1.Εισαγωγή
Η συλλογή ενέργειας μέσω ραδιοσυχνοτήτων (RF) (RFEH) και η ασύρματη μεταφορά ισχύος μέσω ακτινοβολίας (WPT) έχουν προσελκύσει μεγάλο ενδιαφέρον ως μέθοδοι για την επίτευξη βιώσιμων ασύρματων δικτύων χωρίς μπαταρίες. Οι ορθογώνιες κεραίες αποτελούν τον ακρογωνιαίο λίθο των συστημάτων WPT και RFEH και έχουν σημαντικό αντίκτυπο στην ισχύ DC που παρέχεται στο φορτίο. Τα στοιχεία κεραίας της ορθογώνιας κεραίας επηρεάζουν άμεσα την απόδοση συλλογής, η οποία μπορεί να μεταβάλει την ισχύ που συλλέγεται κατά αρκετές τάξεις μεγέθους. Αυτή η εργασία εξετάζει τα σχέδια κεραιών που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές WPT και περιβάλλοντος RFEH. Οι αναφερόμενες ορθογώνιες κεραίες ταξινομούνται σύμφωνα με δύο κύρια κριτήρια: το εύρος ζώνης της ανορθωτικής σύνθετης αντίστασης της κεραίας και τα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας της κεραίας. Για κάθε κριτήριο, το ποσοστό αξίας (FoM) για διαφορετικές εφαρμογές προσδιορίζεται και εξετάζεται συγκριτικά.
Η τεχνολογία WPT προτάθηκε από τον Tesla στις αρχές του 20ού αιώνα ως μέθοδος μετάδοσης χιλιάδων ίππων. Ο όρος rectenna, που 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. Η πανκατευθυντική, μεγάλης εμβέλειας WPT περιορίζεται από τις φυσικές ιδιότητες του μέσου διάδοσης (αέρα). Επομένως, η εμπορική WPT περιορίζεται κυρίως στη μη ακτινοβολούμενη μεταφορά ισχύος κοντινού πεδίου για ασύρματη φόρτιση ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης ή RFID.
Καθώς η κατανάλωση ενέργειας των ημιαγωγικών συσκευών και των ασύρματων αισθητήρων συνεχίζει να μειώνεται, καθίσταται πιο εφικτή η τροφοδοσία των αισθητήρων χρησιμοποιώντας ατμοσφαιρικό RFEH ή χρησιμοποιώντας κατανεμημένους πανκατευθυντικούς πομπούς χαμηλής ισχύος. Τα ασύρματα συστήματα ισχύος εξαιρετικά χαμηλής ισχύος συνήθως αποτελούνται από ένα μπροστινό μέρος λήψης RF, διαχείριση ισχύος και μνήμης DC, καθώς και έναν μικροεπεξεργαστή και πομποδέκτη χαμηλής ισχύος.
Το Σχήμα 1 δείχνει την αρχιτεκτονική ενός ασύρματου κόμβου RFEH και τις συνήθως αναφερόμενες υλοποιήσεις RF front-end. Η end-to-end απόδοση του ασύρματου συστήματος ισχύος και η αρχιτεκτονική του συγχρονισμένου ασύρματου δικτύου πληροφοριών και μεταφοράς ισχύος εξαρτάται από την απόδοση των μεμονωμένων εξαρτημάτων, όπως οι κεραίες, οι ανορθωτές και τα κυκλώματα διαχείρισης ισχύος. Έχουν διεξαχθεί αρκετές βιβλιογραφικές έρευνες για διαφορετικά μέρη του συστήματος. Ο Πίνακας 1 συνοψίζει το στάδιο μετατροπής ισχύος, τα βασικά στοιχεία για αποτελεσματική μετατροπή ισχύος και τις σχετικές βιβλιογραφικές έρευνες για κάθε μέρος. Η πρόσφατη βιβλιογραφία εστιάζει στην τεχνολογία μετατροπής ισχύος, τις τοπολογίες ανορθωτών ή το RFEH με επίγνωση δικτύου.
Σχήμα 1
Ωστόσο, ο σχεδιασμός της κεραίας δεν θεωρείται κρίσιμο στοιχείο στο RFEH. Παρόλο που κάποια βιβλιογραφία εξετάζει το εύρος ζώνης και την απόδοση της κεραίας από μια συνολική οπτική γωνία ή από μια συγκεκριμένη οπτική γωνία σχεδιασμού κεραίας, όπως οι μικροσκοπικές ή οι φορετές κεραίες, η επίδραση ορισμένων παραμέτρων της κεραίας στην λήψη ισχύος και την απόδοση μετατροπής δεν αναλύεται λεπτομερώς.
Αυτή η εργασία εξετάζει τις τεχνικές σχεδιασμού κεραιών σε ορθογώνιες κεραίες (rectennas) με στόχο τη διάκριση των προκλήσεων σχεδιασμού κεραιών που αφορούν συγκεκριμένα τα RFEH και WPT από τον τυπικό σχεδιασμό κεραιών επικοινωνίας. Οι κεραίες συγκρίνονται από δύο οπτικές γωνίες: αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης από άκρο σε άκρο και χαρακτηριστικά ακτινοβολίας. Σε κάθε περίπτωση, το FoM αναγνωρίζεται και εξετάζεται στις κεραίες state-of-the-art (SoA).
2. Εύρος ζώνης και αντιστοίχιση: Δίκτυα RF εκτός 50Ω
Η χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση των 50Ω αποτελεί μια πρώιμη εξέταση του συμβιβασμού μεταξύ εξασθένησης και ισχύος σε εφαρμογές μικροκυματικής μηχανικής. Στις κεραίες, το εύρος ζώνης σύνθετης αντίστασης ορίζεται ως η περιοχή 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 συνήθως σχεδιάζονται με αντίστοιχη σύνθετη αντίσταση εισόδου 50Ω, παραδοσιακά αναφέρεται μια πηγή 50Ω.
Σε μια κεραία ορθογώνιας εισόδου (rectenna), η έξοδος της κεραίας τροφοδοτείται απευθείας στον ανορθωτή και η μη γραμμικότητα της διόδου προκαλεί μεγάλη διακύμανση στην αντίσταση εισόδου, με κυρίαρχη την χωρητική συνιστώσα. Υποθέτοντας μια κεραία 50Ω, η κύρια πρόκληση είναι να σχεδιαστεί ένα πρόσθετο δίκτυο αντιστοίχισης RF για να μετασχηματιστεί η αντίσταση εισόδου στην αντίσταση του ανορθωτή στη συχνότητα ενδιαφέροντος και να βελτιστοποιηθεί για ένα συγκεκριμένο επίπεδο ισχύος. Σε αυτήν την περίπτωση, απαιτείται εύρος ζώνης αντίστασης από άκρο σε άκρο για να διασφαλιστεί η αποτελεσματική μετατροπή RF σε DC. Επομένως, αν και οι κεραίες μπορούν να επιτύχουν θεωρητικά άπειρο ή εξαιρετικά ευρύ εύρος ζώνης χρησιμοποιώντας περιοδικά στοιχεία ή αυτοσυμπληρωματική γεωμετρία, το εύρος ζώνης της ορθογώνιας εισόδου θα περιοριστεί από το δίκτυο αντιστοίχισης ανορθωτή.
Έχουν προταθεί αρκετές τοπολογίες rectenna για την επίτευξη συγκομιδής μονοζωνικής και πολυζωνικής 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, κατηγοριοποιημένες με βάση την αρχιτεκτονική αντιστοίχισης σύνθετης αντίστασης. Ο Πίνακας 2 δείχνει παραδείγματα rectenna υψηλής απόδοσης σε σχέση με το εύρος ζώνης από άκρο σε άκρο (σε αυτήν την περίπτωση, FoM) για κάθε κατηγορία.
Σχήμα 2 Τοπολογίες ορθογωνίων από την οπτική γωνία της αντιστοίχισης εύρους ζώνης και σύνθετης αντίστασης. (α) Ορθογωνία μίας ζώνης με τυπική κεραία. (β) Ορθογωνία πολλαπλών ζωνών (αποτελούμενη από πολλαπλές αμοιβαία συνδεδεμένες κεραίες) με έναν ανορθωτή και δίκτυο αντιστοίχισης ανά ζώνη. (γ) Ορθογωνία ευρείας ζώνης με πολλαπλές θύρες RF και ξεχωριστά δίκτυα αντιστοίχισης για κάθε ζώνη. (δ) Ορθογωνία ευρείας ζώνης με κεραία ευρείας ζώνης και δίκτυο αντιστοίχισης ευρείας ζώνης. (ε) Ορθογωνία μίας ζώνης που χρησιμοποιεί ηλεκτρικά μικρή κεραία απευθείας αντιστοιχισμένη στον ανορθωτή. (στ) Μονοζωνική, ηλεκτρικά μεγάλη κεραία με σύνθετη σύνθετη αντίσταση για σύζευξη με τον ανορθωτή. (ζ) Ορθογωνία ευρείας ζώνης με σύνθετη σύνθετη αντίσταση για σύζευξη με τον ανορθωτή σε ένα εύρος συχνοτήτων.
Ενώ το WPT και το RFEH περιβάλλοντος από ειδική 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. Παρ 'όλα αυτά, οι rectenna WPT επικεντρώνονται περισσότερο στην επίτευξη αντιστοίχισης υψηλότερου συντελεστή ποιότητας (χαμηλότερο S11) για τη βελτίωση του PCE μίας ζώνης σε ορισμένα επίπεδα ισχύος (τοπολογίες a, e και f). Το ευρύ εύρος ζώνης του WPT μίας ζώνης βελτιώνει την ανοσία του συστήματος σε αποσυντονισμό, κατασκευαστικά ελαττώματα και παρασιτικά συσκευασίας. Από την άλλη πλευρά, οι rectenna RFEH δίνουν προτεραιότητα στη λειτουργία πολλαπλών ζωνών και ανήκουν στις τοπολογίες bd και g, καθώς η φασματική πυκνότητα ισχύος (PSD) μίας μόνο ζώνης είναι γενικά χαμηλότερη.
3. Ορθογώνιος σχεδιασμός κεραίας
1. Μονοσυχνική ορθή
Ο σχεδιασμός της κεραίας μιας μονοσυχνικής ορθογώνιας (τοπολογία Α) βασίζεται κυρίως σε τυπικό σχεδιασμό κεραίας, όπως γραμμική πόλωση (LP) ή κυκλική πόλωση (CP) που ακτινοβολεί το τμήμα γείωσης, μια διπολική κεραία και μια ανεστραμμένη κεραία F. Η ορθογώνια διαφορικής ζώνης βασίζεται σε συνδυαστική διάταξη DC που έχει διαμορφωθεί με πολλαπλές μονάδες κεραίας ή μεικτό συνδυασμό DC και RF πολλαπλών μονάδων πλακιδίων.
Δεδομένου ότι πολλές από τις προτεινόμενες κεραίες είναι μονοσυχνοτικές κεραίες και πληρούν τις απαιτήσεις του μονοσυχνοτικού WPT, όταν αναζητείται περιβαλλοντική πολυσυχνοτική RFEH, πολλαπλές μονοσυχνοτικές κεραίες συνδυάζονται σε πολυζωνικές δικτυωτές γραμμές (τοπολογία Β) με αμοιβαία καταστολή σύζευξης και ανεξάρτητο συνδυασμό DC μετά το κύκλωμα διαχείρισης ισχύος για την πλήρη απομόνωσή τους από το κύκλωμα λήψης και μετατροπής RF. Αυτό απαιτεί πολλαπλά κυκλώματα διαχείρισης ισχύος για κάθε ζώνη, γεγονός που μπορεί να μειώσει την απόδοση του μετατροπέα ώθησης επειδή η ισχύς DC μιας μόνο ζώνης είναι χαμηλή.
2. Κεραίες RFEH πολλαπλών ζωνών και ευρυζωνικής σύνδεσης
Το περιβαλλοντικό RFEH συχνά συνδέεται με την απόκτηση πολλαπλών ζωνών. Συνεπώς, έχουν προταθεί ποικίλες τεχνικές για τη βελτίωση του εύρους ζώνης των τυπικών σχεδίων κεραιών και μεθόδων για τη δημιουργία συστοιχιών κεραιών διπλής ζώνης ή ζώνης. Σε αυτήν την ενότητα, εξετάζουμε τα προσαρμοσμένα σχέδια κεραιών για RFEH, καθώς και τις κλασικές κεραίες πολλαπλών ζωνών με δυνατότητα χρήσης ως rectennas.
Οι μονοπολικές κεραίες συνεπίπεδης κυματοδηγού (CPW) καταλαμβάνουν μικρότερη περιοχή από τις κεραίες μικρολωρίδας στην ίδια συχνότητα και παράγουν κύματα LP ή CP, και χρησιμοποιούνται συχνά για ευρυζωνικές περιβαλλοντικές κεραίες. Τα επίπεδα ανάκλασης χρησιμοποιούνται για την αύξηση της απομόνωσης και τη βελτίωση του κέρδους, με αποτέλεσμα μοτίβα ακτινοβολίας παρόμοια με τις κεραίες patch. Οι κεραίες συνεπίπεδης κυματοδηγού με σχισμές χρησιμοποιούνται για τη βελτίωση του εύρους ζώνης σύνθετης αντίστασης για πολλαπλές ζώνες συχνοτήτων, όπως 1,8–2,7 GHz ή 1–3 GHz. Οι κεραίες σχισμής με συζευγμένη τροφοδοσία και οι κεραίες patch χρησιμοποιούνται επίσης συνήθως σε σχέδια κεραιών πολλαπλών ζωνών. Το Σχήμα 3 δείχνει ορισμένες αναφερόμενες κεραίες πολλαπλών ζωνών που χρησιμοποιούν περισσότερες από μία τεχνικές βελτίωσης εύρους ζώνης.
Σχήμα 3
Αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης κεραίας-ανορθωτή
Η αντιστοίχιση μιας κεραίας 50Ω με έναν μη γραμμικό ανορθωτή είναι δύσκολη επειδή η σύνθετη αντίσταση εισόδου της ποικίλλει σημαντικά με τη συχνότητα. Στις τοπολογίες Α και Β (Σχήμα 2), το κοινό δίκτυο αντιστοίχισης είναι μια αντιστοίχιση LC χρησιμοποιώντας συγκεντρωμένα στοιχεία. Ωστόσο, το σχετικό εύρος ζώνης είναι συνήθως χαμηλότερο από τις περισσότερες ζώνες επικοινωνίας. Η αντιστοίχιση στελέχους μίας ζώνης χρησιμοποιείται συνήθως σε ζώνες μικροκυμάτων και χιλιοστομετρικών κυμάτων κάτω των 6 GHz, και οι αναφερόμενες ορθογώνιες χιλιοστομετρικών κυμάτων έχουν ένα εγγενώς στενό εύρος ζώνης επειδή το εύρος ζώνης PCE τους περιορίζεται από την καταστολή αρμονικών εξόδου, γεγονός που τις καθιστά ιδιαίτερα κατάλληλες για εφαρμογές WPT μίας ζώνης στη μη αδειοδοτημένη ζώνη των 24 GHz.
Οι ορθογώνιες στις τοπολογίες C και D έχουν πιο σύνθετα δίκτυα αντιστοίχισης. Έχουν προταθεί πλήρως κατανεμημένα δίκτυα αντιστοίχισης γραμμής για αντιστοίχιση ευρυζωνικής σύνδεσης, με βραχυκύκλωμα RF μπλοκ/DC (φίλτρο διέλευσης) στη θύρα εξόδου ή έναν πυκνωτή αποκλεισμού DC ως διαδρομή επιστροφής για τις αρμονικές διόδου. Τα εξαρτήματα ανορθωτή μπορούν να αντικατασταθούν από διασυνδεδεμένους πυκνωτές τυπωμένου κυκλώματος (PCB), οι οποίοι συντίθενται χρησιμοποιώντας εμπορικά εργαλεία αυτοματισμού ηλεκτρονικού σχεδιασμού. Άλλα αναφερόμενα δίκτυα αντιστοίχισης ευρυζωνικών ορθογώνιων συνδέουν συγκεντρωμένα 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 source-pull) έχει χρησιμοποιηθεί για τον σχεδιασμό ενός ανορθωτή ευρείας ζώνης με 57% σχετικό εύρος ζώνης (1,25–2,25 GHz) και 10% υψηλότερο PCE σε σύγκριση με τα συγκεντρωτικά ή κατανεμημένα κυκλώματα. Παρόλο που τα δίκτυα αντιστοίχισης σχεδιάζονται συνήθως για να αντιστοιχούν κεραίες σε ολόκληρο το εύρος ζώνης των 50Ω, υπάρχουν αναφορές στη βιβλιογραφία όπου κεραίες ευρείας ζώνης έχουν συνδεθεί με ανορθωτές στενής ζώνης.
Τα υβριδικά δίκτυα αντιστοίχισης συγκεντρωμένων στοιχείων και κατανεμημένων στοιχείων έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στις τοπολογίες C και D, με τους σειριακούς επαγωγείς και πυκνωτές να είναι τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα συγκεντρωμένα στοιχεία. Αυτά αποφεύγουν πολύπλοκες δομές όπως οι διασυνδεδεμένοι πυκνωτές, οι οποίοι απαιτούν ακριβέστερη μοντελοποίηση και κατασκευή από τις τυπικές γραμμές μικρολωρίδας.
Η ισχύς εισόδου στον ανορθωτή επηρεάζει την αντίσταση εισόδου λόγω της μη γραμμικότητας της διόδου. Επομένως, η ορθή γωνία έχει σχεδιαστεί για να μεγιστοποιεί το PCE για ένα συγκεκριμένο επίπεδο ισχύος εισόδου και αντίσταση φορτίου. Δεδομένου ότι οι δίοδοι έχουν κυρίως χωρητική υψηλή αντίσταση σε συχνότητες κάτω των 3 GHz, οι ευρυζωνικές ορθή γωνία που εξαλείφουν τα δίκτυα αντιστοίχισης ή ελαχιστοποιούν τα απλοποιημένα κυκλώματα αντιστοίχισης έχουν επικεντρωθεί σε συχνότητες Prf>0 dBm και άνω του 1 GHz, καθώς οι δίοδοι έχουν χαμηλή χωρητική αντίσταση και μπορούν να ταιριάξουν καλά με την κεραία, αποφεύγοντας έτσι τον σχεδιασμό κεραιών με αντίσταση εισόδου >1.000Ω.
Η προσαρμοστική ή αναδιαμορφώσιμη αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης έχει παρατηρηθεί σε ορθογώνια CMOS, όπου το δίκτυο αντιστοίχισης αποτελείται από συστοιχίες πυκνωτών και επαγωγείς ενσωματωμένα στο τσιπ. Στατικά δίκτυα αντιστοίχισης CMOS έχουν επίσης προταθεί για τυπικές κεραίες 50Ω καθώς και για κεραίες βρόχου που έχουν σχεδιαστεί από κοινού. Έχει αναφερθεί ότι παθητικοί ανιχνευτές ισχύος CMOS χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο διακοπτών που κατευθύνουν την έξοδο της κεραίας σε διαφορετικούς ανορθωτές και δίκτυα αντιστοίχισης ανάλογα με τη διαθέσιμη ισχύ. Έχει προταθεί ένα αναδιαμορφώσιμο δίκτυο αντιστοίχισης που χρησιμοποιεί συγκεντρωτικούς ρυθμιζόμενους πυκνωτές, το οποίο συντονίζεται με μικρορύθμιση κατά τη μέτρηση της σύνθετης αντίστασης εισόδου χρησιμοποιώντας έναν αναλυτή διανυσματικού δικτύου. Σε αναδιαμορφώσιμα δίκτυα αντιστοίχισης μικρολωρίδων, έχουν χρησιμοποιηθεί διακόπτες τρανζίστορ φαινομένου πεδίου για την προσαρμογή των στελεχών αντιστοίχισης για την επίτευξη χαρακτηριστικών διπλής ζώνης.
Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τις κεραίες, επισκεφθείτε τη διεύθυνση:
Ώρα δημοσίευσης: 09 Αυγούστου 2024
