1.Giriş
Radyo frekansı (RF) enerji hasadı (RFEH) ve radyatif kablosuz güç transferi (WPT), pilsiz sürdürülebilir kablosuz ağlar elde etmek için yöntemler olarak büyük ilgi görmüştür. Rektantlar, WPT ve RFEH sistemlerinin temel taşıdır ve yüke iletilen DC gücü üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Rektantların anten elemanları, hasat verimliliğini doğrudan etkiler ve bu da hasat edilen gücü birkaç büyüklük sırasına göre değiştirebilir. Bu makalede, WPT ve ortam RFEH uygulamalarında kullanılan anten tasarımları incelenmektedir. Bildirilen rektantlar iki ana kritere göre sınıflandırılmıştır: anten doğrultucu empedans bant genişliği ve antenin radyasyon özellikleri. Her kriter için, farklı uygulamalar için değer ölçüsü (FoM) belirlenir ve karşılaştırmalı olarak incelenir.
WPT, Tesla tarafından 20. yüzyılın başlarında binlerce beygir gücü iletme yöntemi olarak önerildi. RF gücünü toplamak için bir doğrultucuya bağlı bir anteni tanımlayan rektenna terimi, 1950'lerde uzay mikrodalga güç iletim uygulamaları ve otonom dronlara güç sağlamak için ortaya çıktı. Çok yönlü, uzun menzilli WPT, yayılma ortamının (hava) fiziksel özellikleriyle sınırlıdır. Bu nedenle, ticari WPT esas olarak kablosuz tüketici elektroniği şarjı veya RFID için yakın alan radyasyonsuz güç aktarımıyla sınırlıdır.
Yarı iletken aygıtların ve kablosuz sensör düğümlerinin güç tüketimi azalmaya devam ettikçe, sensör düğümlerine ortam RFEH kullanarak veya dağıtılmış düşük güçlü çok yönlü vericiler kullanarak güç sağlamak daha uygulanabilir hale gelir. Ultra düşük güçlü kablosuz güç sistemleri genellikle bir RF edinim ön ucu, DC güç ve bellek yönetimi ve düşük güçlü bir mikroişlemci ve alıcı-vericiden oluşur.
Şekil 1, bir RFEH kablosuz düğümünün mimarisini ve yaygın olarak bildirilen RF ön uç uygulamalarını göstermektedir. Kablosuz güç sisteminin uçtan uca verimliliği ve senkronize kablosuz bilgi ve güç aktarım ağının mimarisi, antenler, doğrultucular ve güç yönetim devreleri gibi bireysel bileşenlerin performansına bağlıdır. Sistemin farklı parçaları için çeşitli literatür araştırmaları yürütülmüştür. Tablo 1, güç dönüşüm aşamasını, verimli güç dönüşümü için temel bileşenleri ve her parça için ilgili literatür araştırmalarını özetlemektedir. Son literatür, güç dönüşüm teknolojisi, doğrultucu topolojileri veya ağ farkında RFEH'ye odaklanmaktadır.
Şekil 1
Ancak anten tasarımı RFEH'de kritik bir bileşen olarak kabul edilmez. Bazı literatürler anten bant genişliğini ve verimliliğini genel bir perspektiften veya minyatürleştirilmiş veya giyilebilir antenler gibi belirli bir anten tasarımı perspektifinden ele alsa da, belirli anten parametrelerinin güç alımı ve dönüşüm verimliliği üzerindeki etkisi ayrıntılı olarak analiz edilmemiştir.
Bu makale, RFEH ve WPT'ye özgü anten tasarım zorluklarını standart iletişim anten tasarımından ayırma amacıyla rektanlardaki anten tasarım tekniklerini inceler. Antenler iki bakış açısından karşılaştırılır: uçtan uca empedans uyumu ve radyasyon özellikleri; her durumda, FoM son teknoloji (SoA) antenlerde tanımlanır ve incelenir.
2. Bant Genişliği ve Eşleştirme: 50Ω Olmayan RF Ağları
50Ω'luk karakteristik empedansı, mikrodalga mühendisliği uygulamalarında zayıflama ve güç arasındaki uzlaşmanın erken bir değerlendirmesidir. Antenlerde, empedans bant genişliği, yansıyan gücün %10'dan az olduğu frekans aralığı olarak tanımlanır (S11< − 10 dB). Düşük gürültülü amplifikatörler (LNA'lar), güç amplifikatörleri ve dedektörler tipik olarak 50Ω giriş empedansı eşleşmesiyle tasarlandığından, geleneksel olarak 50Ω'luk bir kaynak referans alınır.
Bir rektifiyende, antenin çıkışı doğrudan doğrultucuya beslenir ve diyotun doğrusal olmayışı, kapasitif bileşenin baskın olduğu giriş empedansında büyük bir değişime neden olur. 50Ω'luk bir anten varsayıldığında, asıl zorluk, giriş empedansını ilgi duyulan frekansta doğrultucunun empedansına dönüştürmek ve belirli bir güç seviyesi için optimize etmek üzere ek bir RF eşleştirme ağı tasarlamaktır. Bu durumda, verimli RF'den DC'ye dönüşümü sağlamak için uçtan uca empedans bant genişliği gerekir. Bu nedenle, antenler periyodik elemanlar veya kendi kendini tamamlayan geometri kullanarak teorik olarak sonsuz veya ultra geniş bant genişliğine ulaşabilse de, rektifiyenin bant genişliği doğrultucu eşleştirme ağı tarafından darboğaza sokulacaktır.
Yansımaları en aza indirerek ve anten ile doğrultucu arasındaki güç transferini en üst düzeye çıkararak tek bantlı ve çok bantlı hasat veya WPT elde etmek için çeşitli rektenna topolojileri önerilmiştir. Şekil 2, empedans eşleştirme mimarilerine göre kategorize edilmiş bildirilen rektenna topolojilerinin yapılarını göstermektedir. Tablo 2, her kategori için uçtan uca bant genişliğine (bu durumda FoM) göre yüksek performanslı rektenna örneklerini göstermektedir.
Şekil 2 Bant genişliği ve empedans uyumu perspektifinden rektenna topolojileri. (a) Standart antenli tek bantlı rektenna. (b) Her bantta bir doğrultucu ve uyum ağı bulunan çok bantlı rektenna (birden fazla karşılıklı olarak eşlenmiş antenden oluşur). (c) Her bant için ayrı uyum ağları ve birden fazla RF portu bulunan geniş bant rektenna. (d) Geniş bant anten ve geniş bant uyum ağı bulunan geniş bant rektenna. (e) Doğrultucuya doğrudan uyum sağlayan elektriksel olarak küçük anten kullanan tek bantlı rektenna. (f) Doğrultucuyla eşlenik olarak karmaşık empedansa sahip tek bantlı, elektriksel olarak büyük anten. (g) Bir dizi frekansta doğrultucuyla eşlenik olarak karmaşık empedansa sahip geniş bant rektenna.
WPT ve özel beslemeden gelen ortam RFEH farklı rektenna uygulamaları olsa da, anten, doğrultucu ve yük arasında uçtan uca eşleşme elde etmek, bant genişliği açısından yüksek güç dönüşüm verimliliği (PCE) elde etmek için temeldir. Bununla birlikte, WPT rektennaları belirli güç seviyelerinde (topolojiler a, e ve f) tek bantlı PCE'yi iyileştirmek için daha yüksek kalite faktörü eşleşmesi (daha düşük S11) elde etmeye daha fazla odaklanır. Tek bantlı WPT'nin geniş bant genişliği, sistemin ayar bozukluğuna, üretim hatalarına ve paketleme parazitlerine karşı bağışıklığını artırır. Öte yandan, RFEH rektennaları çok bantlı çalışmaya öncelik verir ve bd ve g topolojilerine aittir, çünkü tek bir bandın güç spektral yoğunluğu (PSD) genellikle daha düşüktür.
3. Dikdörtgen anten tasarımı
1. Tek frekanslı rektanlar
Tek frekanslı rektennanın (topoloji A) anten tasarımı esas olarak, zemin düzleminde doğrusal polarizasyon (LP) veya dairesel polarizasyon (CP) radyasyon yaması, dipol anten ve ters F anten gibi standart anten tasarımına dayanmaktadır. Diferansiyel bant rektenna, çoklu anten üniteleri veya çoklu yama ünitelerinin karışık DC ve RF kombinasyonu ile yapılandırılmış DC kombinasyon dizisine dayanmaktadır.
Önerilen antenlerin çoğu tek frekanslı antenler olduğundan ve tek frekanslı WPT gereksinimlerini karşıladığından, çevresel çok frekanslı RFEH aranırken, birden fazla tek frekanslı anten, güç yönetimi devresinden sonra karşılıklı kuplaj bastırma ve bağımsız DC kombinasyonu ile çok bantlı rektanlara (topoloji B) birleştirilerek RF edinim ve dönüştürme devresinden tamamen izole edilir. Bu, her bant için birden fazla güç yönetimi devresi gerektirir ve bu da tek bir bandın DC gücü düşük olduğundan yükseltme dönüştürücünün verimliliğini azaltabilir.
2. Çok bantlı ve geniş bantlı RFEH antenleri
Çevresel RFEH genellikle çok bantlı edinimle ilişkilendirilir; bu nedenle, standart anten tasarımlarının bant genişliğini iyileştirmek ve çift bantlı veya bantlı anten dizileri oluşturmak için çeşitli teknikler önerilmiştir. Bu bölümde, RFEH'ler için özel anten tasarımlarını ve rektifiye edici anten olarak kullanılma potansiyeli olan klasik çok bantlı antenleri inceliyoruz.
Koplanar dalga kılavuzu (CPW) monopol antenler, aynı frekansta mikro şerit yama antenlerinden daha az alan kaplar ve LP veya CP dalgaları üretir ve genellikle geniş bantlı çevresel rektannalar için kullanılır. Yansıma düzlemleri, izolasyonu artırmak ve kazancı iyileştirmek için kullanılır ve bu da yama antenlerine benzer radyasyon desenleri ile sonuçlanır. Yuvalı koplanar dalga kılavuzu antenler, 1,8–2,7 GHz veya 1–3 GHz gibi birden fazla frekans bandı için empedans bant genişliklerini iyileştirmek için kullanılır. Çift beslemeli yuva antenleri ve yama antenleri de çok bantlı rektanna tasarımlarında yaygın olarak kullanılır. Şekil 3, birden fazla bant genişliği iyileştirme tekniği kullanan bildirilen bazı çok bantlı antenleri göstermektedir.
Şekil 3
Anten-Doğrultucu Empedans Eşleşmesi
50Ω anteni doğrusal olmayan bir doğrultucuyla eşleştirmek zordur çünkü giriş empedansı frekansla büyük ölçüde değişir. A ve B topolojilerinde (Şekil 2), ortak eşleştirme ağı, toplu elemanlar kullanan bir LC eşleştirmesidir; ancak, bağıl bant genişliği genellikle çoğu iletişim bandından daha düşüktür. Tek bantlı saplama eşleştirmesi genellikle 6 GHz'in altındaki mikrodalga ve milimetre dalga bantlarında kullanılır ve bildirilen milimetre dalga rektannaları, PCE bant genişlikleri çıkış harmonik bastırma tarafından darboğazlandığından doğal olarak dar bir bant genişliğine sahiptir, bu da onları 24 GHz lisanssız bantta tek bantlı WPT uygulamaları için özellikle uygun hale getirir.
C ve D topolojilerindeki rektannalar daha karmaşık eşleştirme ağlarına sahiptir. Geniş bant eşleştirme için, çıkış portunda bir RF bloğu/DC kısa devresi (geçiş filtresi) veya diyot harmonikleri için bir dönüş yolu olarak bir DC blokaj kapasitörü ile tam dağıtılmış hat eşleştirme ağları önerilmiştir. Doğrultucu bileşenleri, ticari elektronik tasarım otomasyon araçları kullanılarak sentezlenen baskılı devre kartı (PCB) iç içe geçmiş kapasitörler ile değiştirilebilir. Bildirilen diğer geniş bant rektanna eşleştirme ağları, daha düşük frekanslara eşleştirme için toplu elemanları ve girişte bir RF kısa devresi oluşturmak için dağıtılmış elemanları birleştirir.
Yük tarafından bir kaynak üzerinden gözlemlenen giriş empedansının değiştirilmesi (kaynak çekme tekniği olarak bilinir) %57 göreli bant genişliğine (1,25–2,25 GHz) ve toplu veya dağıtılmış devrelere kıyasla %10 daha yüksek PCE'ye sahip bir geniş bant doğrultucu tasarlamak için kullanılmıştır. Eşleşen ağlar genellikle tüm 50Ω bant genişliği boyunca antenleri eşleştirmek için tasarlanmasına rağmen, literatürde geniş bant antenlerin dar bant doğrultuculara bağlandığı raporlar bulunmaktadır.
Hibrit toplu eleman ve dağıtılmış eleman eşleştirme ağları, C ve D topolojilerinde yaygın olarak kullanılmıştır ve seri indüktörler ve kapasitörler en yaygın kullanılan toplu elemanlardır. Bunlar, standart mikroşerit hatlarından daha doğru modelleme ve üretim gerektiren iç içe geçmiş kapasitörler gibi karmaşık yapılardan kaçınır.
Doğrultucuya gelen giriş gücü, diyotun doğrusal olmaması nedeniyle giriş empedansını etkiler. Bu nedenle, rektifiye edici anten belirli bir giriş güç seviyesi ve yük empedansı için PCE'yi en üst düzeye çıkarmak üzere tasarlanmıştır. Diyotlar öncelikle 3 GHz'in altındaki frekanslarda kapasitif yüksek empedanslı olduğundan, eşleştirme ağlarını ortadan kaldıran veya basitleştirilmiş eşleştirme devrelerini en aza indiren geniş bant rektifiye edici antenler Prf>0 dBm ve 1 GHz'in üzerindeki frekanslara odaklanmıştır, çünkü diyotlar düşük kapasitif empedansa sahiptir ve antene iyi bir şekilde eşleştirilebilir, böylece giriş reaktansları >1.000Ω olan antenlerin tasarımı önlenir.
Uyarlanabilir veya yeniden yapılandırılabilir empedans eşleştirme, eşleştirme ağının çip üstü kapasitör bankaları ve endüktörlerden oluştuğu CMOS rektanalarında görülmüştür. Statik CMOS eşleştirme ağları, standart 50Ω antenler ve ortak tasarlanmış döngü antenleri için de önerilmiştir. Pasif CMOS güç dedektörlerinin, antenin çıkışını mevcut güce bağlı olarak farklı doğrultuculara ve eşleştirme ağlarına yönlendiren anahtarları kontrol etmek için kullanıldığı bildirilmiştir. Toplu ayarlanabilir kapasitörler kullanan yeniden yapılandırılabilir bir eşleştirme ağı önerilmiştir; bu, bir vektör ağ analizörü kullanılarak giriş empedansı ölçülürken ince ayar yapılarak ayarlanmıştır. Yeniden yapılandırılabilir mikroşerit eşleştirme ağlarında, çift bant karakteristiklerini elde etmek için eşleştirme uçlarını ayarlamak amacıyla alan etkili transistör anahtarları kullanılmıştır.
Antenler hakkında daha fazla bilgi edinmek için lütfen şu adresi ziyaret edin:
Gönderi zamanı: 09-Ağu-2024
