1.Εισαγωγή
Η συλλογή ενέργειας ραδιοσυχνοτήτων (RFEH) και η ασύρματη μεταφορά ενέργειας ακτινοβολίας (WPT) έχουν προσελκύσει μεγάλο ενδιαφέρον ως μέθοδοι για την επίτευξη βιώσιμων ασύρματων δικτύων χωρίς μπαταρίες. Τα Rectennas αποτελούν τον ακρογωνιαίο λίθο των συστημάτων WPT και RFEH και έχουν σημαντικό αντίκτυπο στην ισχύ συνεχούς ρεύματος που παρέχεται στο φορτίο. Τα στοιχεία κεραίας του ορθοστάτη επηρεάζουν άμεσα την απόδοση συγκομιδής, η οποία μπορεί να μεταβάλλει την ισχύ συγκομιδής κατά πολλές τάξεις μεγέθους. Αυτό το έγγραφο εξετάζει τα σχέδια κεραιών που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές WPT και RFEH περιβάλλοντος. Οι αναφερόμενες ορθοστάτες ταξινομούνται σύμφωνα με δύο βασικά κριτήρια: το εύρος ζώνης της σύνθετης αντίστασης ανόρθωσης κεραίας και τα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας της κεραίας. Για κάθε κριτήριο, ο αριθμός της αξίας (FoM) για διαφορετικές εφαρμογές προσδιορίζεται και εξετάζεται συγκριτικά.
Το WPT προτάθηκε από τον Tesla στις αρχές του 20ου αιώνα ως μέθοδος μετάδοσης χιλιάδων ίππων. Ο όρος rectenna, ο οποίος περιγράφει μια κεραία συνδεδεμένη με έναν ανορθωτή για τη συλλογή ισχύος RF, εμφανίστηκε τη δεκαετία του 1950 για εφαρμογές μετάδοσης ισχύος μικροκυμάτων στο διάστημα και για την τροφοδοσία αυτόνομων drones. Το πανκατευθυντικό, μεγάλης εμβέλειας WPT περιορίζεται από τις φυσικές ιδιότητες του μέσου διάδοσης (αέρας). Ως εκ τούτου, το εμπορικό WPT περιορίζεται κυρίως στη μεταφορά ενέργειας χωρίς ακτινοβολία κοντινού πεδίου για ασύρματη φόρτιση ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης ή RFID.
Καθώς η κατανάλωση ενέργειας των συσκευών ημιαγωγών και των ασύρματων κόμβων αισθητήρων συνεχίζει να μειώνεται, γίνεται πιο εφικτό να τροφοδοτούν κόμβους αισθητήρων χρησιμοποιώντας RFEH περιβάλλοντος ή χρησιμοποιώντας κατανεμημένους πολυκατευθυντικούς πομπούς χαμηλής ισχύος. Τα ασύρματα συστήματα ισχύος εξαιρετικά χαμηλής κατανάλωσης συνήθως αποτελούνται από ένα μπροστινό μέρος απόκτησης ραδιοσυχνοτήτων, διαχείριση ισχύος DC και μνήμης και μικροεπεξεργαστή και πομποδέκτη χαμηλής κατανάλωσης.
Το Σχήμα 1 δείχνει την αρχιτεκτονική ενός ασύρματου κόμβου RFEH και τις κοινώς αναφερόμενες υλοποιήσεις RF front-end. Η απόδοση από άκρο σε άκρο του ασύρματου συστήματος ισχύος και η αρχιτεκτονική του συγχρονισμένου ασύρματου δικτύου πληροφοριών και μεταφοράς ισχύος εξαρτάται από την απόδοση μεμονωμένων στοιχείων, όπως κεραίες, ανορθωτές και κυκλώματα διαχείρισης ενέργειας. Έχουν διεξαχθεί αρκετές βιβλιογραφικές έρευνες για διαφορετικά μέρη του συστήματος. Ο Πίνακας 1 συνοψίζει το στάδιο μετατροπής ισχύος, τα βασικά στοιχεία για την αποτελεσματική μετατροπή ισχύος και τις σχετικές βιβλιογραφικές έρευνες για κάθε μέρος. Η πρόσφατη βιβλιογραφία επικεντρώνεται στην τεχνολογία μετατροπής ισχύος, στις τοπολογίες ανορθωτών ή στο RFEH με γνώση του δικτύου.
Εικόνα 1
Ωστόσο, ο σχεδιασμός της κεραίας δεν θεωρείται κρίσιμο στοιχείο στο RFEH. Αν και κάποια βιβλιογραφία εξετάζει το εύρος ζώνης και την απόδοση της κεραίας από μια συνολική προοπτική ή από μια συγκεκριμένη προοπτική σχεδιασμού κεραίας, όπως μικροσκοπικές ή φορετές κεραίες, ο αντίκτυπος ορισμένων παραμέτρων κεραίας στη λήψη ισχύος και την απόδοση μετατροπής δεν αναλύεται λεπτομερώς.
Αυτό το άρθρο εξετάζει τις τεχνικές σχεδίασης κεραιών σε rectennas με στόχο τη διάκριση των ειδικών προκλήσεων σχεδιασμού κεραιών RFEH και WPT από τον τυπικό σχεδιασμό κεραίας επικοινωνίας. Οι κεραίες συγκρίνονται από δύο οπτικές γωνίες: αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης από άκρο σε άκρο και χαρακτηριστικά ακτινοβολίας. Σε κάθε περίπτωση, το FoM προσδιορίζεται και εξετάζεται στις κεραίες τελευταίας τεχνολογίας (SoA).
2. Εύρος ζώνης και αντιστοίχιση: Δίκτυα RF χωρίς 50Ω
Η χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση των 50Ω είναι μια πρώιμη εξέταση του συμβιβασμού μεταξύ εξασθένησης και ισχύος σε εφαρμογές μηχανικής μικροκυμάτων. Στις κεραίες, το εύρος ζώνης σύνθετης αντίστασης ορίζεται ως το εύρος συχνοτήτων όπου η ανακλώμενη ισχύς είναι μικρότερη από 10% (S11< − 10 dB). Δεδομένου ότι οι ενισχυτές χαμηλού θορύβου (LNA), οι ενισχυτές ισχύος και οι ανιχνευτές σχεδιάζονται συνήθως με αντιστοιχία σύνθετης αντίστασης εισόδου 50Ω, παραδοσιακά αναφέρεται μια πηγή 50Ω.
Σε ένα ορθογώνιο, η έξοδος της κεραίας τροφοδοτείται απευθείας στον ανορθωτή και η μη γραμμικότητα της διόδου προκαλεί μεγάλη διακύμανση στην σύνθετη αντίσταση εισόδου, με το χωρητικό εξάρτημα να κυριαρχεί. Υποθέτοντας μια κεραία 50Ω, η κύρια πρόκληση είναι να σχεδιαστεί ένα πρόσθετο δίκτυο αντιστοίχισης ραδιοσυχνοτήτων για να μετατρέψει την σύνθετη αντίσταση εισόδου στην σύνθετη αντίσταση του ανορθωτή στη συχνότητα ενδιαφέροντος και να τη βελτιστοποιήσει για ένα συγκεκριμένο επίπεδο ισχύος. Σε αυτήν την περίπτωση, απαιτείται εύρος ζώνης σύνθετης αντίστασης από άκρο σε άκρο για να διασφαλιστεί η αποτελεσματική μετατροπή RF σε DC. Επομένως, παρόλο που οι κεραίες μπορούν να επιτύχουν θεωρητικά άπειρο ή εξαιρετικά ευρύ εύρος ζώνης χρησιμοποιώντας περιοδικά στοιχεία ή αυτοσυμπληρωματική γεωμετρία, το εύρος ζώνης του ορθογωνίου θα περιορίζεται από το δίκτυο αντιστοίχισης ανορθωτή.
Έχουν προταθεί αρκετές τοπολογίες rectenna για την επίτευξη συγκομιδής μονής και πολλαπλής ζώνης ή WPT ελαχιστοποιώντας τις ανακλάσεις και μεγιστοποιώντας τη μεταφορά ισχύος μεταξύ της κεραίας και του ανορθωτή. Το Σχήμα 2 δείχνει τις δομές των αναφερόμενων τοπολογιών rectenna, που κατηγοριοποιούνται με βάση την αρχιτεκτονική αντιστοίχισης σύνθετης αντίστασης. Ο Πίνακας 2 δείχνει παραδείγματα ορθογωνίων υψηλής απόδοσης σε σχέση με το εύρος ζώνης από άκρο σε άκρο (στην περίπτωση αυτή, FoM) για κάθε κατηγορία.
Σχήμα 2 Τοπολογίες Rectenna από την προοπτική της αντιστοίχισης εύρους ζώνης και σύνθετης αντίστασης. (α) Στερεά μονής ζώνης με τυπική κεραία. (β) Multiband rectenna (που αποτελείται από πολλαπλές αμοιβαία συζευγμένες κεραίες) με έναν ανορθωτή και αντίστοιχο δίκτυο ανά ζώνη. (γ) Ευρυζωνική ορθογώνια με πολλαπλές θύρες RF και ξεχωριστά δίκτυα αντιστοίχισης για κάθε ζώνη. (δ) Ευρυζωνική ευρυζωνική κεραία με ευρυζωνική κεραία και ευρυζωνικό δίκτυο αντιστοίχισης. (ε) Στερεά μονής ζώνης που χρησιμοποιεί ηλεκτρικά μικρή κεραία που ταιριάζει άμεσα με τον ανορθωτή. (στ) Κεραία μονής ζώνης, ηλεκτρικά μεγάλης με σύνθετη αντίσταση για σύζευξη με τον ανορθωτή. (ζ) Ευρυζωνική ορθογώνια με σύνθετη αντίσταση για σύζευξη με τον ανορθωτή σε ένα εύρος συχνοτήτων.
Ενώ το WPT και το RFEH περιβάλλοντος από αποκλειστική τροφοδοσία είναι διαφορετικές εφαρμογές rectenna, η επίτευξη αντιστοίχισης από άκρο σε άκρο μεταξύ κεραίας, ανορθωτή και φορτίου είναι θεμελιώδης για την επίτευξη υψηλής απόδοσης μετατροπής ισχύος (PCE) από την άποψη του εύρους ζώνης. Παρόλα αυτά, τα rectennas WPT εστιάζουν περισσότερο στην επίτευξη υψηλότερης ποιότητας αντιστοίχισης παραγόντων (χαμηλότερο S11) για τη βελτίωση του PCE μιας ζώνης σε ορισμένα επίπεδα ισχύος (τοπολογίες a, e και f). Το ευρύ εύρος ζώνης του WPT μιας ζώνης βελτιώνει την ανοσία του συστήματος σε αποσυντονισμό, κατασκευαστικά ελαττώματα και παρασιτικά συσκευασίας. Από την άλλη πλευρά, οι rectennas RFEH δίνουν προτεραιότητα στη λειτουργία πολλαπλών ζωνών και ανήκουν στις τοπολογίες bd και g, καθώς η φασματική πυκνότητα ισχύος (PSD) μιας μεμονωμένης ζώνης είναι γενικά χαμηλότερη.
3. Ορθογώνια σχεδίαση κεραίας
1. Μονής συχνότητας ορθογώνιο
Ο σχεδιασμός κεραίας ορθογωνίου μονής συχνότητας (τοπολογία Α) βασίζεται κυρίως σε τυπικό σχεδιασμό κεραίας, όπως γραμμική πόλωση (LP) ή κυκλική πόλωση (CP) που ακτινοβολεί στο επίπεδο γείωσης, διπολική κεραία και ανεστραμμένη κεραία F. Το rectenna διαφορικής ζώνης βασίζεται σε συστοιχία συνδυασμού DC που έχει διαμορφωθεί με μονάδες πολλαπλών κεραιών ή μικτό συνδυασμό DC και RF πολλαπλών μονάδων ενημέρωσης κώδικα.
Δεδομένου ότι πολλές από τις προτεινόμενες κεραίες είναι κεραίες μονής συχνότητας και πληρούν τις απαιτήσεις του WPT μονής συχνότητας, όταν αναζητάτε περιβαλλοντικό RFEH πολλαπλών συχνοτήτων, πολλαπλές κεραίες μονής συχνότητας συνδυάζονται σε ορθές κεραίες πολλαπλών συχνοτήτων (τοπολογία Β) με καταστολή αμοιβαίας σύζευξης και ανεξάρτητος συνδυασμός DC μετά το κύκλωμα διαχείρισης ισχύος για την πλήρη απομόνωση τους από το κύκλωμα λήψης και μετατροπής ραδιοσυχνοτήτων. Αυτό απαιτεί πολλά κυκλώματα διαχείρισης ισχύος για κάθε ζώνη, τα οποία ενδέχεται να μειώσουν την απόδοση του μετατροπέα ενίσχυσης επειδή η ισχύς συνεχούς ρεύματος μιας μεμονωμένης ζώνης είναι χαμηλή.
2. Πολυζωνικές και ευρυζωνικές κεραίες RFEH
Το περιβαλλοντικό RFEH συνδέεται συχνά με την απόκτηση πολλαπλών ζωνών. Ως εκ τούτου, έχει προταθεί μια ποικιλία τεχνικών για τη βελτίωση του εύρους ζώνης των τυπικών σχεδίων κεραιών και μεθόδων για το σχηματισμό συστοιχιών κεραιών διπλής ζώνης ή ζώνης. Σε αυτήν την ενότητα, εξετάζουμε προσαρμοσμένα σχέδια κεραιών για RFEH, καθώς και κλασικές κεραίες πολλαπλών ζωνών με δυνατότητα χρήσης ως ορθοστάτες.
Οι μονοπολικές κεραίες του ομοεπίπεδου κυματοδηγού (CPW) καταλαμβάνουν μικρότερη περιοχή από τις κεραίες patch microstrip στην ίδια συχνότητα και παράγουν κύματα LP ή CP και χρησιμοποιούνται συχνά για περιβαλλοντικές ευρυζωνικές ρετσέννες. Τα επίπεδα ανάκλασης χρησιμοποιούνται για την αύξηση της απομόνωσης και τη βελτίωση της απολαβής, με αποτέλεσμα μοτίβα ακτινοβολίας παρόμοια με τις κεραίες patch. Οι σχισμές ομοεπίπεδες κεραίες κυματοδηγού χρησιμοποιούνται για τη βελτίωση των εύρους ζώνης σύνθετης αντίστασης για πολλαπλές ζώνες συχνοτήτων, όπως 1,8–2,7 GHz ή 1–3 GHz. Οι κεραίες υποδοχής συνδεδεμένης τροφοδοσίας και οι κεραίες ενημερωμένης έκδοσης χρησιμοποιούνται επίσης συνήθως σε σχέδια ορθογωνίων πολλαπλών ζωνών. Το σχήμα 3 δείχνει ορισμένες αναφερόμενες κεραίες πολλαπλών ζωνών που χρησιμοποιούν περισσότερες από μία τεχνικές βελτίωσης εύρους ζώνης.
Εικόνα 3
Αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης κεραίας-ανορθωτή
Η αντιστοίχιση μιας κεραίας 50Ω με έναν μη γραμμικό ανορθωτή είναι πρόκληση επειδή η σύνθετη αντίσταση εισόδου της ποικίλλει σημαντικά ανάλογα με τη συχνότητα. Στις τοπολογίες Α και Β (Εικόνα 2), το κοινό δίκτυο αντιστοίχισης είναι ένα ταίριασμα LC που χρησιμοποιεί ομαδοποιημένα στοιχεία. Ωστόσο, το σχετικό εύρος ζώνης είναι συνήθως χαμηλότερο από τις περισσότερες ζώνες επικοινωνίας. Η αντιστοίχιση στελέχους μιας ζώνης χρησιμοποιείται συνήθως σε ζώνες μικροκυμάτων και χιλιοστών κυμάτων κάτω από 6 GHz, και οι αναφερόμενες ορθογώνιες κύματος χιλιοστών έχουν εγγενώς στενό εύρος ζώνης επειδή το εύρος ζώνης PCE τους περιορίζεται από την αρμονική εξόδου, γεγονός που τις καθιστά ιδιαίτερα κατάλληλες για ζώνη εφαρμογών WPT στη ζώνη χωρίς άδεια χρήσης 24 GHz.
Τα rectennas στις τοπολογίες C και D έχουν πιο πολύπλοκα δίκτυα αντιστοίχισης. Έχουν προταθεί πλήρως κατανεμημένα δίκτυα αντιστοίχισης γραμμών για ευρυζωνική αντιστοίχιση, με βραχυκύκλωμα μπλοκ RF/DC (pass filter) στη θύρα εξόδου ή πυκνωτή μπλοκαρίσματος DC ως διαδρομή επιστροφής για αρμονικές διόδου. Τα εξαρτήματα του ανορθωτή μπορούν να αντικατασταθούν από συμπυκνωτές πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος (PCB), οι οποίοι συντίθενται χρησιμοποιώντας εμπορικά εργαλεία αυτοματισμού ηλεκτρονικού σχεδιασμού. Άλλα αναφερόμενα δίκτυα αντιστοίχισης ευρυζωνικής ορθοφθαλμίας συνδυάζουν ομαδοποιημένα στοιχεία για αντιστοίχιση σε χαμηλότερες συχνότητες και κατανεμημένα στοιχεία για τη δημιουργία βραχυκυκλώματος RF στην είσοδο.
Η μεταβολή της σύνθετης αντίστασης εισόδου που παρατηρείται από το φορτίο μέσω μιας πηγής (γνωστή ως τεχνική πηγής-έλξης) έχει χρησιμοποιηθεί για το σχεδιασμό ενός ανορθωτή ευρείας ζώνης με 57% σχετικό εύρος ζώνης (1,25–2,25 GHz) και 10% υψηλότερο PCE σε σύγκριση με κυκλώματα ομαδοποιημένων ή κατανεμημένων . Αν και τα δίκτυα αντιστοίχισης σχεδιάζονται συνήθως για να ταιριάζουν κεραίες σε ολόκληρο το εύρος ζώνης 50Ω, υπάρχουν αναφορές στη βιβλιογραφία όπου οι κεραίες ευρείας ζώνης έχουν συνδεθεί με ανορθωτές στενής ζώνης.
Τα υβριδικά δίκτυα ομαδοποιημένου στοιχείου και αντιστοίχισης κατανεμημένων στοιχείων έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στις τοπολογίες C και D, με τους επαγωγείς και τους πυκνωτές σειράς να είναι τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα ομαδοποιημένα στοιχεία. Αυτά αποφεύγουν πολύπλοκες δομές, όπως συμπυκνωμένους πυκνωτές, οι οποίοι απαιτούν ακριβέστερη μοντελοποίηση και κατασκευή από τις τυπικές γραμμές μικροταινιών.
Η ισχύς εισόδου στον ανορθωτή επηρεάζει την σύνθετη αντίσταση εισόδου λόγω της μη γραμμικότητας της διόδου. Επομένως, το rectenna έχει σχεδιαστεί για να μεγιστοποιεί το PCE για ένα συγκεκριμένο επίπεδο ισχύος εισόδου και σύνθετη αντίσταση φορτίου. Δεδομένου ότι οι δίοδοι είναι κυρίως χωρητικής υψηλής σύνθετης αντίστασης σε συχνότητες κάτω των 3 GHz, οι ευρυζωνικές ορθογώνιες που εξαλείφουν τα αντίστοιχα δίκτυα ή ελαχιστοποιούν τα απλοποιημένα κυκλώματα αντιστοίχισης έχουν επικεντρωθεί σε συχνότητες Prf>0 dBm και πάνω από 1 GHz, καθώς οι δίοδοι έχουν χαμηλή χωρητική αντίσταση και μπορούν να ταιριάζουν καλά στην κεραία, αποφεύγοντας έτσι τον σχεδιασμό κεραιών με είσοδο αντιδραστήρια >1.000Ω.
Η προσαρμοστική ή επαναδιαμορφώσιμη αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης έχει παρατηρηθεί σε CMOS rectennas, όπου το αντίστοιχο δίκτυο αποτελείται από συστοιχίες πυκνωτών και επαγωγείς στο τσιπ. Στατικά δίκτυα αντιστοίχισης CMOS έχουν επίσης προταθεί για τυπικές κεραίες 50Ω καθώς και για συν-σχεδιασμένες κεραίες βρόχου. Έχει αναφερθεί ότι οι ανιχνευτές ισχύος παθητικού CMOS χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των διακοπτών που κατευθύνουν την έξοδο της κεραίας σε διαφορετικούς ανορθωτές και αντίστοιχα δίκτυα ανάλογα με τη διαθέσιμη ισχύ. Έχει προταθεί ένα επαναδιαμορφώσιμο δίκτυο αντιστοίχισης που χρησιμοποιεί αθροιστικούς συντονιζόμενους πυκνωτές, το οποίο συντονίζεται με μικροσυντονισμό ενώ μετράται η σύνθετη αντίσταση εισόδου χρησιμοποιώντας έναν αναλυτή διανυσματικού δικτύου. Σε επαναδιαμορφώσιμα δίκτυα αντιστοίχισης μικροταινιών, έχουν χρησιμοποιηθεί διακόπτες τρανζίστορ εφέ πεδίου για τη ρύθμιση των ταιριασμένων στελέχη για την επίτευξη χαρακτηριστικών διπλής ζώνης.
Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τις κεραίες, επισκεφθείτε:
Ώρα δημοσίευσης: Aug-09-2024
