1. Киришүү
Радиожыштык (RF) энергиясын чогултуу (RF) жана радиациялык зымсыз кубаттуулукту берүү (WPT) батареясыз туруктуу зымсыз тармактарга жетүү ыкмалары катары чоң кызыгууну жаратты. Реттенналар WPT жана RFH системаларынын негизи болуп саналат жана жүктөмгө берилген туруктуу токтун кубаттуулугуна олуттуу таасир этет. Реттеннанын антенна элементтери чогултуу натыйжалуулугуна түздөн-түз таасир этет, ал чогултуу кубаттуулугун бир нече эсеге өзгөртө алат. Бул макалада WPT жана айлана-чөйрөдөгү RFH колдонмолорунда колдонулган антенналардын конструкциялары каралат. Билдирилген ректенналар эки негизги критерий боюнча классификацияланат: антеннанын түзөтүүчү импеданс өткөрүү жөндөмдүүлүгү жана антеннанын радиациялык мүнөздөмөлөрү. Ар бир критерий үчүн ар кандай колдонмолор үчүн артыкчылык көрсөткүчү (FoM) аныкталат жана салыштырмалуу каралат.
WPT 20-кылымдын башында Тесла тарабынан миңдеген ат күчүн өткөрүү ыкмасы катары сунушталган. RF кубатын чогултуу үчүн түзөткүчкө туташтырылган антеннаны сүрөттөгөн ректенна термини 1950-жылдары космостук микротолкундуу кубат берүү колдонмолору жана автономдуу дрондорду кубаттоо үчүн пайда болгон. Көп багыттуу, узак аралыкка WPT таралуу чөйрөсүнүн (аба) физикалык касиеттери менен чектелген. Ошондуктан, коммерциялык WPT негизинен зымсыз керектөөчү электрониканы кубаттоо же RFID үчүн жакынкы талаадагы нурланбаган кубаттуулукту берүү менен чектелет.
Жарым өткөргүч түзүлүштөрдүн жана зымсыз сенсор түйүндөрүнүн энергия керектөөсү азайып бараткандыктан, сенсор түйүндөрүн айланадагы RFH же бөлүштүрүлгөн аз кубаттуулуктагы көп багыттуу өткөргүчтөрдү колдонуу менен кубаттоо мүмкүн болуп калат. Өтө аз кубаттуулуктагы зымсыз кубат системалары, адатта, RF алуу алдыңкы бөлүгүнөн, туруктуу токту жана эс тутумду башкаруудан, ошондой эле аз кубаттуулуктагы микропроцессордон жана кабыл алгыч-трансиверден турат.
1-сүрөттө RFH зымсыз түйүнүнүн архитектурасы жана көп айтылган RF фронт-end ишке ашыруулары көрсөтүлгөн. Зымсыз кубаттуулук системасынын жана синхрондоштурулган зымсыз маалымат жана кубаттуулукту өткөрүп берүү тармагынын архитектурасынын толук натыйжалуулугу антенналар, түзөткүчтөр жана кубаттуулукту башкаруу схемалары сыяктуу жеке компоненттердин иштешине көз каранды. Системанын ар кандай бөлүктөрү үчүн бир нече адабияттык изилдөөлөр жүргүзүлдү. 1-таблицада кубаттуулукту конвертациялоо этабы, кубаттуулукту натыйжалуу конвертациялоонун негизги компоненттери жана ар бир бөлүк үчүн тиешелүү адабияттык изилдөөлөр кыскача баяндалган. Акыркы адабияттар кубаттуулукту конвертациялоо технологиясына, түзөткүч топологияларына же тармакка негизделген RFHге багытталган.
1-сүрөт
Бирок, антеннанын дизайны RFEHде маанилүү компонент катары каралбайт. Айрым адабияттарда антеннанын өткөрүү жөндөмдүүлүгү жана натыйжалуулугу жалпы көз караштан же антеннанын белгилүү бир дизайнынын көз карашынан, мисалы, миниатюралык же кийилүүчү антенналар катары каралганы менен, антеннанын айрым параметрлеринин кубаттуулукту кабыл алууга жана конвертациялоонун натыйжалуулугуна тийгизген таасири деталдуу талданбайт.
Бул макалада RFEH жана WPT антенналарынын дизайнына байланыштуу кыйынчылыктарды стандарттуу байланыш антеннасынын дизайнынан айырмалоо максатында ректенналардагы антенналарды долбоорлоо ыкмалары каралат. Антенналар эки көз караштан салыштырылат: импеданстардын толук дал келүүсү жана нурлануу мүнөздөмөлөрү; ар бир учурда FoM заманбап (SoA) антенналарда аныкталат жана каралат.
2. Өткөрүү жөндөмдүүлүгү жана дал келүү: 50Ω эмес RF тармактары
50Ω мүнөздүү импедансы микротолкундуу инженерия колдонмолорунда басаңдатуу менен кубаттуулуктун ортосундагы компромисстин алгачкы каралышы болуп саналат. Антенналарда импеданс өткөрүү жөндөмдүүлүгү чагылдырылган кубаттуулук 10% дан аз болгон жыштык диапазону катары аныкталат (S11< − 10 дБ). Төмөнкү ызы-чуу күчөткүчтөрү (LNA), кубаттуулук күчөткүчтөрү жана детекторлор адатта 50Ω киргизүү импедансына дал келүү менен иштелип чыккандыктан, салттуу түрдө 50Ω булагы колдонулат.
Ректеннада антеннанын чыгышы түздөөчүгө түз берилет, ал эми диоддун сызыктуу эместиги киргизүү импедансынын чоң өзгөрүүсүнө алып келет, сыйымдуулук компоненти басымдуулук кылат. 50Ω антеннаны эске алганда, негизги кыйынчылык - киргизүү импедансын кызыкчылык жыштыгындагы түзөткүчтүн импедансына айландыруу жана аны белгилүү бир кубаттуулук деңгээли үчүн оптималдаштыруу үчүн кошумча RF дал келүүчү тармагын иштеп чыгуу. Бул учурда, RFти туруктуу токко натыйжалуу айландыруу үчүн башынан аягына чейин импеданс өткөрүү жөндөмдүүлүгү талап кылынат. Ошондуктан, антенналар мезгилдүү элементтерди же өзүн-өзү толуктоочу геометрияны колдонуу менен теориялык жактан чексиз же ультра кең өткөрүү жөндөмдүүлүгүнө жетише алса да, ректеннанын өткөрүү жөндөмдүүлүгү түзөткүчтүн дал келүүчү тармагы тарабынан кысылып калат.
Антенна менен түзөткүчтүн ортосундагы чагылышууларды минималдаштыруу жана кубаттуулукту максималдаштыруу аркылуу бир тилкелүү жана көп тилкелүү жыйноо же WPTге жетүү үчүн бир нече ректенна топологиялары сунушталган. 2-сүрөттө импеданстарды дал келтирүү архитектурасы боюнча классификацияланган билдирилген ректенна топологияларынын структуралары көрсөтүлгөн. 2-таблицада ар бир категория үчүн башынан аягына чейинки өткөрүү жөндөмдүүлүгүнө (бул учурда FoM) карата жогорку өндүрүмдүү ректенналардын мисалдары келтирилген.
2-сүрөт. Өткөрүү жөндөмдүүлүгүн жана импедансты дал келтирүү көз карашынан алганда ректенна топологиялары. (а) Стандарттык антеннасы бар бир тилкелүү ректенна. (б) Ар бир тилкеде бир түзөткүч жана дал келүүчү тармагы бар көп тилкелүү ректенна (бир нече өз ара байланышкан антенналардан турат). (в) Ар бир тилке үчүн бир нече RF порттору жана өзүнчө дал келүүчү тармактары бар кең тилкелүү ректенна. (г) Кең тилкелүү антеннасы жана кең тилкелүү дал келүүчү тармагы бар кең тилкелүү ректенна. (д) Түзөткүчкө түздөн-түз дал келген электрдик жактан кичинекей антеннаны колдонгон бир тилкелүү ректенна. (е) Түзөткүч менен конъюгациялоо үчүн татаал импедансы бар бир тилкелүү, электрдик жактан чоң антенна. (ж) Ар кандай жыштыктар диапазонунда түзөткүч менен конъюгациялоо үчүн татаал импедансы бар кең тилкелүү ректенна.
WPT жана атайын агымдан алынган амбиенттик RFH ар кандай ректенна колдонмолору болгону менен, антеннанын, түзөткүчтүн жана жүктөмдүн ортосунда башынан аягына чейин дал келүүгө жетишүү өткөрүү жөндөмдүүлүгүнүн көз карашынан алганда жогорку кубаттуулукту конверсиялоонун натыйжалуулугуна (PCE) жетүү үчүн абдан маанилүү. Ошого карабастан, WPT ректенналары белгилүү бир кубаттуулук деңгээлдеринде (a, e жана f топологиялары) бир тилкелүү PCEни жакшыртуу үчүн жогорку сапаттагы фактордук дал келүүгө (төмөнкү S11) жетүүгө көбүрөөк көңүл бурат. Бир тилкелүү WPTтин кең өткөрүү жөндөмдүүлүгү системанын детекторлорго, өндүрүш кемчиликтерине жана таңгактоо мителерине туруктуулугун жакшыртат. Башка жагынан алганда, RFH ректенналары көп тилкелүү иштөөгө артыкчылык берет жана bd жана g топологияларына кирет, анткени бир тилкенин кубаттуулук спектрдик тыгыздыгы (PSD) жалпысынан төмөн.
3. Тик бурчтуу антеннанын дизайны
1. Бир жыштыктагы ректенна
Бир жыштыктагы ректеннанын (топология А) антеннасынын дизайны негизинен стандарттуу антенна дизайнына, мисалы, жер тегиздигиндеги сызыктуу поляризация (LP) же тегерек поляризация (CP) нурлануучу патчына, диполь антеннасына жана инверттелген F антеннасына негизделген. Дифференциалдык тилкелүү ректенна бир нече антенна бирдиктери менен конфигурацияланган туруктуу токтун айкалышкан массивине же бир нече патч бирдиктеринин аралаш туруктуу ток жана жыштык айкалышына негизделген.
Сунушталган антенналардын көбү бир жыштыктагы антенналар болгондуктан жана бир жыштыктагы WPT талаптарына жооп бергендиктен, айлана-чөйрөнүн көп жыштыктагы RFHин издөөдө, бир нече бир жыштыктагы антенналар көп тилкелүү ректенналарга (В топологиясы) бириктирилип, аларды RF алуу жана конверсиялоо схемасынан толугу менен бөлүп, кубаттуулукту башкаруу схемасынан кийин өз ара байланышты басуу жана көз карандысыз туруктуу ток айкалышы менен камсыздалат. Бул ар бир тилке үчүн бир нече кубаттуулукту башкаруу схемаларын талап кылат, бул күчөткүч конвертердин натыйжалуулугун төмөндөтүшү мүмкүн, анткени бир тилкенин туруктуу ток кубаттуулугу төмөн.
2. Көп тилкелүү жана кең тилкелүү RFEH антенналары
Айлана-чөйрөнүн RFH көп учурда көп тилкелүү алуу менен байланыштуу; ошондуктан, стандарттуу антенна конструкцияларынын өткөрүү жөндөмдүүлүгүн жакшыртуу үчүн ар кандай ыкмалар жана кош тилкелүү же тилкелүү антенна массивдерин түзүү ыкмалары сунушталган. Бул бөлүмдө биз RFH үчүн антеннанын ыңгайлаштырылган конструкцияларын, ошондой эле ректенна катары колдонулушу мүмкүн болгон классикалык көп тилкелүү антенналарды карап чыгабыз.
Копланар толкун өткөргүч (CPW) монополдук антенналар бирдей жыштыктагы микротилкелүү патч антенналарына караганда азыраак аянтты ээлейт жана LP же CP толкундарын пайда кылат жана көбүнчө кең тилкелүү экологиялык ректенналар үчүн колдонулат. Чагылыш тегиздиктери изоляцияны жогорулатуу жана күчөтүүнү жакшыртуу үчүн колдонулат, натыйжада патч антенналарына окшош нурлануу схемалары пайда болот. Оюкчалуу копланар толкун өткөргүч антенналары 1,8–2,7 ГГц же 1–3 ГГц сыяктуу бир нече жыштык тилкелери үчүн импеданс өткөрүү жөндөмдүүлүгүн жакшыртуу үчүн колдонулат. Кошулган азыктандыруучу уяча антенналар жана патч антенналары да көп тилкелүү ректенна конструкцияларында кеңири колдонулат. 3-сүрөттө бирден ашык өткөрүү жөндөмдүүлүгүн жакшыртуу ыкмасын колдонгон кээ бир кабарланган көп тилкелүү антенналар көрсөтүлгөн.
3-сүрөт
Антенна-түзөткүчтүн импедансын дал келтирүү
50Ω антеннаны сызыктуу эмес түзөткүчкө дал келтирүү кыйын, анткени анын киргизүү импедансы жыштыкка жараша бир топ өзгөрөт. А жана В топологияларында (2-сүрөт), жалпы дал келүү тармагы - бул топтолгон элементтерди колдонгон LC дал келүүсү; бирок, салыштырмалуу өткөрүү жөндөмдүүлүгү, адатта, көпчүлүк байланыш тилкелерине караганда төмөн. Бир тилкелүү дал келүү көбүнчө 6 ГГцден төмөн микротолкундуу жана миллиметрдик толкун тилкелеринде колдонулат жана билдирилген миллиметрдик толкундуу ректенналар өткөрүү жөндөмдүүлүгү тар, анткени алардын PCE өткөрүү жөндөмдүүлүгү чыгуу гармоникалык басуу менен чектелген, бул аларды 24 ГГц лицензияланбаган тилкедеги бир тилкелүү WPT колдонмолору үчүн өзгөчө ылайыктуу кылат.
C жана D топологияларындагы ректенналар татаалыраак дал келүүчү тармактарга ээ. Кең тилкелүү дал келүү үчүн толук бөлүштүрүлгөн линия дал келүүчү тармактар сунушталган, анда чыгуу портунда RF блогу/ТК кыска туташуусу (өткөрүү чыпкасы) же диод гармоникалары үчүн кайтаруу жолу катары ТК бөгөттөөчү конденсатор бар. Түзөткүч компоненттерин коммерциялык электрондук долбоорлоону автоматташтыруу куралдарын колдонуу менен синтезделген басылган схема тактасынын (PCB) өз ара цифралык конденсаторлору менен алмаштырууга болот. Башка кабарланган кең тилкелүү ректенна дал келүүчү тармактары төмөнкү жыштыктарга дал келүү үчүн топтолгон элементтерди жана киргизүүдө RF кыска туташуусун түзүү үчүн бөлүштүрүлгөн элементтерди бириктирет.
Булак аркылуу жүк тарабынан байкалган киргизүү импедансын өзгөртүү (булак-тартуу ыкмасы деп аталат) 57% салыштырмалуу өткөрүү жөндөмдүүлүгүнө (1,25–2,25 ГГц) жана топтолгон же бөлүштүрүлгөн схемаларга салыштырмалуу 10% жогору PCEге ээ кең тилкелүү түзөткүчтү долбоорлоо үчүн колдонулган. Дал келген тармактар, адатта, антенналарды бүтүндөй 50Ω өткөрүү жөндөмдүүлүгүнө дал келтирүү үчүн иштелип чыкканы менен, адабиятта кең тилкелүү антенналар тар тилкелүү түзөткүчтөргө туташтырылгандыгы тууралуу маалыматтар бар.
Гибриддик топтолгон элементтүү жана бөлүштүрүлгөн элементтүү дал келүүчү тармактар C жана D топологияларында кеңири колдонулган, удаалаш индукторлор жана конденсаторлор эң көп колдонулган топтолгон элементтер болуп саналат. Булар стандарттуу микротилкелүү линияларга караганда так моделдөөнү жана жасоону талап кылган сан аралыгы бар конденсаторлор сыяктуу татаал түзүлүштөрдөн качууга мүмкүндүк берет.
Түзөткүчтүн киргизүү кубаттуулугу диоддун сызыктуу эместигинен улам киргизүү импедансына таасир этет. Ошондуктан, ректенна белгилүү бир киргизүү кубаттуулугунун деңгээли жана жүк импедансы үчүн PCEди максималдаштыруу үчүн иштелип чыккан. Диоддор негизинен 3 ГГцден төмөн жыштыктарда сыйымдуулуктагы жогорку импеданс болгондуктан, дал келүүчү тармактарды жок кылган же жөнөкөйлөтүлгөн дал келүүчү схемаларды минималдаштырган кең тилкелүү ректенналар Prf>0 дБм жана 1 ГГцден жогору жыштыктарга багытталган, анткени диоддор төмөн сыйымдуулуктагы импеданска ээ жана антеннага жакшы дал келиши мүмкүн, ошентип, киргизүү реактивдүүлүгү >1000 Ом болгон антенналарды долбоорлоодон качууга мүмкүндүк берет.
CMOS ректенналарында адаптивдүү же кайра конфигурациялануучу импеданс дал келүүсү байкалган, мында дал келүүчү тармак чиптеги конденсатор банктарынан жана индукторлордон турат. Статикалык CMOS дал келүүчү тармактары стандарттуу 50Ω антенналар үчүн, ошондой эле биргелешип иштелип чыккан циклдик антенналар үчүн сунушталган. Пассивдүү CMOS кубаттуулук детекторлору антеннанын чыгышын жеткиликтүү кубаттуулукка жараша ар кандай түзөткүчтөргө жана дал келүүчү тармактарга багыттаган которгучтарды башкаруу үчүн колдонулганы кабарланган. Вектордук тармак анализаторун колдонуп, киргизүү импедансын өлчөө менен так жөндөө аркылуу жөнгө салынуучу, топтоштурулган жөнгө салынуучу конденсаторлорду колдонгон кайра конфигурациялануучу дал келүүчү тармак сунушталган. Кайра конфигурациялануучу микротилкелүү дал келүүчү тармактарда талаа эффектиси транзисторунун которгучтары кош тилкелүү мүнөздөмөлөргө жетүү үчүн дал келүүчү ступаларды жөндөө үчүн колдонулган.
Антенналар жөнүндө көбүрөөк маалымат алуу үчүн, төмөнкү дарекке кириңиз:
Жарыяланган убактысы: 2024-жылдын 9-августу
