1. Introdución
A captación de enerxía de radiofrecuencia (RF) (RFEH) e a transferencia de enerxía inalámbrica radiativa (WPT) espertaron un grande interese como métodos para lograr redes inalámbricas sostibles sen batería. As rectenas son a pedra angular dos sistemas WPT e RFEH e teñen un impacto significativo na enerxía de CC subministrada á carga. Os elementos da antena da rectena afectan directamente á eficiencia da captación, o que pode variar a enerxía captada en varias ordes de magnitude. Este artigo revisa os deseños de antenas empregados en aplicacións WPT e RFEH ambiental. As rectenas reportadas 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 revísase comparativamente a cifra de mérito (FoM) para diferentes aplicacións.
A WPT foi proposta por Tesla a principios do século XX como un método para transmitir miles de cabalos de potencia. O termo rectena, que describe unha antena conectada a un rectificador para captar enerxía de RF, xurdiu na década de 1950 para aplicacións de transmisión de enerxía de microondas espaciais e para alimentar drons autónomos. A WPT omnidireccional e de longo alcance está restrinxida polas propiedades físicas do medio de propagación (aire). Polo tanto, a WPT comercial limítase principalmente á transferencia de enerxía non radiativa de campo próximo para a carga inalámbrica de electrónica de consumo ou RFID.
A medida que o consumo de enerxía dos dispositivos semicondutores e dos nodos de sensores sen fíos continúa a diminuír, faise máis viable alimentar os nodos de sensores mediante RFEH ambiental ou mediante transmisores omnidireccionais de baixa potencia distribuídos. Os sistemas de alimentación sen fíos de consumo ultrabaxo adoitan consistir nunha 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 front-end de RF máis comúns. A eficiencia de extremo a extremo do sistema de alimentación sen fíos e a arquitectura da rede de transferencia de enerxía e información sen fíos sincronizada dependen do rendemento dos compoñentes individuais, como antenas, rectificadores e circuítos de xestión de enerxía. Realizáronse varias revisións bibliográficas para diferentes partes do sistema. A táboa 1 resume a etapa de conversión de enerxía, os compoñentes clave para unha conversión de enerxía eficiente e as revisións bibliográficas relacionadas para cada parte. A literatura recente céntrase na tecnoloxía de conversión de enerxía, as topoloxías de rectificadores ou o RFEH compatible coa rede.
Figura 1
Non obstante, o deseño da antena non se considera un compoñente crítico na RFEH. Aínda que algunha literatura considera o ancho de banda e a eficiencia da antena desde unha perspectiva xeral ou desde unha perspectiva específica do deseño dunha antena, como as antenas miniaturizadas ou portátiles, o impacto de certos parámetros da antena na recepción de potencia e na eficiencia da 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 de antenas de comunicación estándar. As antenas compáranse desde dúas perspectivas: a adaptación de impedancia de extremo a extremo e as características de radiación; en cada caso, identifícase e revísase o FoM nas antenas de última xeración (SoA).
2. Ancho de banda e adaptación: redes de RF que non son de 50 Ω
A impedancia característica de 50 Ω é unha das primeiras consideracións para atopar un compromiso entre a atenuación e a potencia nas aplicacións de enxeñaría de microondas. Nas antenas, o ancho de banda da impedancia defínese como o rango de frecuencias 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 adoitan estar deseñados cunha adaptación de impedancia de entrada de 50 Ω, tradicionalmente utilízase como referencia unha fonte de 50 Ω.
Nunha rectena, a saída da antena aliméntase directamente ao rectificador e a non linealidade do díodo provoca unha gran variación na impedancia de entrada, dominando o compoñente capacitivo. Partindo dunha antena de 50 Ω, o principal reto é deseñar unha rede de adaptación de RF adicional para transformar a impedancia de entrada na impedancia do rectificador á frecuencia de interese e optimizala para un nivel de potencia específico. Neste caso, requírese 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 alcanzar un ancho de banda teoricamente infinito ou ultraamplio usando elementos periódicos ou xeometría autocomplementaria, o ancho de banda da rectena verase limitado pola rede de adaptación do rectificador.
Propuxéronse varias topoloxías de rectena para conseguir a captación 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 rectena descritas, categorizadas pola súa arquitectura de adaptación de impedancias. A táboa 2 mostra exemplos de rectenas de alto rendemento con respecto á largura de banda de extremo a extremo (neste caso, FoM) para cada categoría.
Figura 2 Topoloxías de Rectenna desde a perspectiva da adaptación de ancho de banda e impedancia. (a) Rectenna monobanda con antena estándar. (b) Rectenna multibanda (composta por varias antenas acopladas mutuamente) cun rectificador e rede de adaptación por banda. (c) Rectenna de banda ancha con varios portos RF e redes de adaptación separadas para cada banda. (d) Rectenna de banda ancha con antena de banda ancha e rede de adaptación de banda ancha. (e) Rectenna monobanda usando unha antena electricamente pequena directamente adaptada ao rectificador. (f) Antena monobanda, electricamente grande 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 a WPT e a RFEH ambiental dunha alimentación dedicada son aplicacións de rectena diferentes, lograr a coincidencia de extremo a extremo entre a antena, o rectificador e a carga é fundamental para lograr unha alta eficiencia de conversión de potencia (PCE) desde a perspectiva do ancho de banda. Non obstante, as rectenas WPT céntranse máis en lograr unha coincidencia de factores de maior calidade (S11 máis baixo) para mellorar a PCE dunha soa banda a certos niveis de potencia (topoloxías a, e e f). O amplo ancho de banda da WPT dunha soa banda mellora a inmunidade do sistema á desafinación, aos defectos de fabricación e aos parasitos do empaquetado. Por outra banda, as rectenas 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 de frecuencia única
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 un parche no plano de terra, a antena dipolo e a antena F invertida. A rectena de banda diferencial baséase nunha matriz combinada de CC configurada con varias unidades de antena ou nunha 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 da WPT de frecuencia única, ao buscar RFEH multifrecuencia ambiental, combínanse varias antenas de frecuencia única en rectángulos multibanda (topoloxía B) con supresión de acoplamento mutuo e combinación de CC independente despois do circuíto de xestión de enerxía para illalas 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 elevador porque a potencia de CC dunha soa banda é baixa.
2. Antenas RFEH multibanda e de banda ancha
A RFEH ambiental adoita asociarse á adquisición multibanda; polo tanto, propuxéronse diversas 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 os deseños de antenas personalizados para RFEH, así como as antenas multibanda clásicas co potencial de ser utilizadas como rectenas.
As antenas monopolares de guía de ondas coplanares (CPW) ocupan menos área que as antenas de parche en microbanda na mesma frecuencia e producen ondas LP ou CP, e úsanse a miúdo para rectángulos ambientais de banda ancha. Os planos de reflexión úsanse para aumentar o illamento e mellorar a ganancia, o que resulta en patróns de radiación similares aos das antenas de parche. As antenas de guía de ondas coplanares con ranuras úsanse para mellorar as larguras de banda de impedancia para múltiples bandas de frecuencia, como 1,8–2,7 GHz ou 1–3 GHz. As antenas de ranura con alimentación acoplada e as antenas de parche tamén se usan habitualmente en deseños de rectángulos multibanda. A figura 3 mostra algunhas antenas multibanda reportadas que utilizan máis dunha técnica de mellora da largura de banda.
Figura 3
Adaptación de impedancia antena-rectificador
Adaptar unha antena de 50 Ω a un 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 adaptación común é unha adaptación LC que usa elementos agrupados; non obstante, o ancho de banda relativo adoita ser menor que o da maioría das bandas de comunicación. A adaptación de stub de banda única úsase habitualmente en bandas de microondas e ondas milimétricas por debaixo de 6 GHz, e as rectenas de ondas milimétricas reportadas teñen un ancho de banda inherentemente estreito porque o seu ancho de banda PCE está limitado pola supresión de harmónicos de saída, o que as fai especialmente axeitadas para aplicacións WPT de banda única na banda sen licenza de 24 GHz.
As rectenas nas topoloxías C e D teñen redes de adaptación máis complexas. Propuxéronse redes de adaptación de liña totalmente distribuídas para a adaptación de banda ancha, cun curtocircuíto de bloqueo de RF/CC (filtro de paso) no porto de saída ou un condensador de bloqueo de CC como ruta de retorno para os harmónicos de díodos. Os compoñentes do rectificador poden ser substituídos por condensadores interdixitados en placas de circuíto impreso (PCB), que se sintetizan mediante ferramentas comerciais de automatización do deseño electrónico. Outras redes de adaptación de rectenas de banda ancha descritas combinan elementos agrupados para a adaptación a frecuencias máis baixas e elementos distribuídos para crear un curtocircuíto 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 57 % de ancho de banda relativo (1,25–2,25 GHz) e un PCE un 10 % maior en comparación cos circuítos agrupados ou distribuídos. Aínda que as redes de adaptación adoitan estar deseñadas para adaptar antenas en todo o ancho de banda de 50 Ω, hai informes na literatura nos que se conectaron antenas de banda ancha a rectificadores de banda estreita.
As redes híbridas de elementos agrupados e de elementos distribuídos empregáronse amplamente nas topoloxías C e D, sendo os indutores en serie e os condensadores os elementos agrupados máis utilizados. Isto evita estruturas complexas como os condensadores interdixitados, que requiren unha modelización e fabricación máis precisas que as liñas de microstrip estándar.
A potencia de entrada ao rectificador afecta á impedancia de entrada debido á non linealidade do díodo. Polo tanto, a rectena está deseñada para maximizar a PCE para un nivel de potencia de entrada e unha impedancia de carga específicos. Dado que os díodos son principalmente capacitivos de alta impedancia 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 baixa impedancia capacitiva e poden adaptarse ben á antena, evitando así o deseño de antenas con reactancias de entrada >1.000 Ω.
Observouse a adaptación de impedancias adaptativas ou reconfigurables en rectificadores CMOS, onde a rede de adaptación consiste en bancos de condensadores e indutores no chip. Tamén se propuxeron redes de adaptación CMOS estáticas para antenas estándar de 50 Ω, así como antenas de bucle de deseño conxunto. Informouse de que se usan detectores de potencia CMOS pasivos para controlar interruptores que dirixen a saída da antena a diferentes rectificadores e redes de adaptación dependendo da potencia dispoñible. Propúxose unha rede de adaptación reconfigurable usando condensadores sintonizables agrupados, que se sintoniza mediante un axuste fino mentres se mide a impedancia de entrada usando un analizador de redes vectoriais. Nas redes de adaptación de microstrip reconfigurables, utilizáronse interruptores de transistores de efecto de campo para axustar os stubs de adaptación para lograr características de dobre banda.
Para saber máis sobre antenas, visita:
Data de publicación: 09-08-2024
