1. Giriş
Radyo frekansı (RF) enerji hasadı (RFEH) ve radyatif kablosuz güç aktarımı (WPT), pilsiz sürdürülebilir kablosuz ağlar elde etme yöntemleri olarak büyük ilgi görmüştür. Doğrultucu antenler (rectenna), WPT ve RFEH sistemlerinin temel taşıdır ve yüke iletilen DC gücü üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Doğrultucu antenin anten elemanları, hasat verimliliğini doğrudan etkiler ve bu da hasat edilen gücü birkaç mertebe değiştirebilir. Bu makale, WPT ve ortam RFEH uygulamalarında kullanılan anten tasarımlarını incelemektedir. Bildirilen doğrultucu antenler, iki ana kritere göre sınıflandırılmıştır: antenin doğrultma empedansı bant genişliği ve antenin radyasyon özellikleri. Her kriter için, farklı uygulamalar için performans ölçütü (FoM) belirlenmiş ve karşılaştırmalı olarak incelenmiştir.
Kablosuz güç aktarımı (WPT), 20. yüzyılın başlarında Tesla tarafından binlerce beygir gücünü iletme yöntemi olarak önerilmiştir. Radyo frekansı (RF) gücünü toplamak için bir doğrultucuya bağlı bir anteni tanımlayan "rectenna" terimi, 1950'lerde uzay mikrodalga güç iletim uygulamaları ve otonom dronlara güç sağlamak için ortaya çıkmıştır. Çok yönlü, uzun menzilli WPT, yayılım 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 cihazların ve kablosuz sensör düğümlerinin güç tüketimi azalmaya devam ettikçe, sensör düğümlerini ortam RFEH kullanarak veya dağıtılmış düşük güçlü çok yönlü vericiler kullanarak beslemek daha uygulanabilir hale geliyor. Ultra düşük güçlü kablosuz güç sistemleri genellikle bir RF alım 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 rapor edilen RF ön uç uygulamalarını göstermektedir. Kablosuz güç sisteminin uçtan uca verimliliği ve senkronize kablosuz bilgi ve güç aktarım ağının mimarisi, antenler, doğrultucular ve güç yönetimi devreleri gibi bireysel bileşenlerin performansına bağlıdır. Sistemin farklı bölümleri için çeşitli literatür taramaları yapılmıştır. Tablo 1, güç dönüştürme aşamasını, verimli güç dönüştürme için temel bileşenleri ve her bölüm için ilgili literatür taramalarını özetlemektedir. Son literatür, güç dönüştürme teknolojisi, doğrultucu topolojileri veya ağa duyarlı RFEH'ye odaklanmaktadır.
Şekil 1
Ancak, anten tasarımı RFEH'de kritik bir bileşen olarak kabul edilmemektedir. Bazı kaynaklar anten bant genişliğini ve verimliliğini genel bir bakış açısıyla veya minyatürleştirilmiş veya giyilebilir antenler gibi belirli bir anten tasarım perspektifinden ele alsa da, belirli anten parametrelerinin güç alımı ve dönüştürme verimliliği üzerindeki etkisi ayrıntılı olarak analiz edilmemektedir.
Bu makale, RFEH ve WPT'ye özgü anten tasarım zorluklarını standart iletişim anten tasarımından ayırt etme amacıyla doğrultucu antenlerdeki anten tasarım tekniklerini incelemektedir. Antenler iki açıdan karşılaştırılmaktadır: uçtan uca empedans eşleşmesi ve radyasyon özellikleri; her durumda, FoM (Performans Göstergesi) belirlenmekte ve en gelişmiş (SoA) antenlerde incelenmektedir.
2. Bant Genişliği ve Eşleştirme: 50Ω Olmayan RF Ağları
50Ω'luk karakteristik empedans, 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 doğrultucu antende, antenin çıkışı doğrudan doğrultucuya beslenir ve diyotun doğrusal olmaması, kapasitif bileşenin baskın olduğu giriş empedansında büyük bir değişime neden olur. 50Ω'luk bir anten varsayarsak, asıl zorluk, giriş empedansını ilgili frekanstaki doğrultucunun empedansına dönüştürmek ve belirli bir güç seviyesi için optimize etmek üzere ek bir RF eşleştirme ağı tasarlamaktır. Bu durumda, verimli RF-DC dönüşümünü sağlamak için uçtan uca empedans bant genişliği gereklidir. Bu nedenle, antenler periyodik elemanlar veya kendi kendine tamamlayıcı geometri kullanarak teorik olarak sonsuz veya ultra geniş bant genişliğine ulaşabilse de, doğrultucu antenin bant genişliği doğrultucu eşleştirme ağı tarafından sınırlandırılacaktır.
Anten ve doğrultucu arasındaki yansımaları en aza indirerek ve güç transferini en üst düzeye çıkararak tek bantlı ve çok bantlı enerji toplama veya kablosuz güç transferi (WPT) elde etmek için çeşitli doğrultucu anten topolojileri önerilmiştir. Şekil 2, empedans eşleştirme mimarilerine göre sınıflandırılmış, bildirilen doğrultucu anten topolojilerinin yapılarını göstermektedir. Tablo 2, her kategori için uçtan uca bant genişliği (bu durumda FoM) açısından yüksek performanslı doğrultucu anten örneklerini göstermektedir.
Şekil 2. Bant genişliği ve empedans eşleştirmesi açısından doğrultucu anten topolojileri. (a) Standart antenli tek bantlı doğrultucu anten. (b) Her bant için bir doğrultucu ve eşleştirme ağına sahip çok bantlı doğrultucu anten (birden fazla karşılıklı olarak bağlanmış antenden oluşur). (c) Her bant için ayrı eşleştirme ağlarına sahip birden fazla RF portuna sahip geniş bantlı doğrultucu anten. (d) Geniş bantlı anten ve geniş bantlı eşleştirme ağına sahip geniş bantlı doğrultucu anten. (e) Doğrultucuya doğrudan eşlenmiş elektriksel olarak küçük bir anten kullanan tek bantlı doğrultucu anten. (f) Doğrultucu ile eşlenik olacak şekilde karmaşık empedansa sahip tek bantlı, elektriksel olarak büyük anten. (g) Bir frekans aralığında doğrultucu ile eşlenik olacak şekilde karmaşık empedansa sahip geniş bantlı doğrultucu anten.
Kablosuz güç aktarımı (WPT) ve özel beslemeli ortam radyo frekans inhibisyonu (RFEH) farklı doğrultucu uygulamaları olsa da, anten, doğrultucu ve yük arasında uçtan uca eşleşme sağlamak, bant genişliği açısından yüksek güç dönüştürme verimliliği (PCE) elde etmek için temeldir. Bununla birlikte, WPT doğrultucuları, belirli güç seviyelerinde tek bantlı PCE'yi iyileştirmek için daha yüksek kalite faktörü eşleşmesine (daha düşük S11) odaklanır (a, e ve f topolojileri). Tek bantlı WPT'nin geniş bant genişliği, sistemin ayar bozulmasına, üretim hatalarına ve paketleme parazitlerine karşı bağışıklığını artırır. Öte yandan, RFEH doğrultucuları çok bantlı çalışmaya öncelik verir ve tek bir bandın güç spektral yoğunluğu (PSD) genellikle daha düşük olduğundan bd ve g topolojilerine aittir.
3. Dikdörtgen anten tasarımı
1. Tek frekanslı doğrultucu anten
Tek frekanslı doğrultucu antenin (topoloji A) anten tasarımı, esas olarak doğrusal polarizasyon (LP) veya dairesel polarizasyon (CP) yayıcı yama anten, dipol anten ve ters F anten gibi standart anten tasarımlarına dayanmaktadır. Diferansiyel bant doğrultucu anten ise, birden fazla anten ünitesiyle yapılandırılmış DC kombinasyon dizisine veya birden fazla yama ünitesinin karışık DC ve RF kombinasyonuna dayanmaktadır.
Önerilen antenlerin çoğu tek frekanslı antenler olup tek frekanslı kablosuz güç aktarımı (WPT) gereksinimlerini karşıladığından, çevresel çok frekanslı RFEH arayışında, birden fazla tek frekanslı anten, karşılıklı kuplaj bastırma ve güç yönetim devresinden sonra bağımsız DC birleştirme ile çok bantlı doğrultucu antenler (topoloji B) halinde birleştirilerek RF alım ve dönüştürme devresinden tamamen izole edilir. Bu, her bant için birden fazla güç yönetim devresi gerektirir ve bu da tek bir bandın DC gücünün düşük olması nedeniyle yükseltici dönüştürücünün verimliliğini düşürebilir.
2. Çok bantlı ve geniş bantlı RFEH antenleri
Çevresel RFEH (Radyo Frekansı Enerjisi) genellikle çok bantlı alımla ilişkilendirilir; bu nedenle, standart anten tasarımlarının bant genişliğini iyileştirmek ve çift bantlı veya bant anten dizileri oluşturmak için çeşitli teknikler önerilmiştir. Bu bölümde, RFEH'ler için özel anten tasarımlarının yanı sıra, doğrultucu anten olarak kullanılma potansiyeline sahip klasik çok bantlı antenleri inceleyeceğiz.
Eş düzlemli dalga kılavuzu (CPW) monopol antenler, aynı frekansta mikroşerit yama antenlerden daha az alan kaplar ve LP veya CP dalgaları üretir; genellikle geniş bantlı çevresel doğrultucu antenlerde kullanılırlar. Yansıma düzlemleri, izolasyonu artırmak ve kazancı iyileştirmek için kullanılır ve bu da yama antenlere benzer radyasyon desenleriyle sonuçlanır. Yarıklı eş düzlemli dalga kılavuzu antenler, 1,8–2,7 GHz veya 1–3 GHz gibi birden fazla frekans bandı için empedans bant genişliklerini iyileştirmek için kullanılır. Bağlantılı beslemeli yarık antenler ve yama antenler de çok bantlı doğrultucu anten tasarımlarında yaygın olarak kullanılır. Şekil 3, birden fazla bant genişliği iyileştirme tekniği kullanan bazı raporlanmış çok bantlı antenleri göstermektedir.
Şekil 3
Anten-Doğrultucu Empedans Eşleştirme
50Ω'luk bir anteni doğrusal olmayan bir doğrultucuya eşleştirmek zordur çünkü giriş empedansı frekansla büyük ölçüde değişir. A ve B topolojilerinde (Şekil 2), ortak eşleştirme ağı, ayrık elemanlar kullanan bir LC eşleştirmesidir; ancak, göreceli bant genişliği genellikle çoğu iletişim bandından daha düşüktür. Tek bantlı kısa devre eşleştirmesi, 6 GHz'nin altındaki mikrodalga ve milimetre dalga bantlarında yaygın olarak kullanılır ve bildirilen milimetre dalga doğrultucu antenlerinin, PCE bant genişlikleri çıkış harmonik bastırmasıyla sınırlandırıldığı için doğal olarak dar bir bant genişliğine sahip olduğu, bu da onları 24 GHz lisanssız banttaki tek bantlı kablosuz güç aktarımı uygulamaları için özellikle uygun hale getirdiği belirtilmiştir.
C ve D topolojilerindeki doğrultucu antenler daha karmaşık eşleştirme ağlarına sahiptir. Geniş bant eşleştirme için, çıkış portunda bir RF blok/DC kısa devre (geçiş filtresi) veya diyot harmonikleri için geri dönüş yolu olarak bir DC bloklama kapasitörü bulunan tamamen dağıtılmış hat eşleştirme ağları önerilmiştir. Doğrultucu bileşenler, ticari elektronik tasarım otomasyon araçları kullanılarak sentezlenen baskılı devre kartı (PCB) aralıklı kapasitörlerle değiştirilebilir. Bildirilen diğer geniş bant doğrultucu anten eşleştirme ağları, daha düşük frekanslara eşleştirme için toplu elemanları ve girişte bir RF kısa devre oluşturmak için dağıtılmış elemanları birleştirir.
Bir kaynak aracılığıyla yük tarafından gözlemlenen giriş empedansının değiştirilmesi (kaynak çekme tekniği olarak bilinir), %57'lik bağıl bant genişliğine (1,25–2,25 GHz) ve toplu veya dağıtılmış devrelere kıyasla %10 daha yüksek güç dönüşüm verimliliğine sahip geniş bantlı bir doğrultucu tasarlamak için kullanılmıştır. Eşleştirme ağları tipik olarak antenleri tüm 50Ω bant genişliği boyunca eşleştirmek üzere tasarlanmış olsa da, literatürde geniş bantlı antenlerin dar bantlı doğrultuculara bağlandığı raporlar bulunmaktadır.
Hibrit yoğunlaştırılmış elemanlı ve dağıtılmış elemanlı eşleştirme ağları, C ve D topolojilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır; seri indüktörler ve kapasitörler en sık kullanılan yoğunlaştırılmış elemanlardır. Bunlar, standart mikroşerit hatlara göre daha hassas modelleme ve üretim gerektiren iç içe geçmiş kapasitörler gibi karmaşık yapılardan kaçınmayı sağlar.
Diyotun doğrusal olmaması nedeniyle, doğrultucuya verilen giriş gücü giriş empedansını etkiler. Bu nedenle, doğrultucu anten, belirli bir giriş güç seviyesi ve yük empedansı için PCE'yi (güç dönüşüm verimliliği) en üst düzeye çıkarmak üzere tasarlanmıştır. Diyotlar 3 GHz'nin altındaki frekanslarda esas olarak kapasitif yüksek empedansa sahip olduklarından, diyotların düşük kapasitif empedansa sahip olması ve antene iyi bir şekilde eşleştirilebilmesi nedeniyle, eşleştirme ağlarını ortadan kaldıran veya basitleştirilmiş eşleştirme devrelerini en aza indiren geniş bantlı doğrultucu antenler, Prf>0 dBm ve 1 GHz'nin üzerindeki frekanslara odaklanmıştır; böylece giriş reaktansları >1.000Ω olan antenlerin tasarımından kaçınılmıştır.
CMOS doğrultucu antenlerde, çip üzerinde kapasitör bankaları ve indüktörlerden oluşan bir eşleştirme ağı ile uyarlanabilir veya yeniden yapılandırılabilir empedans eşleştirmesi görülmüştür. Statik CMOS eşleştirme ağları, standart 50Ω antenler ve birlikte tasarlanmış döngü antenler 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. Vektör ağ analizörü kullanılarak giriş empedansı ölçülürken ince ayar yapılarak ayarlanan, toplu ayarlanabilir kapasitörler kullanan yeniden yapılandırılabilir bir eşleştirme ağı önerilmiştir. Yeniden yapılandırılabilir mikroşerit eşleştirme ağlarında, çift bant özelliklerini elde etmek için eşleştirme uçlarını ayarlamak üzere alan etkili transistör anahtarları kullanılmıştır.
Antenler hakkında daha fazla bilgi edinmek için lütfen şu adresi ziyaret edin:
Yayın tarihi: 09 Ağustos 2024
