1.Introdución
A recollida de enerxía por radiofrecuencia (RF) (RFEH) e a transferencia de enerxía sen fíos radiativa (WPT) atraeron un gran interese como métodos para conseguir redes sen fíos sostibles sen batería. As rectennas son a pedra angular dos sistemas WPT e RFEH e teñen un impacto significativo na potencia de CC entregada á carga. Os elementos da antena da rectenna afectan directamente á eficiencia da colleita, que pode variar a potencia recollida en varias ordes de magnitude. Este artigo revisa os deseños de antenas empregados nas aplicacións WPT e RFEH ambiental. As rectennas informadas clasifícanse segundo dous criterios principais: o ancho de banda da impedancia rectificadora da antena e as características de radiación da antena. Para cada criterio determínase e revisase comparativamente a figura de mérito (FoM) das distintas solicitudes.
O WPT foi proposto por Tesla a principios do século XX como un método para transmitir miles de cabalos de forza. O termo rectenna, que describe unha antena conectada a un rectificador para obter enerxía de RF, xurdiu na década de 1950 para aplicacións de transmisión de enerxía de microondas espaciais e para alimentar drons autónomos. O WPT omnidireccional de longo alcance está restrinxido polas propiedades físicas do medio de propagación (aire). Polo tanto, o WPT comercial limítase principalmente á transferencia de enerxía non radiativa de campo próximo para a carga de produtos electrónicos de consumo sen fíos ou RFID.
A medida que o consumo de enerxía dos dispositivos semicondutores e dos nodos sensores sen fíos segue diminuíndo, faise máis factible alimentar os nodos dos sensores mediante RFEH ambiental ou mediante transmisores omnidireccionais distribuídos de baixa potencia. Os sistemas de enerxía sen fíos de potencia ultra baixa adoitan estar formados por unha interface de adquisición de RF, alimentación de CC e xestión de memoria e un microprocesador e transceptor de baixa potencia.
A figura 1 mostra a arquitectura dun nodo sen fíos RFEH e as implementacións de front-end de RF habitualmente informadas. A eficiencia de extremo a extremo do sistema de alimentación sen fíos e a arquitectura da información sen fíos sincronizada e da rede de transferencia de enerxía dependen do rendemento dos compoñentes individuais, como antenas, rectificadores e circuítos de xestión de enerxía. Realizáronse varias enquisas bibliográficas para diferentes partes do sistema. A táboa 1 resume a fase de conversión de enerxía, os compoñentes clave para unha conversión de enerxía eficiente e as enquisas bibliográficas relacionadas para cada parte. A literatura recente céntrase na tecnoloxía de conversión de enerxía, as topoloxías de rectificadores ou a RFEH consciente da rede.
Figura 1
Non obstante, o deseño da antena non se considera un compoñente crítico en RFEH. Aínda que algunha literatura considera o ancho de banda e a eficiencia da antena desde unha perspectiva global ou desde unha perspectiva de deseño de antenas específica, como as antenas miniaturizadas ou portátiles, o impacto de certos parámetros da antena na recepción de enerxía e na eficiencia de conversión non se analiza en detalle.
Este artigo revisa as técnicas de deseño de antenas en rectenas co obxectivo de distinguir os desafíos de deseño de antenas específicos de RFEH e WPT do deseño estándar de antenas de comunicación. As antenas compáranse desde dúas perspectivas: a adaptación de impedancia de extremo a extremo e as características da radiación; en cada caso, o FoM é identificado e revisado nas antenas de última xeración (SoA).
2. Ancho de banda e coincidencia: Redes de RF sen 50Ω
A impedancia característica de 50Ω é unha consideración inicial do compromiso entre atenuación e potencia nas aplicacións de enxeñería de microondas. Nas antenas, o ancho de banda da impedancia defínese como o intervalo de frecuencia onde a potencia reflectida é inferior ao 10 % (S11< − 10 dB). Dado que os amplificadores de baixo ruído (LNA), os amplificadores de potencia e os detectores están deseñados normalmente cunha impedancia de entrada de 50 Ω, adoita facer referencia a unha fonte de 50 Ω.
Nunha rectenna, a saída da antena introdúcese directamente no rectificador, e a non linealidade do díodo provoca unha gran variación na impedancia de entrada, dominando o compoñente capacitivo. Asumindo unha antena de 50Ω, o principal reto é deseñar unha rede de adaptación de RF adicional para transformar a impedancia de entrada na impedancia do rectificador na frecuencia de interese e optimizala para un nivel de potencia específico. Neste caso, é necesario un ancho de banda de impedancia de extremo a extremo para garantir unha conversión eficiente de RF a CC. Polo tanto, aínda que as antenas poden acadar teoricamente un ancho de banda infinito ou ultra ancho usando elementos periódicos ou xeometría autocomplementaria, o ancho de banda da rectenna quedará limitado pola rede de correspondencia do rectificador.
Propuxéronse varias topoloxías de rectenna para conseguir a recollida de banda única e multibanda ou WPT minimizando as reflexións e maximizando a transferencia de potencia entre a antena e o rectificador. A figura 2 mostra as estruturas das topoloxías de rectenna informadas, categorizadas pola súa arquitectura de coincidencia de impedancia. A táboa 2 mostra exemplos de rectennas de alto rendemento con respecto ao ancho de banda de extremo a extremo (neste caso, FoM) para cada categoría.
Figura 2 Topoloxías de Rectenna desde a perspectiva da coincidencia de ancho de banda e impedancia. (a) Rectenna de banda única con antena estándar. (b) Rectenna multibanda (composta por múltiples antenas mutuamente acopladas) cun rectificador e rede coincidente por banda. (c) Rectenna de banda ancha con múltiples portos de RF e redes coincidentes separadas para cada banda. (d) Rectenna de banda ancha con antena de banda ancha e rede de adaptación de banda ancha. (e) Rectena de banda única que utiliza unha antena eléctricamente pequena adaptada directamente ao rectificador. (f) Antena eléctricamente grande de banda única con impedancia complexa para conxugar co rectificador. (g) Rectenna de banda ancha con impedancia complexa para conxugar co rectificador nun rango de frecuencias.
Aínda que o WPT e a RFEH ambiental da fonte dedicada son aplicacións de rectenna diferentes, conseguir unha coincidencia de extremo a extremo entre antena, rectificador e carga é fundamental para lograr unha alta eficiencia de conversión de enerxía (PCE) desde a perspectiva do ancho de banda. Non obstante, as rectennas WPT céntranse máis en lograr unha coincidencia de factores de maior calidade (inferior S11) para mellorar o PCE de banda única en certos niveis de potencia (topoloxías a, e e f). O ancho de banda amplo do WPT de banda única mellora a inmunidade do sistema ante a desintonía, os defectos de fabricación e os parasitos de empaquetado. Por outra banda, as rectennas RFEH priorizan o funcionamento multibanda e pertencen ás topoloxías bd e g, xa que a densidade espectral de potencia (PSD) dunha soa banda é xeralmente menor.
3. Deseño de antena rectangular
1. Rectenna monofrecuencia
O deseño da antena de rectena de frecuencia única (topoloxía A) baséase principalmente no deseño de antena estándar, como a polarización lineal (LP) ou a polarización circular (CP) que irradia parche no plano de terra, antena dipolo e antena F invertida. A rectena de banda diferencial baséase nunha matriz combinada de CC configurada con varias unidades de antena ou unha combinación mixta de CC e RF de varias unidades de parche.
Dado que moitas das antenas propostas son antenas de frecuencia única e cumpren os requisitos do WPT de frecuencia única, cando se busca RFEH multifrecuencia ambiental, múltiples antenas de frecuencia única combínanse en rectennas multibanda (topoloxía B) con supresión de acoplamento mutuo e combinación de CC independente despois do circuíto de xestión de enerxía para illalos completamente do circuíto de adquisición e conversión de RF. Isto require varios circuítos de xestión de enerxía para cada banda, o que pode reducir a eficiencia do conversor de impulso porque a potencia de CC dunha soa banda é baixa.
2. Antenas RFEH multibanda e banda ancha
A RFEH ambiental adoita asociarse coa adquisición de varias bandas; polo tanto, propuxéronse unha variedade de técnicas para mellorar o ancho de banda dos deseños de antenas estándar e métodos para formar matrices de antenas de banda dual ou de banda. Nesta sección, revisamos deseños de antenas personalizadas para RFEH, así como antenas clásicas multibanda con potencial para ser utilizadas como rectennas.
As antenas monopolares de guía de ondas coplanares (CPW) ocupan menos área que as antenas de parche microstrip á mesma frecuencia e producen ondas LP ou CP, e úsanse a miúdo para rectennas ambientais de banda ancha. Os planos de reflexión utilízanse para aumentar o illamento e mellorar a ganancia, dando como resultado patróns de radiación similares ás antenas de parche. As antenas de guía de ondas coplanares ranuradas úsanse para mellorar os anchos de banda de impedancia para varias bandas de frecuencia, como 1,8–2,7 GHz ou 1–3 GHz. As antenas de slot de alimentación acoplada e as antenas de parche tamén se usan habitualmente en deseños de rectenna multibanda. A figura 3 mostra algunhas antenas multibanda que utilizan máis dunha técnica de mellora do ancho de banda.
Figura 3
Correspondencia de impedancia antena-rectificador
Combinar unha antena de 50Ω cun rectificador non lineal é un reto porque a súa impedancia de entrada varía moito coa frecuencia. Nas topoloxías A e B (Figura 2), a rede de coincidencia común é unha coincidencia LC usando elementos agrupados; con todo, o ancho de banda relativo adoita ser menor que a maioría das bandas de comunicación. A coincidencia de talóns de banda única utilízase habitualmente en bandas de microondas e ondas milimétricas por debaixo de 6 GHz, e as rectennas de ondas milimétricas indicadas teñen un ancho de banda inherentemente estreito porque o seu ancho de banda PCE está limitado pola supresión harmónica de saída, o que as fai particularmente adecuadas para unha soa banda. aplicacións WPT de banda na banda de 24 GHz sen licenza.
As rectennas das topoloxías C e D teñen redes de coincidencia máis complexas. Propuxéronse redes de coincidencia de liña totalmente distribuídas para a correspondencia de banda ancha, cun curtocircuíto de bloque de RF/CC (filtro de paso) no porto de saída ou un capacitor de bloqueo de CC como camiño de retorno para os harmónicos de diodos. Os compoñentes do rectificador pódense substituír por capacitores interdixitados de placas de circuíto impreso (PCB), que se sintetizan mediante ferramentas comerciais de automatización de deseño electrónico. Outras redes de coincidencia de rectenna de banda ancha informadas combinan elementos agrupados para axustarse a frecuencias máis baixas e elementos distribuídos para crear un curtocircuito de RF na entrada.
A variación da impedancia de entrada observada pola carga a través dunha fonte (coñecida como técnica de extracción de fonte) utilizouse para deseñar un rectificador de banda ancha cun ancho de banda relativo do 57 % (1,25–2,25 GHz) e un 10 % maior de PCE en comparación cos circuítos agrupados ou distribuídos. . Aínda que as redes coincidentes adoitan estar deseñadas para combinar antenas en todo o ancho de banda de 50Ω, hai informes na literatura onde se conectaron antenas de banda ancha a rectificadores de banda estreita.
As redes híbridas de elementos agrupados e de coincidencia de elementos distribuídos foron moi utilizadas nas topoloxías C e D, sendo os indutores e capacitores en serie os elementos agrupados máis utilizados. Estes evitan estruturas complexas como os capacitores interdixitados, que requiren un modelado e fabricación máis precisos que as liñas de microtiras estándar.
A potencia de entrada ao rectificador afecta á impedancia de entrada debido á non linealidade do díodo. Polo tanto, a rectenna está deseñada para maximizar o PCE para un nivel de potencia de entrada específico e unha impedancia de carga. Dado que os díodos son principalmente de alta impedancia capacitiva a frecuencias inferiores a 3 GHz, as rectenas de banda ancha que eliminan as redes de adaptación ou minimizan os circuítos de adaptación simplificados centráronse en frecuencias Prf>0 dBm e superiores a 1 GHz, xa que os díodos teñen unha impedancia capacitiva baixa e poden combinarse ben. á antena, evitando así o deseño de antenas con reactancias de entrada >1.000Ω.
A adaptación de impedancia adaptativa ou reconfigurable foi vista nas rectennas CMOS, onde a rede de adaptación consta de bancos de capacitores e indutores no chip. Tamén se propuxeron redes de correspondencia CMOS estáticas para antenas estándar de 50Ω, así como antenas de bucle co-deseñadas. Informeuse de que os detectores de potencia CMOS pasivos utilízanse para controlar os interruptores que dirixen a saída da antena a diferentes rectificadores e redes correspondentes dependendo da potencia dispoñible. Propúxose unha rede de adaptación reconfigurable utilizando capacitores sintonizables agrupados, que se sintoniza mediante un axuste fino mentres se mide a impedancia de entrada mediante un analizador de redes vectoriales. Nas redes de adaptación de microstrip reconfigurables, empregáronse interruptores de transistores de efecto de campo para axustar os talóns coincidentes para conseguir características de banda dual.
Para obter máis información sobre as antenas, visite:
Hora de publicación: 09-08-2024
