur kompleks kayata kapasitor interdigitated, sing mbutuhake pemodelan lan fabrikasi sing luwih akurat tinimbang garis mikrostrip standar.
Daya input menyang rectifier mengaruhi impedansi input amarga nonlinieritas dioda. Mulane, rectenna dirancang kanggo ngoptimalake PCE kanggo tingkat daya input lan impedansi beban tartamtu. Amarga dioda utamane impedansi kapasitif dhuwur ing frekuensi ing ngisor 3 GHz, rectenna broadband sing ngilangi jaringan sing cocog utawa nyilikake sirkuit cocog sing disederhanakake wis difokusake ing frekuensi Prf>0 dBm lan ndhuwur 1 GHz, amarga dioda duwe impedansi kapasitif sing kurang lan bisa dicocogake kanthi apik karo antena, saengga ngindhari desain antena kanthi reaktansi input >1.000Ω.
Pencocokan impedansi adaptif utawa sing bisa dikonfigurasi ulang wis katon ing rectennas CMOS, ing ngendi jaringan pencocokan kasusun saka bank kapasitor lan induktor ing chip. Jaringan pencocokan CMOS statis uga wis diusulake kanggo antena standar 50Ω uga antena loop sing dirancang bebarengan. Wis dilapurake yen detektor daya CMOS pasif digunakake kanggo ngontrol sakelar sing ngarahake output antena menyang rectifier lan jaringan pencocokan sing beda-beda gumantung saka daya sing kasedhiya. Jaringan pencocokan sing bisa dikonfigurasi ulang nggunakake kapasitor sing bisa disetel bebarengan wis diusulake, sing disetel kanthi fine-tuning nalika ngukur impedansi input nggunakake penganalisis jaringan vektor. Ing jaringan pencocokan mikrostrip sing bisa dikonfigurasi ulang, sakelar transistor efek medan wis digunakake kanggo nyetel rintisan pencocokan kanggo entuk karakteristik dual-band.
Kanggo mangerteni luwih lengkap babagan antena, bukak:
Wektu kiriman: 9-Agu-2024
