1.Giriş
Radyo frekansı (RF) enerji hasadı (RFEH) ve radyatif kablosuz güç transferi (WPT), pilsiz sürdürülebilir kablosuz ağlar elde etmek için kullanılan yöntemler olarak büyük ilgi görmüştür. Rektantlar, WPT ve RFEH sistemlerinin temel taşlarıdır ve yüke iletilen DC güç üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Rektantların anten elemanları, hasat verimliliğini doğrudan etkiler ve bu da hasat edilen gücü birkaç büyüklük sırasına kadar değiştirebilir. Bu makalede, WPT ve ortam RFEH uygulamalarında kullanılan anten tasarımları incelenmektedir. Raporlanan rektantlar iki ana kritere göre sınıflandırılmıştır: anten doğrultucu empedans bant genişliği ve antenin radyasyon özellikleri. Her kriter için, farklı uygulamalar için başarım değeri (FoM) belirlenmiş ve karşılaştırmalı olarak incelenmiştir.
WPT, 20. yüzyılın başlarında Tesla tarafından binlerce beygir gücü iletme yöntemi olarak önerildi. RF gücü toplamak için bir doğrultucuya bağlı bir anteni tanımlayan rektenna terimi, 1950'lerde uzay mikrodalga güç iletim uygulamaları ve otonom insansız hava araçlarına 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 cihazların ve kablosuz sensör düğümlerinin güç tüketimi azalmaya devam ettikçe, sensör düğümlerine ortam RFEH veya dağıtılmış düşük güçlü çok yönlü vericiler kullanarak güç sağlamak daha mümkün hale gelmektedir. 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 bölümleri için çeşitli literatür taramaları yapılmıştır. Tablo 1, güç dönüşüm aşamasını, verimli güç dönüşümü için temel bileşenleri ve her bölüm için ilgili literatür taramalarını özetlemektedir. Son literatür, güç dönüşüm teknolojisi, doğrultucu topolojileri veya ağ tabanlı RFEH'ye odaklanmaktadır.
Şekil 1
Ancak anten tasarımı, RFEH'de kritik bir bileşen olarak kabul edilmemektedir. Bazı literatürler anten bant genişliğini ve verimliliğini genel bir perspektiften veya minyatür 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 anteni tasarımından ayırt etmek amacıyla, rektanelerdeki anten tasarım tekniklerini incelemektedir. Antenler iki açıdan karşılaştırılmaktadır: uçtan uca empedans uyumu ve radyasyon özellikleri; her iki durumda da, son teknoloji (SoA) antenlerde FoM tanımlanmakta ve 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 genellikle 50Ω giriş empedansı eşleşmesiyle tasarlandığından, geleneksel olarak 50Ω'luk bir kaynak referans alınır.
Bir rektifiye anteninde, antenin çıkışı doğrudan doğrultucuya beslenir ve diyotun doğrusal olmayışı, giriş empedansında kapasitif bileşenin baskın olduğu büyük bir değişime neden olur. 50Ω'luk bir anten varsayıldığında, asıl zorluk, giriş empedansını ilgili frekansta doğrultucunun empedansına dönüştürmek ve belirli bir güç seviyesi için optimize etmek üzere ek bir RF eşleştirme ağı tasarlamaktır. Bu durumda, verimli bir RF-DC dönüşümü sağlamak için uçtan uca empedans bant genişliği gereklidir. Bu nedenle, antenler periyodik elemanlar veya kendi kendini tamamlayan geometri kullanarak teorik olarak sonsuz veya ultra geniş bant genişliğine ulaşabilse de, rektifiye anteninin bant genişliği doğrultucu eşleştirme ağı tarafından darboğazlanacaktır.
Yansımaları en aza indirerek ve anten ile doğrultucu arasındaki güç transferini en üst düzeye çıkararak tek bantlı ve çok bantlı veri toplama (WPT) elde etmek için çeşitli rektane topolojileri önerilmiştir. Şekil 2, bildirilen rektane topolojilerinin yapılarını, empedans eşleştirme mimarilerine göre kategorize edilmiş olarak göstermektedir. Tablo 2, her kategori için uçtan uca bant genişliği (bu durumda FoM) açısından yüksek performanslı rektane örnekleri göstermektedir.
Şekil 2 Bant genişliği ve empedans uyumu perspektifinden rektenna topolojileri. (a) Standart antenli tek bantlı rektenna. (b) Her bantta bir doğrultucu ve eşleştirme ağı bulunan çok bantlı rektenna (birden fazla karşılıklı olarak eşlenmiş antenden oluşur). (c) Her bant için ayrı eşleştirme ağları ve birden fazla RF portu bulunan geniş bant rektenna. (d) Geniş bant anten ve geniş bant eşleştirme ağı bulunan geniş bant rektenna. (e) Doğrudan doğrultucuya eşleştirilmiş elektriksel olarak küçük anten kullanan tek bantlı rektenna. (f) Doğrultucuyla eşleşecek karmaşık empedanslı, elektriksel olarak büyük tek bantlı anten. (g) Bir frekans aralığında doğrultucuyla eşleşecek karmaşık empedanslı, geniş bant rektenna.
Özel beslemeden gelen WPT ve ortam RFEH farklı alıcı anten uygulamaları olsa da, anten, doğrultucu ve yük arasında uçtan uca eşleştirme sağlamak, bant genişliği açısından yüksek güç dönüşüm verimliliği (PCE) elde etmek için temel öneme sahiptir. Bununla birlikte, WPT alıcı antenleri, belirli güç seviyelerinde (a, e ve f topolojileri) tek bantlı PCE'yi iyileştirmek için daha yüksek kalite faktörü eşleştirmesi (daha düşük S11) elde etmeye daha fazla odaklanır. Tek bantlı WPT'nin geniş bant genişliği, sistemin uyumsuzluğa, üretim hatalarına ve paketleme parazitlerine karşı bağışıklığını artırır. Öte yandan, RFEH alıcı antenleri 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 rektifiye antenleri
Tek frekanslı rektenna anten tasarımı (topoloji A), temel olarak, zemin düzleminde doğrusal polarizasyon (LP) veya dairesel polarizasyon (CP) yamalı anten, dipol anten ve ters F anten gibi standart anten tasarımlarına dayanır. Diferansiyel bant rektenna, birden fazla anten ünitesiyle yapılandırılmış DC kombinasyon dizisine veya birden fazla yama ünitesinin karışık DC ve RF kombinasyonuna dayanır.
Önerilen antenlerin çoğu tek frekanslı antenler olduğundan ve tek frekanslı WPT gerekliliklerini karşıladığından, çevresel çok frekanslı RFEH aranırken, birden fazla tek frekanslı anten, karşılıklı kuplaj bastırma ve güç yönetim devresinden sonra bağımsız DC kombinasyonu ile çok bantlı rektannalar (topoloji B) halinde birleştirilir ve böylece RF edinim ve dönüştürme devresinden tamamen izole edilirler. Bu, her bant için birden fazla güç yönetim devresi gerektirir ve bu da tek bir bandın DC gücü düşük olduğundan yükseltici dönüştürücünün verimliliğini düşürebilir.
2. Çok bantlı ve geniş bantlı RFEH antenleri
Çevresel RFEH genellikle çok bantlı edinim ile 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 tasarımlarının yanı sıra, rektifiye anten olarak kullanılma potansiyeline sahip klasik çok bantlı antenleri de inceleyeceğiz.
Koplanar dalga kılavuzu (CPW) monopol antenler, aynı frekansta mikroşerit 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 antenlere benzer radyasyon desenleri oluşturur. Yarıklı 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. Kuplajlı beslemeli yarık antenler ve yama antenler 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 Eşleştirmesi
50Ω'luk bir anteni doğrusal olmayan bir doğrultucuyla eşleştirmek zordur çünkü giriş empedansı frekansa göre 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 eşleştirme, 6 GHz'in altındaki mikrodalga ve milimetre dalga bantlarında yaygın olarak kullanılır ve bildirilen milimetre dalga rektanları, PCE bant genişlikleri çıkış harmonik bastırma nedeniyle darboğaz oluşturduğundan, doğası gereği dar bir bant genişliğine sahiptir ve bu da onları 24 GHz lisanssız banttaki tek bantlı WPT uygulamaları için özellikle uygun hale getirir.
C ve D topolojilerindeki rektaneler 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 bulunan tam dağıtılmış hat eşleştirme ağları önerilmiştir. Doğrultucu bileşenleri, ticari elektronik tasarım otomasyon araçları kullanılarak sentezlenen baskılı devre kartı (PCB) iç içe geçmiş kapasitörlerle değiştirilebilir. Bildirilen diğer geniş bant rektane eşleştirme ağları, düşük frekanslara eşleştirme için toplu elemanları ve girişte bir RF kısa devresi oluşturmak için dağıtılmış elemanları birleştirir.
Yükün bir kaynak üzerinden gözlemlediği giriş empedansının değiştirilmesi (kaynak-çekme tekniği olarak bilinir), toplu veya dağıtılmış devrelere kıyasla %57 göreli bant genişliğine (1,25-2,25 GHz) ve %10 daha yüksek PCE'ye sahip bir geniş bant doğrultucu tasarlamak için kullanılmıştır. Eşleştirme ağları genellikle antenleri 50Ω bant genişliğinin tamamında eşleştirmek üzere tasarlansa da, literatürde geniş bant antenlerin dar bant doğrultuculara bağlandığına dair raporlar mevcuttur.
Hibrit toplu eleman ve dağıtılmış eleman eşleştirme ağları, C ve D topolojilerinde yaygın olarak kullanılmış olup, seri endüktörler ve kapasitörler en yaygın kullanılan toplu elemanlardır. Bu ağlar, standart mikroşerit hatlara göre daha hassas 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, doğrultucu anteni, belirli bir giriş gücü seviyesi ve yük empedansı için PCE'yi en üst düzeye çıkaracak şekilde 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 doğrultucu antenler, Prf>0 dBm ve 1 GHz'in üzerindeki frekanslara odaklanmıştır. Çünkü diyotlar düşük kapasitif empedansa sahiptir ve antenle iyi bir şekilde eşleştirilebilirler. Böylece giriş reaktansı >1000Ω olan antenlerin tasarımından kaçınılmış olur.
Uyarlanabilir veya yeniden yapılandırılabilir empedans eşleştirme, eşleştirme ağının çip üzerindeki kapasitör bankaları ve endüktörlerden oluştuğu CMOS rektanalarında görülmüştür. Statik CMOS eşleştirme ağları, standart 50Ω antenlerin yanı sıra ortak tasarlanmış döngü antenleri için de önerilmiştir. Pasif CMOS güç dedektörlerinin, mevcut güce bağlı olarak antenin çıkışını farklı doğrultuculara ve eşleştirme ağlarına yönlendiren anahtarları kontrol etmek için kullanıldığı bildirilmiştir. Toplu ayarlanabilir kapasitörler kullanan yeniden yapılandırılabilir bir eşleştirme ağı önerilmiştir ve bu ağ, 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
