1.Enkonduko
Radiofrekvenco (RF) energirikoltlaboro (RFEH) kaj radiativa sendrata potenctransigo (WPT) altiris grandan intereson kiel metodoj por atingi senbateriojn daŭrigeblajn sendratajn retojn. Rectennoj estas la bazŝtono de WPT kaj RFEH-sistemoj kaj havas signifan efikon al la DC-potenco liverita al la ŝarĝo. La antenelementoj de la rektenno rekte influas la rikolta efikecon, kiu povas variigi la rikoltitan potencon je pluraj grandordoj. Ĉi tiu artikolo recenzas la antendezajnojn utiligitajn en WPT kaj ĉirkaŭaj RFEH-aplikoj. La raportitaj rektanoj estas klasifikitaj laŭ du ĉefaj kriterioj: la anteno rektifiga impedanca bendolarĝo kaj la radiadkarakterizaĵoj de la anteno. Por ĉiu kriterio, la figuro de merito (FoM) por malsamaj aplikoj estas kompare determinita kaj reviziita.
WPT estis proponita de Tesla komence de la 20-a jarcento kiel metodo por transdoni milojn da ĉevalfortoj. La esprimo rekteno, kiu priskribas antenon ligitan al rektifilo por rikolti RF-potencon, aperis en la 1950-aj jaroj por spacaj mikroondaj potencaj dissendaplikoj kaj por funkciigi aŭtonomiajn virabelojn. Ĉiondirekta, longdistanca WPT estas limigita per la fizikaj trajtoj de la disvastigmedio (aero). Tial, komerca WPT estas plejparte limigita al proksima kampo ne-radiativa potencotransigo por sendrata konsumelektroniko ŝargado aŭ RFID.
Ĉar la elektrokonsumo de duonkonduktaĵo-aparatoj kaj sendrataj sensilnodoj daŭre malpliiĝas, iĝas pli fareble funkciigi sensilnodojn uzante ĉirkaŭan RFEH aŭ uzante distribuitajn malalt-motorajn omnidirektajn dissendilojn. Ultra-malalt-potencaj sendrataj potencaj sistemoj kutime konsistas el RF-akira antaŭa finaĵo, Dc-potenco kaj memoradministrado, kaj malalt-motora mikroprocesoro kaj dissendilo.
Figuro 1 montras la arkitekturon de RFEH sendrata nodo kaj la ofte raportitaj RF-antaŭfinaj efektivigoj. La fin-al-fina efikeco de la sendrata potenca sistemo kaj la arkitekturo de la sinkronigita sendrata informo kaj potenco-transiga reto dependas de la agado de individuaj komponentoj, kiel ekzemple antenoj, rektifiloj kaj potenco-administradcirkvitoj. Pluraj literaturenketoj estis faritaj por malsamaj partoj de la sistemo. Tablo 1 resumas la potenckonvertan etapon, ŝlosilajn komponantojn por efika potenckonverto, kaj rilatajn literaturajn enketojn por ĉiu parto. Lastatempa literaturo temigas potencokonvertan teknologion, rektifiltopologiojn, aŭ ret-konscian RFEH.
Figuro 1
Tamen, antendezajno ne estas konsiderita kritikan komponenton en RFEH. Kvankam iu literaturo pripensas antenbendolarĝon kaj efikecon de totala perspektivo aŭ de specifa antendezajnperspektivo, kiel ekzemple miniaturigitaj aŭ porteblaj antenoj, la efiko de certaj antenparametroj sur potencricevo kaj konverta efikeco ne estas analizita en detalo.
Ĉi tiu artikolo revizias antendezajnajn teknikojn en rektanoj kun la celo distingi RFEH kaj WPT-specifajn antendezajnajn defiojn de norma komunika antendezajno. Antenoj estas komparitaj de du perspektivoj: fin-al-fina impedanckongruo kaj radiadkarakterizaĵoj; en ĉiu kazo, la FoM estas identigita kaj reviziita en la pintnivelaj (SoA) antenoj.
2. Bandwidth kaj Kongruo: Ne-50Ω RF-Retoj
La karakteriza impedanco de 50Ω estas frua konsidero de la kompromiso inter malfortiĝo kaj potenco en mikroondaj inĝenieristikaj aplikoj. En antenoj, la impedanca bendolarĝo estas difinita kiel la frekvencintervalo kie la reflektita potenco estas malpli ol 10% (S11< − 10 dB). Ĉar malaltbruaj amplifiloj (LNAoj), potenco-amplifiloj, kaj detektiloj estas tipe dizajnitaj kun 50Ω eniga impedancmatĉo, 50Ω fonto estas tradicie referenceita.
En rekteno, la produktaĵo de la anteno estas rekte provizita en la rektifilon, kaj la nelineareco de la diodo kaŭzas grandan varion en la enirimpedanco, kie la kapacita komponento dominas. Supozante 50Ω antenon, la ĉefdefio estas dizajni kroman RF-kongruan reton por transformi la enirimpedancon al la impedanco de la rektifilo ĉe la frekvenco de intereso kaj optimumigi ĝin por specifa potenconivelo. En ĉi tiu kazo, fin-al-fina impedanca bendolarĝo estas postulata por certigi efikan RF al Dc konvertiĝo. Tial, kvankam antenoj povas atingi teorie senfinan aŭ ultra-larĝan bendolarĝon uzante periodajn elementojn aŭ mem-komplimentan geometrion, la bendolarĝo de la rektenno estos proplemigita fare de la rektifila kongrua reto.
Pluraj rekttenaj topologioj estis proponitaj atingi unu-grupan kaj multi-grupan rikolton aŭ WPT minimumigante reflektadojn kaj maksimumigante potencotransigon inter la anteno kaj la rektifilo. Figuro 2 montras la strukturojn de la raportitaj rekttenaj topologioj, klasifikitaj per ilia impedanca kongrua arkitekturo. Tablo 2 montras ekzemplojn de alt-efikecaj rektanoj rilate al fin-al-fina bendolarĝo (en ĉi tiu kazo, FoM) por ĉiu kategorio.
Figuro 2 Rectenna topologioj de la perspektivo de bendolarĝo kaj impedanca egalado. (a) Unu-grupa rektenno kun norma anteno. (b) Plurbanda rektaĵo (kunmetita de multoblaj reciproke kunligitaj antenoj) kun unu rektifilo kaj kongrua reto per bendo. (c) Larĝbenda rektaĵo kun multoblaj RF-havenoj kaj apartaj kongruaj retoj por ĉiu grupo. (d) Larĝbenda rektenno kun larĝbenda anteno kaj larĝbenda kongrua reto. (e) Unu-grupa rektigilo uzanta elektre malgrandan antenon rekte egalitan al la rektifilo. (f) Unu-grupa, elektre granda anteno kun kompleksa impedanco por konjugi kun la rektifilo. (g) Larĝbenda rektaĵo kun kompleksa impedanco por konjugi kun la rektifilo en gamo da frekvencoj.
Dum WPT kaj ĉirkaŭa RFEH de dediĉita nutrado estas malsamaj rectennaplikoj, atingi fin-al-finan kongruon inter anteno, rektifilo kaj ŝarĝo estas fundamenta por atingi altan potencan konvertan efikecon (PCE) de bendolarĝa perspektivo. Tamen, WPT-rektenoj temigas pli atingado de pli alta kvalita faktoro-kongruo (pli malalta S11) por plibonigi unu-grupan PCE sur certaj potencniveloj (topologioj a, e kaj f). La larĝa bendolarĝo de unu-banda WPT plibonigas la sisteman imunecon al malagordado, fabrikado-difektoj kaj pakaj parazitoj. Aliflanke, RFEH-rektenoj prioritatas plurgrupan operacion kaj apartenas al topologioj bd kaj g, ĉar la potenco-spektra denseco (PSD) de ununura grupo estas ĝenerale pli malalta.
3. Rektangula anteno dezajno
1. Unu-frekvenca rektenno
La antendezajno de unu-frekvenca rektenno (topologio A) estas plejparte bazita sur norma antenodezajno, kiel ekzemple linia polusiĝo (LP) aŭ cirkla polusiĝo (CP) radianta peceto sur la grunda ebeno, dipolanteno kaj inversa F-anteno. Diferenciga bendo rekta estas bazita sur Dc-kombinaro agordita kun multoblaj antenunuoj aŭ miksita Dc kaj RF-kombinaĵo de multoblaj flikaj unuoj.
Ĉar multaj el la proponitaj antenoj estas unu-frekvencaj antenoj kaj plenumas la postulojn de unu-frekvenca WPT, dum serĉado de media plurfrekvenca RFEH, multoblaj unu-frekvencaj antenoj estas kombinitaj en plur-bendajn rektajn (topologio B) kun reciproka kunliga subpremado kaj sendependa DC-kombinaĵo post la potenco-administrada cirkvito por tute izoli ilin de la RF-akiro kaj konverta cirkvito. Tio postulas multoblajn potencadministradcirkvitojn por ĉiu grupo, kiu povas redukti la efikecon de la akceltransformilo ĉar la Dc-potenco de ununura grupo estas malalta.
2. Multi-bendaj kaj larĝbendaj RFEH-antenoj
Media RFEH ofte estas rilata al multi-grupa akiro; tial, gamo da teknikoj estis proponitaj por plibonigado de la bendolarĝo de normaj antendezajnoj kaj metodoj por formado de duoblaj aŭ grupaj antenartabloj. En ĉi tiu sekcio, ni revizias kutimajn antendezajnojn por RFEH-oj, same kiel klasikajn plurbandajn antenojn kun la potencialo esti uzataj kiel rektanoj.
Coplanar-ondgvidisto (CPW) monopolantenoj okupas malpli areon ol mikrostrip-pecetenoj ĉe la sama frekvenco kaj produktas longdiskon aŭ CP-ondojn, kaj ofte estas uzitaj por larĝbendaj mediaj rektanoj. Reflektaj aviadiloj kutimas pliigi izolitecon kaj plibonigi gajnon, rezultigante radiadpadronojn similajn al flikaj antenoj. Fendigitaj koplanaj ondgvidantenoj kutimas plibonigi impedancbendolarĝojn por multoblaj frekvencbendoj, kiel ekzemple 1.8-2.7 GHz aŭ 1-3 GHz. Kupli-manĝitaj fendetenoj kaj flikantenoj ankaŭ estas ofte uzitaj en plurbandaj rektandezajnoj. Figuro 3 montras kelkajn raportitajn multi-bendajn antenojn kiuj utiligas pli ol unu bendolarĝan plibonigteknikon.
Figuro 3
Anteno-Rectifier Impedance Matching
Kongrui 50Ω antenon al nelinia rektifilo estas malfacila ĉar ĝia eniga impedanco multe varias laŭ frekvenco. En topologioj A kaj B (Figuro 2), la komuna kongrua reto estas LC-matĉo uzanta buligitajn elementojn; tamen, la relativa bendolarĝo estas kutime pli malalta ol la plej multaj komunikadbendoj. Unu-grupa stumpkongruo estas ofte uzita en mikroondaj kaj mili-ondaj grupoj sub 6 GHz, kaj la raportitaj mili-ondaj rektanoj havas esence mallarĝan bendolarĝon ĉar ilia PCE-bendolarĝo estas proplemigita per produkta harmonia subpremado, kiu igas ilin precipe taŭgaj por unu-grupo. grupaj WPT-aplikoj en la 24 GHz senlicenca grupo.
La rektanoj en topologioj C kaj D havas pli kompleksajn kongruajn retojn. Plene distribuitaj linio-kongruaj retoj estis proponitaj por larĝbenda kongruo, kun RF-bloko/Dc-kurta cirkvito (enirpermesilfiltrilo) ĉe la produktaĵhaveno aŭ Dc-blokanta kondensilo kiel revenpado por diodaj harmonoj. La rektifilkomponentoj povas esti anstataŭigitaj per presita cirkvito (PCB) interciferecaj kondensiloj, kiuj estas sintezitaj uzante komercajn elektronikajn dezajnoaŭtomatilojn. Aliaj raportitaj larĝbendaj rektatenaj kongruaj retoj kombinas amasigitajn elementojn por egalado al pli malaltaj frekvencoj kaj distribuitaj elementoj por kreado de RF fuŝkontakto ĉe la enigo.
Variigi la enirimpedancon observitan per la ŝarĝo tra fonto (konata kiel la font-tira tekniko) estis uzita por dizajni larĝbendan rektifilon kun 57% relativa bendolarĝo (1.25-2.25 GHz) kaj 10% pli alta PCE komparite kun buligitaj aŭ distribuitaj cirkvitoj. . Kvankam egalaj retoj estas tipe dizajnitaj por egali antenojn super la tuta 50Ω bendolarĝo, ekzistas raportoj en la literaturo kie larĝbendaj antenoj estis ligitaj al mallarĝbendaj rektifiloj.
Hibridaj bul-elementaj kaj distribu-elementaj egalaj retoj estis vaste uzitaj en topologioj C kaj D, kun serioinduktoroj kaj kondensiloj estantaj la plej ofte uzitaj bulitaj elementoj. Tiuj evitas kompleksajn strukturojn kiel ekzemple interciferecaj kondensiloj, kiuj postulas pli precizan modeligadon kaj fabrikadon ol normaj mikrostriolinioj.
La enirpotenco al la rektifilo influas la enirimpedancon pro la nelineareco de la diodo. Tial, la rektenno estas dizajnita por maksimumigi la PCE por specifa enirpotencnivelo kaj ŝarĝimpedanco. Ĉar diodoj estas ĉefe kapacita alta impedanco ĉe frekvencoj sub 3 GHz, larĝbendaj rektanoj kiuj eliminas egalajn retojn aŭ minimumigas simpligitajn kongruajn cirkvitojn estis temigis frekvencojn Prf>0 dBm kaj super 1 GHz, ĉar la diodoj havas malaltan kapacivan impedancon kaj povas esti bone egalitaj. al la anteno, tiel evitante la dezajnon de antenoj kun enirreaktancoj >1,000Ω.
Adapta aŭ reagordebla impedanckongruo estis vidita en CMOS-rektennoj, kie la kongrua reto konsistas el sur-pecetaj kondensilbankoj kaj induktoroj. Senmovaj CMOS-kongruaj retoj ankaŭ estis proponitaj por normaj 50Ω antenoj same kiel ko-dizajnitaj bukloantenoj. Estis raportite ke pasivaj CMOS-potencdetektiloj kutimas kontroli ŝaltilojn kiuj direktas la produktadon de la anteno al malsamaj rektifiloj kaj kongruaj retoj depende de la disponebla potenco. Reagordebla kongrua reto uzanta buligitajn agordeblajn kondensiloj estis proponita, kiu estas agordita per fajnagordado dum mezurado de la enirimpedanco uzante vektorretan analizilon. En reagordeblaj mikrostriaj kongruaj retoj, kampefikaj transistorŝaltiloj estis uzitaj por alĝustigi la kongruajn stumpojn por atingi duoble-grupajn karakterizaĵojn.
Por lerni pli pri antenoj, bonvolu viziti:
Afiŝtempo: Aŭg-09-2024
