1. Introduction
Радио жыштык (RF) энергияны чогултуу (RFEH) жана радиациялык зымсыз энергияны өткөрүү (WPT) батареясыз туруктуу зымсыз тармактарга жетүү ыкмалары катары чоң кызыгууну жаратты. Ректенналар WPT жана RFEH системаларынын негизи болуп саналат жана жүккө жеткирилген туруктуу токтун кубаттуулугуна олуттуу таасирин тийгизет. Ректеннанын антенна элементтери оруп жыйноонун натыйжалуулугуна түздөн-түз таасирин тийгизет, ал жыйналган кубаттуулукту бир нече чоңдукка чейин өзгөртө алат. Бул документ WPT жана айлана-чөйрө RFEH тиркемелеринде колдонулган антенналардын дизайнын карап чыгат. Билдирилген ректенналар эки негизги критерий боюнча классификацияланат: антеннанын түзөтүүчү импеданс өткөрүү жөндөмдүүлүгү жана антеннанын радиациялык мүнөздөмөлөрү. Ар бир критерий боюнча ар кандай өтүнмөлөр үчүн артыкчылык көрсөткүчү (FoM) аныкталат жана салыштырмалуу түрдө каралат.
WPT миңдеген ат күчүн өткөрүү ыкмасы катары 20-кылымдын башында Тесла тарабынан сунушталган. Ректенна термини, RF энергиясын чогултуу үчүн түзөткүчкө туташтырылган антеннаны сүрөттөйт, 1950-жылдары космостук микротолкундуу электр энергиясын берүү колдонмолору жана автономдуу дрондорду иштетүү үчүн пайда болгон. Көп багыттуу, узак аралыктагы WPT таралуу чөйрөнүн (аба) физикалык касиеттери менен чектелет. Ошондуктан, коммерциялык WPT негизинен зымсыз керектөөчү электрониканы кубаттоо же RFID үчүн радиациялык эмес электр кубатын берүү менен чектелет.
Жарым өткөргүч түзүлүштөрдүн жана зымсыз сенсор түйүндөрүнүн энергия керектөөлөрү азайган сайын, сенсор түйүндөрүн RFEH айланасындагы же бөлүштүрүлгөн аз кубаттуу бардык багыттуу өткөргүчтөрдү колдонуу менен иштетүү мүмкүн болот. Ультра аз кубаттуулуктагы зымсыз электр тутумдары, адатта, RF алуу фронтунан, DC кубаттуулугун жана эстутумду башкаруудан, ошондой эле аз кубаттуу микропроцессордон жана трансиверден турат.
1-сүрөт RFEH зымсыз түйүнүнүн архитектурасын жана кеңири таралган RF алдыңкы ишке ашырууларын көрсөтөт. Зымсыз электр тутумунун акырына чейин натыйжалуулугу жана синхрондуу зымсыз маалымат жана энергия берүү тармагынын архитектурасы антенналар, түзөткүчтөр жана энергияны башкаруу схемалары сыяктуу айрым компоненттердин иштешинен көз каранды. Системанын ар кандай бөлүктөрү үчүн бир нече адабият изилдөөлөрү жүргүзүлгөн. 1-таблицада кубаттуулукту конвертациялоо баскычы, эффективдүү электр кубатын өзгөртүү үчүн негизги компоненттер жана ар бир бөлүк үчүн тиешелүү адабияттык изилдөөлөр жалпыланган. Акыркы адабияттар кубаттуулукту конверсиялоо технологиясына, түзөткүч топологияларына же тармакты билген RFEHге багытталган.
1-сүрөт
Бирок, антенна дизайн RFEH маанилүү компоненти катары каралбайт. Кээ бир адабияттар антеннанын өткөрүү жөндөмдүүлүгүн жана эффективдүүлүгүн жалпы көз караштан же конкреттүү антенна дизайнын, мисалы, кичирейтилген же тагынуучу антенналар катары карашса да, антеннанын айрым параметрлеринин кубаттуулукту кабыл алууга жана конверсиянын натыйжалуулугуна тийгизген таасири деталдуу талданган эмес.
Бул макалада RFEH жана WPT антеннасынын дизайнын стандарттык байланыш антеннасынын дизайнынан айырмалоо максатында ректенналарда антеннаны долбоорлоо ыкмалары каралат. Антенналар эки көз караштан салыштырылат: учу-кыйырына каршы импеданстын дал келиши жана радиациялык мүнөздөмөлөрү; ар бир учурда, FoM заманбап (SoA) антенналарда аныкталат жана каралат.
2. өткөрүү жөндөмдүүлүгү жана дал келүү: 50Ω эмес RF тармактары
50Ω мүнөздүү импеданс микротолкундуу инженердик колдонмолордо басаңдатуу менен кубаттуулуктун ортосундагы компромисстин алгачкы кароосу болуп саналат. Антенналарда импеданс өткөрүү жөндөмдүүлүгү чагылдырылган кубаттуулугу 10% (S11< - 10 дБ) аз болгон жыштык диапазону катары аныкталат. Төмөн ызы-чуу күчөткүчтөр (LNAs), күч күчөткүчтөр жана детекторлор адатта 50Ω кириш импеданс дал келүү менен иштелип чыккандыктан, салттуу түрдө 50Ω булагы колдонулат.
Ректеннада антеннанын чыгышы түз түзүүчүгө түздөн-түз берилет жана диоддун сызыктуу эместиги кириш импеданстын чоң өзгөрүшүнө алып келет, мында сыйымдуулук компоненти үстөмдүк кылат. 50Ω антеннаны болжолдосок, негизги маселе - кызыккан жыштыктагы түзөткүчтүн импедансына кириш импедансын өзгөртүү жана аны белгилүү бир кубаттуулук деңгээлине оптималдаштыруу үчүн кошумча RF дал келген тармакты долбоорлоо. Бул учурда, туруктуу RF эффективдүү конверсиясын камсыз кылуу үчүн, акырындагы импеданс өткөрүү жөндөмдүүлүгү талап кылынат. Ошондуктан, антенналар мезгилдүү элементтерди же өзүн-өзү толуктоочу геометрияны колдонуу менен теориялык жактан чексиз же ультра-кең өткөрүү жөндөмдүүлүгүнө жетишсе да, ректеннанын өткөрүү жөндөмдүүлүгү түзөткүчтүн дал келген тармагы тарабынан тоскоолдукка учурайт.
Ректенналардын бир нече топологиялары бир тилкелүү жана көп тилкелүү жыйноо же WPT үчүн чагылууларды азайтуу жана антенна менен түзөткүчтүн ортосундагы кубаттуулукту максималдуу түрдө өткөрүү сунуш кылынган. 2-сүрөттө ректенна топологияларынын түзүмдөрү көрсөтүлгөн, алардын импеданстарынын дал келген архитектурасы боюнча категорияланган. 2-таблицада ар бир категория үчүн өткөрмө жөндөмдүүлүгүнө (бул учурда FoM) карата жогорку өндүрүмдүүлүктөгү ректенналардын мисалдары көрсөтүлгөн.
2-сүрөт Ректенна топологиялары өткөрүү жөндөмдүүлүгү жана импеданстын дал келиши. (a) Стандарттык антеннасы бар бир тилкелүү ректенна. (б) Ар бир диапазондо бир түзөткүч жана дал келген тармак менен көп тилкелүү ректенна (өз ара бириктирилген бир нече антенналардан турат). (c) бир нече RF порттору жана ар бир тилке үчүн өзүнчө дал келген тармактары бар кең тилкелүү ректенна. (г) кең тилкелүү антенна жана кең тилкелүү дал келген тармак менен кең тилкелүү ректенна. (e) Түзөткүчкө түздөн-түз туура келген электрдик кичинекей антеннаны колдонгон бир тилкелүү ректенна. (f) Түзөткүч менен конъюгациялоо үчүн татаал импеданс менен бир тилкелүү, электрдик чоң антенна. (ж) бир катар жыштыктардын диапазонундагы түзөткүч менен конъюгациялануу үчүн татаал импеданс менен кең тилкелүү ректенна.
Атайын каналдан WPT жана айлана-чөйрө RFEH ар кандай ректенна тиркемелери болсо да, антенна, түзөткүч жана жүктүн ортосунда аягына чейин дал келүүгө жетишүү өткөрүү жөндөмдүүлүгүнүн көз карашынан алганда кубаттуулукту конвертациялоонун жогорку эффективдүүлүгүнө (PCE) жетишүү үчүн негиз болуп саналат. Ошого карабастан, WPT ректенналары белгилүү бир кубаттуулук деңгээлдеринде (a, e жана f топологиялары) бир тилкелүү PCEди жакшыртуу үчүн жогорку сапаттагы фактордун дал келишине (төмөнкү S11) жетишүүгө көбүрөөк көңүл бурат. Жалгыз тилкелүү WPTтин кеңири өткөрүү жөндөмдүүлүгү системаны аныктоо, өндүрүш кемчиликтерине жана пакеттөө мителерине каршы иммунитетти жакшыртат. Башка жагынан алганда, RFEH ректенналары көп тилкелүү иштөөгө артыкчылык беришет жана bd жана g топологияларына кирет, анткени бир тилкедеги кубаттуулуктун спектрдик тыгыздыгы (PSD) жалпысынан төмөн.
3. Антеннанын тик бурчтуу дизайны
1. Бир жыштыктуу ректенна
Бир жыштыктуу ректеннанын антеннасынын дизайны (топология А) негизинен стандарттуу антенна дизайнына негизделген, мисалы, сызыктуу поляризация (LP) же тегерек поляризация (CP) жер тегиздигинде нурлануучу патч, диполдук антенна жана тескери F антенна. Дифференциалдык диапазон ректеннасы бир нече антенна бирдиктери менен конфигурацияланган DC айкалышы массивине же бир нече патч бирдиктеринин аралаш DC жана RF айкалышына негизделген.
Сунуш кылынган антенналардын көбү бир жыштыктуу антенналар болгондуктан жана бир жыштыктагы WPT талаптарына жооп бергендиктен, экологиялык көп жыштык RFEH издеп жатканда, бир нече бир жыштык антенналары өз ара байланышты басуу менен көп тилкелүү ректенналарга (топология В) бириктирилет. электр башкаруу схемасынан кийин көз карандысыз DC айкалышы аларды RF алуу жана конверсия схемасынан толугу менен обочолонтуу үчүн. Бул ар бир тилке үчүн бир нече кубаттуулукту башкаруу схемаларын талап кылат, бул күчөтүүчү конвертердин эффективдүүлүгүн төмөндөтүшү мүмкүн, анткени бир тилкенин туруктуу ток күчү төмөн.
2. Көп тилкелүү жана кең тилкелүү RFEH антенналары
Экологиялык RFEH көбүнчө көп тилкелүү алуу менен байланышкан; ошондуктан, стандарттуу антенна конструкцияларынын өткөрүү жөндөмдүүлүгүн жакшыртуу үчүн ар кандай ыкмалар жана кош тилкелүү же тилкелүү антенна массивдерин түзүү ыкмалары сунушталган. Бул бөлүмдө биз RFEH үчүн ыңгайлаштырылган антенналардын дизайнын, ошондой эле ректенна катары колдонула турган классикалык көп тилкелүү антенналарды карап чыгабыз.
Coplanar waveguide (CPW) монополдук антенналары бирдей жыштыктагы микротилкелүү патч антенналарына караганда азыраак аянтты ээлейт жана LP же CP толкундарын чыгарышат жана көбүнчө кең тилкелүү экологиялык ректенналар үчүн колдонулат. Рефлексия учактары изоляцияны жогорулатуу жана пайданы жакшыртуу үчүн колдонулат, натыйжада патч антенналарына окшош радиациялык схемалар пайда болот. Сакталган копланардык толкун өткөргүч антенналары 1,8–2,7 ГГц же 1–3 ГГц сыяктуу бир нече жыштык тилкелери үчүн импеданс өткөрүү жөндөмдүүлүгүн жакшыртуу үчүн колдонулат. Коштолгон слот антенналары жана патч антенналары да көп тилкелүү ректенна конструкцияларында колдонулат. 3-сүрөттө бир нече диапазондуу антенналар көрсөтүлгөн, алар өткөрүү жөндөмдүүлүгүн жакшыртуунун бирден ашык ыкмасын колдонушат.
3-сүрөт
Антенна-түзөткүч импеданстын дал келиши
50Ω антеннаны сызыктуу эмес түзөткүчкө дал келтирүү кыйынга турат, анткени анын кириш импедансы жыштыкка жараша чоң өзгөрөт. А жана В топологияларында (2-сүрөт) жалпы дал келүүчү тармак - бул бириктирилген элементтерди колдонуу менен LC дал келүү; бирок салыштырмалуу өткөрүү жөндөмдүүлүгү көбүнчө байланыш тилкелеринен төмөн. Бир тилкелүү тилкеге дал келүү көбүнчө 6 ГГц төмөн микротолкундуу жана миллиметрдик толкун тилкелеринде колдонулат жана билдирилген миллиметрдик толкун ректенналары табиятынан тар өткөрүү жөндөмдүүлүгүнө ээ, анткени алардын PCE өткөрүү жөндөмдүүлүгү чыгыш гармоникалык басуу менен таркатылган, бул аларды өзгөчө бир диапазон үчүн ылайыктуу кылат. WPT тиркемелери 24 ГГц лицензияланбаган тилкеде.
C жана D топологияларындагы ректенналар татаал дал келген тармактарга ээ. Толук бөлүштүрүлгөн линияларды дал келүүчү тармактар кең тилкелүү дал келүү үчүн сунушталган, чыгуу портунда RF блогу/ТК кыска туташуусу (өтүү чыпкасы) же диод гармоникасы үчүн кайтаруу жолу катары DC блоктоочу конденсатор. Түзөткүч компоненттерин коммерциялык электрондук дизайн автоматташтыруу куралдарын колдонуу менен синтезделген басма схемасы (ПКБ) аралык конденсаторлор менен алмаштырууга болот. Башка кабарланган кең тилкелүү ректеннага дал келүүчү тармактар төмөнкү жыштыктарга дал келүү үчүн бириктирилген элементтерди жана киргизүүдө RF кыскасын түзүү үчүн бөлүштүрүлгөн элементтерди бириктирет.
Булак аркылуу жүктүн байкалган кириш импедансын өзгөртүү (булак тартуу ыкмасы катары белгилүү) 57% салыштырмалуу өткөрүү жөндөмдүүлүгү (1,25–2,25 ГГц) жана 10% жогору PCE менен кең тилкелүү түзөткүчтү долбоорлоо үчүн колдонулган. . Дал келген тармактар, адатта, антенналарды бүт 50Ω өткөрүү жөндөмдүүлүгүнө дал келтирүү үчүн иштелип чыкканына карабастан, адабиятта кең тилкелүү антенналар тар тилкелүү түзөткүчтөр менен туташтырылгандыгы жөнүндө маалыматтар бар.
Гибриддик бириктирилген элементтер менен бөлүштүрүлгөн элементтердин дал келүүчү тармактары C жана D топологияларында кеңири колдонулган, катар индукторлор жана конденсаторлор эң көп колдонулган кесек элементтер. Булар стандарттуу микротилкелүү линияларга караганда так моделдештирүү жана жасоону талап кылган interdigitated конденсаторлор сыяктуу татаал структуралардан качышат.
Түзөткүчтүн кириш кубаттуулугу диоддун сызыктуу эместигинен улам кириш импедансына таасир этет. Ошондуктан, ректенна белгилүү бир кириш кубаттуулугу деңгээли жана жүктүн импедансы үчүн PCEди максималдаштыруу үчүн иштелип чыккан. Диоддор биринчи кезекте 3 ГГцтен төмөн жыштыктарда сыйымдуулуктун жогорку импеданстары болгондуктан, дал келген тармактарды жок кылган же жөнөкөйлөштүрүлгөн дал келүү схемаларын минималдаштыруучу кең тилкелүү ректенналар Prf>0 дБм жана 1 ГГц жогору жыштыктарга багытталган, анткени диоддор аз сыйымдуулукка ээ жана жакшы дал келиши мүмкүн. антеннага, ошентип кириш реакциялары >1,000Ω болгон антенналардын конструкциясынан качат.
Адаптивдүү же кайра конфигурациялануучу импеданстын дал келүүсү CMOS ректенналарында байкалган, мында дал келген тармак чиптеги конденсатор банктарынан жана индукторлордон турат. Статикалык CMOS дал келген тармактар стандарттуу 50Ω антенналар үчүн, ошондой эле биргелешип иштелип чыккан цикл антенналары үчүн сунушталган. Пассивдүү CMOS кубаттуулук детекторлору антеннанын чыгышын ар кандай түзөткүчтөргө жана колдо болгон кубаттуулукка жараша дал келген тармактарга багыттаган өчүргүчтөрдү башкаруу үчүн колдонулат деп кабарланды. Вектордук тармак анализаторунун жардамы менен кириш импедансын өлчөө учурунда так жөндөө жолу менен жөндөлгөн, бирдиктүү жөндөөчү конденсаторлорду колдонуу менен кайра конфигурациялануучу дал келүүчү тармак сунушталды. Кайра конфигурациялануучу микротилкелик дал келүүчү тармактарда талаа эффектисинин транзистордук өчүргүчтөрү кош диапазондуу мүнөздөмөлөргө жетүү үчүн дал келген тилкелерди тууралоо үчүн колдонулган.
Антенналар тууралуу көбүрөөк билүү үчүн төмөнкүгө кириңиз:
Посттун убактысы: 09-август-2024
