1.Giriş
Radyo frekansı (RF) enerji hasadı (RFEH) ve ışınımsal kablosuz güç aktarımı (WPT), pilsiz sürdürülebilir kablosuz ağlar elde etme yöntemleri olarak büyük ilgi gördü. Rectennas, WPT ve RFEH sistemlerinin temel taşıdır ve yüke iletilen DC gücü üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Rectenna'nın anten elemanları hasat verimliliğini doğrudan etkiler ve bu da hasat edilen gücü birkaç büyüklük düzeyinde değiştirebilir. Bu makale, WPT ve ortam RFEH uygulamalarında kullanılan anten tasarımlarını incelemektedir. Bildirilen rectennas iki ana kritere göre sınıflandırılır: antenin rektifiye empedans bant genişliği ve antenin radyasyon özellikleri. Her bir kriter için, farklı uygulamalara ilişkin liyakat rakamı (FoM) belirlenmekte ve karşılaştırmalı olarak gözden geçirilmektedir.
WPT, 20. yüzyılın başlarında Tesla tarafından binlerce beygir gücünün iletilmesi için bir yöntem olarak önerildi. RF gücünü toplamak için bir doğrultucuya bağlanan bir anteni tanımlayan rectenna terimi, 1950'lerde uzay mikrodalga güç iletimi 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 ışınımsız güç aktarımıyla sınırlıdır.
Yarı iletken cihazların ve kablosuz sensör düğümlerinin güç tüketimi azalmaya devam ettikçe, ortam RFEH'sini veya dağıtılmış düşük güçlü çok yönlü vericileri kullanarak sensör düğümlerine güç sağlamak daha uygun hale gelir. Ultra düşük güçlü kablosuz güç sistemleri genellikle bir RF toplama 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 araştırmaları yapılmıştır. Tablo 1 güç dönüşümü aşamasını, verimli güç dönüşümü için temel bileşenleri ve her parça için ilgili literatür araştırmalarını özetlemektedir. Son literatür, güç dönüştürme teknolojisine, doğrultucu topolojilerine veya ağa duyarlı RFEH'ye odaklanmaktadır.
Şekil 1
Ancak anten tasarımı RFEH'de kritik bir bileşen olarak görülmemektedir. Her ne kadar bazı literatür 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 tasarımı zorluklarını standart iletişim anteni tasarımından ayırmak amacıyla rektennlerde anten tasarım tekniklerini gözden geçirmektedir. Antenler iki açıdan karşılaştırılır: uçtan uca empedans uyumu ve radyasyon özellikleri; her durumda FoM, en son teknolojiye sahip (SoA) antenlerde tanımlanır ve incelenir.
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, yansıtılan gücün %10'dan az olduğu (S11< − 10 dB) frekans aralığı olarak tanımlanır. Düşük gürültülü amplifikatörler (LNA'lar), güç amplifikatörleri ve dedektörler tipik olarak 50Ω giriş empedansı uyumuyla tasarlandıklarından, geleneksel olarak 50Ω'luk bir kaynağa başvurulur.
Bir rectenna'da, antenin çıkışı doğrudan doğrultucuya beslenir ve diyotun doğrusal olmaması, kapasitif bileşenin baskın olmasıyla giriş empedansında büyük bir değişime neden olur. 50Ω'luk bir anten varsayıldığında asıl zorluk, giriş empedansını ilgilenilen frekanstaki doğrultucunun empedansına dönüştürmek ve bunu belirli bir güç seviyesi için optimize etmek için ek bir RF eşleştirme ağı tasarlamaktır. Bu durumda verimli RF'den DC'ye 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, rektenanın bant genişliği, doğrultucu eşleştirme ağı tarafından darboğaz oluşturacaktır.
Yansımaları en aza indirerek ve anten ile doğrultucu arasındaki güç aktarımını maksimuma çıkararak tek bantlı ve çok bantlı toplama veya WPT'yi elde etmek için çeşitli rectenna topolojileri önerilmiştir. Şekil 2, empedans eşleştirme mimarisine göre kategorize edilmiş, bildirilen rektenna topolojilerinin yapılarını göstermektedir. Tablo 2, her kategori için uçtan uca bant genişliğine (bu durumda FoM) göre yüksek performanslı retenna örneklerini göstermektedir.
Şekil 2 Bant genişliği ve empedans uyumu açısından dikdörtgen topolojiler. (a) Standart antenli tek bantlı rectenna. (b) Bir doğrultucu ve bant başına eşleşen ağ ile çok bantlı alıcı (birden fazla karşılıklı bağlı antenden oluşur). (c) Birden fazla RF bağlantı noktasına ve her bant için ayrı eşleştirme ağlarına sahip geniş bant alıcısı. (d) Geniş bant anteni ve geniş bant eşleştirme ağına sahip geniş bant rectenna. (e) Doğrultucuyla doğrudan eşleşen elektriksel olarak küçük anteni kullanan tek bantlı rectenna. (f) Doğrultucuyla birleşecek karmaşık empedanslı, elektriksel olarak büyük, tek bantlı anten. (g) Bir frekans aralığı üzerinden doğrultucuyla birleşecek karmaşık empedansa sahip geniş bant retenna.
Özel beslemeden gelen WPT ve ortam RFEH'si farklı rectenna uygulamaları olsa da, bant genişliği açısından yüksek güç dönüştürme verimliliğine (PCE) ulaşmak için anten, doğrultucu ve yük arasında uçtan uca eşleşmenin sağlanması esastır. Bununla birlikte, WPT antenleri, belirli güç seviyelerinde (a, e ve f topolojileri) tek bantlı PCE'yi iyileştirmek için daha yüksek kalitede faktör eşleştirme (düşük S11) elde etmeye daha fazla odaklanır. Tek bantlı WPT'nin geniş bant genişliği, sistemin ayarlama, üretim hataları ve paketleme parazitlerine karşı bağışıklığını artırır. Öte yandan, RFEH retennaları 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 rectenna
Tek frekanslı rectenna'nın (topoloji A) anten tasarımı esas olarak, zemin düzleminde doğrusal polarizasyon (LP) veya dairesel polarizasyon (CP) yayan yama, çift kutuplu anten ve ters çevrilmiş F anteni gibi standart anten tasarımına dayanmaktadır. Diferansiyel bant rectenna, çoklu anten birimleriyle yapılandırılmış DC kombinasyon dizisine veya çoklu yama birimlerinin karışık DC ve RF kombinasyonuna dayanır.
Önerilen antenlerin birçoğu tek frekanslı antenler olduğundan ve tek frekanslı WPT gereksinimlerini karşıladığından, çevresel çok frekanslı RFEH aranırken, birden fazla tek frekanslı anten, karşılıklı kuplaj bastırma ve çoklu bant retennalarında (topoloji B) birleştirilir. RF toplama ve dönüştürme devresinden tamamen izole etmek için güç yönetimi devresinden sonra bağımsız DC kombinasyonu. Bu, her bant için birden fazla güç yönetim devresi gerektirir; bu, tek bir bandın DC gücü düşük olduğundan takviye dönüştürücünün verimliliğini azaltabilir.
2. Çok bantlı ve geniş bantlı RFEH antenleri
Çevresel RFEH genellikle çok bantlı edinim ile ilişkilendirilir; bu nedenle standart anten tasarımlarının bant genişliğini geliştirmek için çeşitli teknikler ve çift bantlı veya bantlı anten dizileri oluşturmaya yönelik yöntemler önerilmiştir. Bu bölümde, RFEH'ler için özel anten tasarımlarının yanı sıra, rectenna olarak kullanılma potansiyeli olan klasik çok bantlı antenleri de inceliyoruz.
Eş düzlemli dalga kılavuzu (CPW) tek kutuplu antenler, aynı frekansta mikroşerit yama antenlerinden daha az alan kaplar ve LP veya CP dalgaları üretir ve sıklıkla geniş bantlı çevresel retennalar için kullanılır. Yansıma düzlemleri izolasyonu arttırmak ve kazancı iyileştirmek için kullanılır, bu da yama antenlerine benzer radyasyon desenleri ile sonuçlanır. Oluklu ortak düzlemli dalga kılavuzu antenleri, 1,8–2,7 GHz veya 1–3 GHz gibi çoklu frekans bantları için empedans bant genişliklerini iyileştirmek için kullanılır. Çoklu bantlı rectenna tasarımlarında birleştirilmiş beslemeli slot antenler ve yama antenler de yaygın olarak kullanılmaktadır. Şekil 3, birden fazla bant genişliği iyileştirme tekniği kullanan rapor edilen 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 elemanların kullanıldığı bir LC eşleşmesidir; ancak bağıl bant genişliği genellikle çoğu iletişim bandından daha düşüktür. Tek bant saplama eşleştirmesi, genellikle 6 GHz'in altındaki mikrodalga ve milimetre dalga bantlarında kullanılır ve rapor edilen milimetre dalga rektennaları, PCE bant genişlikleri, çıkış harmonik bastırma nedeniyle darboğaz oluşturduğu için doğası gereği dar bir bant genişliğine sahiptir, bu da onları özellikle tekli tarama için uygun kılar. 24 GHz lisanssız bantta bant WPT uygulamaları.
C ve D topolojilerindeki rectennalar 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 engelleme kapasitörü ile tamamen dağıtılmış hat eşleştirme ağları önerilmiştir. Doğrultucu bileşenleri, ticari elektronik tasarım otomasyon araçları kullanılarak sentezlenen baskılı devre kartı (PCB) dijitalleştirilmiş kapasitörler ile değiştirilebilir. Bildirilen diğer geniş bantlı rectenna eşleştirme ağları, daha düşük frekanslarla eşleştirme için toplu elemanları ve girişte bir RF kısa devre oluşturmak için dağıtılmış elemanları birleştirir.
Yük tarafından gözlemlenen giriş empedansının bir kaynak aracılığıyla değiştirilmesi (kaynak çekme tekniği olarak bilinir), toplu veya dağıtılmış devrelerle karşılaştırıldığında %57 bağıl bant genişliğine (1,25–2,25 GHz) ve %10 daha yüksek PCE'ye sahip bir geniş bant doğrultucu tasarlamak için kullanılmıştır. . Eşleştirme ağları tipik olarak 50Ω bant genişliğinin tamamındaki antenleri eşleştirmek üzere tasarlanmış olsa da, literatürde geniş bant antenlerin dar bant doğrultuculara bağlandığı raporlar vardır.
Hibrit toplu elemanlı ve dağıtılmış elemanlı eşleştirme ağları, C ve D topolojilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır; seri indüktörler ve kapasitörler en yaygın kullanılan toplu elemanlardır. Bunlar, standart mikroşerit hatlardan daha doğru modelleme ve imalat gerektiren, birbirine bağlı kapasitörler gibi karmaşık yapılardan kaçınır.
Doğrultucunun giriş gücü, diyotun doğrusal olmaması nedeniyle giriş empedansını etkiler. Bu nedenle, rectenna, belirli bir giriş gücü seviyesi ve yük empedansı için PCE'yi maksimuma çıkaracak şekilde tasarlanmıştır. Diyotlar öncelikle 3 GHz'in altındaki frekanslarda kapasitif yüksek empedanslı olduğundan, eşleşen ağları ortadan kaldıran veya basitleştirilmiş eşleştirme devrelerini en aza indiren geniş bantlı retennalar, diyotlar düşük kapasitif empedansa sahip olduğundan ve iyi bir şekilde eşleştirilebildiğinden Prf> 0 dBm ve 1 GHz'in üzerindeki frekanslara odaklanmıştır. böylece giriş reaktansı >1.000Ω olan antenlerin tasarımından kaçınılır.
Uyarlanabilir veya yeniden yapılandırılabilir empedans eşleştirmesi, eşleştirme ağının çip üzerindeki kapasitör bankaları ve indüktörlerden oluştuğu CMOS retennalarında görülmüştür. Statik CMOS eşleştirme ağları, standart 50Ω antenlerin yanı sıra ortak tasarlanmış döngü antenleri için de önerilmiştir. Pasif CMOS güç dedektörlerinin, antenin çıkışını mevcut güce bağlı olarak farklı doğrultuculara ve eşleşen ağlara yönlendiren anahtarları kontrol etmek için kullanıldığı rapor edilmiştir. Bir 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 amacıyla eşleşen saplamaları ayarlamak için alan etkili transistör anahtarları kullanılmıştır.
Antenler hakkında daha fazla bilgi edinmek için lütfen şu adresi ziyaret edin:
Gönderim zamanı: Ağu-09-2024
