1.Aféierung
Radiofrequenz (RF) Energie Ernte (RFEH) a Radiative Wireless Power Transfer (WPT) hunn e groussen Interessi als Methoden ugezunn fir Batteriefräi nohalteg drahtlose Netzwierker z'erreechen. Rectennas sinn den Ecksteen vun WPT an RFEH Systemer an hunn e wesentlechen Impakt op d'DC Muecht geliwwert op d'Laascht. D'Antenneelementer vun der Rectenna beaflossen direkt d'Ernteeffizienz, wat d'Erntekraaft duerch e puer Uerderen vun der Gréisst variéiere kann. Dëse Pabeier iwwerpréift d'Antennentwerfer déi a WPT an Ambient RFEH Uwendungen beschäftegt ginn. Déi gemellt Rectennas ginn no zwee Haaptkritäre klasséiert: d'Antenne-Rectifizéierungsimpedanzbandbreed an d'Stralungseigenschaften vun der Antenne. Fir all Critère gëtt d'Figur vu Verdéngschter (FoM) fir verschidden Uwendungen bestëmmt a vergläichbar iwwerpréift.
WPT gouf vum Tesla am fréien 20. Joerhonnert als Method proposéiert fir Dausende vu Päerd ze vermëttelen. De Begrëff Rectenna, deen eng Antenne beschreift verbonne mat engem Gläichrichter fir RF Kraaft z'ernimmen, entstanen an den 1950er Jore fir Raummikrowell Kraaftübertragungsapplikatiounen a fir autonom Dronen z'entwéckelen. Omnidirektional, WPT WPT ass limitéiert duerch déi kierperlech Eegeschafte vum Verbreedungsmedium (Loft). Dofir ass kommerziell WPT haaptsächlech limitéiert op No-Feld Net-Radiativ Kraafttransfer fir drahtlos Konsumentelektronik Laden oder RFID.
Wéi de Stroumverbrauch vun Hallefleitgeräter a drahtlose Sensorknäppchen weider erofgeet, gëtt et méi machbar fir Sensorknäppchen mat Ambient RFEH ze benotzen oder verdeelt Low-Power omnidirektional Sender ze benotzen. Ultra-low-power drahtlose Kraaftsystemer besteet normalerweis aus engem RF Acquisitioun Frontend, DC Power a Memory Management, an engem Low-Power Mikroprozessor an Transceiver.
Figur 1 weist d'Architektur vun engem RFEH Wireless Node an déi allgemeng gemellt RF Front-End Implementatiounen. D'Enn-zu-Enn Effizienz vum drahtlose Kraaftsystem an d'Architektur vum synchroniséierten drahtlose Informatiouns- a Kraafttransfernetz hänkt vun der Leeschtung vun eenzelne Komponenten of, wéi Antennen, Gleichrichter a Stroumverwaltungskreesser. Verschidde Literatur Ëmfroe goufen fir verschidden Deeler vum System gehaal. Table 1 resüméiert d'Muecht Konversioun Etapp, Schlëssel Komponente fir efficace Muecht Konversioun, an Zesummenhang Literatur Ëmfroe fir all Deel. Déi rezent Literatur konzentréiert sech op Energiekonversiounstechnologie, Gläichttopologien oder Netzwierkbewosst RFEH.
Figur 1
Wéi och ëmmer, Antennen Design gëtt net als e kritesche Bestanddeel am RFEH ugesinn. Och wann e puer Literatur d'Antennebandbreedung an d'Effizienz aus enger Gesamtperspektiv oder aus enger spezifescher Antenne Design Perspektiv berücksichtegt, sou wéi miniaturiséiert oder wearable Antennen, gëtt den Impakt vu bestëmmten Antenneparameter op Kraaftempfang an Konversiounseffizienz net am Detail analyséiert.
Dëse Pabeier iwwerpréift Antenne Design Techniken a Rectennas mam Zil RFEH a WPT spezifesch Antennen Design Erausfuerderunge vum Standard Kommunikatioun Antennen Design z'ënnerscheeden. Antennen sinn aus zwou Perspektiven Verglach: Enn-ze-Enn Impedanz passende an Stralung Charakteristiken; an all Fall gëtt de FoM an de modernste (SoA) Antennen identifizéiert an iwwerpréift.
2. Bandbreedung a Matching: Non-50Ω RF Netzwierker
Déi charakteristesch Impedanz vu 50Ω ass eng fréi Iwwerleeung vum Kompromiss tëscht Dämpfung a Kraaft an Mikrowellentechnik Uwendungen. An Antennen ass d'Impedanzbandbreedung definéiert als Frequenzbereich, wou d'reflektéiert Kraaft manner wéi 10% ass (S11 < - 10 dB). Zënter Low Noise Amplifiers (LNAs), Power Amplifiers, and Detectors sinn typesch mat engem 50Ω Input Impedanz Match entworf, eng 50Ω Quell gëtt traditionell referenzéiert.
An enger Rectenne gëtt den Ausgang vun der Antenne direkt an de Gläichretter gefüttert, an d'Netlinearitéit vun der Diode verursaacht eng grouss Variatioun an der Inputimpedanz, mat der kapazitiver Komponent dominéiert. Ugeholl vun enger 50Ω Antenne, ass d'Haaptfuerderung en zousätzlech RF passende Netzwierk ze designen fir d'Inputimpedanz an d'Impedanz vum Gleichrichter op der Frequenz vum Interesse ze transforméieren an et fir e spezifesche Kraaftniveau ze optimiséieren. An dësem Fall ass End-to-End Impedanz Bandbreedung erfuerderlech fir effizient RF zu DC Konversioun ze garantéieren. Dofir, obwuel Antennen theoretesch onendlech oder ultra-breet Bandbreedung kënne mat periodeschen Elementer oder selbstkomplementärer Geometrie erreechen, gëtt d'Bandbreedung vun der Rectenna vum Gläichrichter passend Netz verstoppt.
Verschidde Rectenna-Topologien goufen proposéiert fir Single-Band- a Multi-Band Ernte oder WPT z'erreechen andeems d'Reflexioune minimiséieren an d'Kraafttransfer tëscht der Antenne an dem Gläichrikter maximéieren. Figur 2 weist d'Strukturen vun de gemellt rectenna topologien, kategoriséiert duerch hir impedance passende Architektur. Dësch 2 weist Beispiller vun héich-Performance rectennas mat Respekt ze Enn-ze-Enn bandwidth (an dësem Fall, FoM) fir all Kategorie.
Figur 2 Rectenna topologien aus der Perspektiv vun bandwidth an impedance passende. (a) Single-Band Rectenna mat Standard Antenne. (b) Multiband Rectenna (aus multiple géigesäiteg gekoppelte Antennen besteet) mat engem Gläichretter a passenden Netzwierk pro Band. (c) Breetband Rectenna mat multiple RF Ports a separat passende Netzwierker fir all Band. (d) Breetband Rectenna mat Breetbandantenne a Breetband passende Netzwierk. (e) Single-Band rectenna benotzt elektresch kleng Antenne direkt un der rectifier ugepasst. (f) Single-Band, elektresch grouss Antenne mat komplexer Impedanz fir mam Gläichrichter ze konjugéieren. (g) Breetband Rectenna mat komplexer Impedanz fir mam Gläichrichter iwwer eng Rei Frequenzen ze konjugéieren.
Wärend WPT an Ambient RFEH aus dedizéierten Feed verschidde Rectenna Uwendungen sinn, ass d'Enn-zu-Enn-Matchung tëscht Antenne, Gläichretter a Belaaschtung fundamental fir héich Kraaftkonversiounseffizienz (PCE) aus enger Bandbreedungsperspektiv z'erreechen. Trotzdem konzentréieren WPT Rectennas méi op d'Erreeche vun enger méi héijer Qualitéitsfaktor Matching (ënneschten S11) fir Single-Band PCE op bestëmmte Kraaftniveauen ze verbesseren (Topologien a, e an f). Déi breet Bandbreedung vum Single-Band WPT verbessert d'Systemimmunitéit géint d'Ofstëmmung, Fabrikatiounsfehler a Verpackungsparasitiker. Op der anerer Säit, RFEH rectennas Prioritéit Multi-Band Operatioun a gehéieren zu topologien bd an g, wéi d'Kraaft Spektraldicht (PSD) vun enger eenzeger Band allgemeng manner ass.
3. Rechteckantenne Design
1. Single-Frequenz rectenna
D'Antennen Design vun Single-Frequenz rectenna (Topologie A) ass haaptsächlech baséiert op Standard Antenne Design, wéi linear Polarisatioun (LP) oder kreesfërmeg Polarisatioun (CP) Stralung Patch um Buedem Fliger, dipole Antenne an ëmgedréint F Antenne. Differential Band Rectenna baséiert op DC Kombinatiounsarray konfiguréiert mat Multiple Antennenheeten oder gemëschter DC an RF Kombinatioun vu Multiple Patch Eenheeten.
Well vill vun de proposéierten Antennen Single-Frequenz Antennen sinn an den Ufuerderunge vun Single-Frequenz WPT entspriechen, wann Dir Ëmwelt Multi-Frequenz RFEH sichen, Multi-Eenzelfrequenz Antennen sinn a Multi-Band Rectennas kombinéiert (Topologie B) mat géigesäitege Kupplung Ënnerdréckung an onofhängeg DC Kombinatioun nom Power Management Circuit fir se komplett vum RF Acquisitiouns- a Konversiounscircuit ze isoléieren. Dëst erfuerdert Multiple Power Management Circuits fir all Band, wat d'Effizienz vum Boost Converter reduzéiere kann well d'DC Muecht vun enger eenzeger Band niddereg ass.
2. Multi-Band an Breetband RFEH Antennen
Ëmwelt- RFEH ass oft mat Multi-Band Acquisitioun assoziéiert; dofir, eng Villfalt vun Techniken goufen fir eng Verbesserung vun der bandwidth vun Norm Antennen Design a Methoden fir eng Formatioun duebel-Band oder Band Antenne Arrays proposéiert ginn. An dëser Rubrik iwwerpréift mir personaliséiert Antennentwerfer fir RFEHs, souwéi klassesch Multi-Band Antennen mat Potenzial fir als Rectennen ze benotzen.
Coplanar waveguide (CPW) monopole Antennen besetzen manner Beräich wéi microstrip Patch Antennen op der selwechter Frequenz a produzéiere LP oder CP Wellen, a sinn oft fir Breetband Ëmwelt rectennas benotzt. Reflexiounsfliger gi benotzt fir d'Isolatioun ze erhéijen an de Gewënn ze verbesseren, wat zu Stralungsmuster ähnlech wéi Patchantennen resultéiert. Slotted coplanar Waveguide Antennen gi benotzt fir d'Impedanzbandbreedung fir verschidde Frequenzbänner ze verbesseren, sou wéi 1,8–2,7 GHz oder 1–3 GHz. Gekoppelt gefiddert Slot Antennen a Patch Antennen ginn och allgemeng a Multi-Band Rectenna Designs benotzt. Figur 3 weist e puer gemellt Multi-Band Antennen déi méi wéi eng Bandbreedungsverbesserungstechnik benotzen.
Figur 3
Antenne-Rectifier Impedanz Matching
Eng 50Ω Antenne mat engem net-lineare Gliichter ze passen ass Erausfuerderung well seng Inputimpedanz variéiert staark mat der Frequenz. An Topologien A a B (Figur 2), ass de gemeinsame passende Netzwierk en LC-Match mat lumped Elementer; awer, déi relativ bandwidth ass normalerweis manner wéi déi meescht Kommunikatioun Bands. Single-Band Stëbs Matching gëtt allgemeng a Mikrowellen a Millimeterwellenbands ënner 6 GHz benotzt, an déi gemellt Millimeterwelle Rectennas hunn eng inherent schmuel Bandbreedung well hir PCE Bandbreedung vun der harmonescher Ausgangsënnerdréckung ofgeschnidden ass, wat se besonnesch gëeegent fir Single-Band mécht. Band WPT Uwendungen am 24 GHz onlizenzéierte Band.
D'Rectennas an Topologien C an D hu méi komplex passende Netzwierker. Voll verdeelt Linn passende Netzwierker goufen fir Breetband Matching proposéiert, mat engem RF Block / DC Kuerzschluss (Passfilter) am Ausgangshafen oder engem DC Blocking Kondensator als Retour Wee fir Diodeharmonesch. D'Griichterkomponente kënnen duerch gedréckte Circuit Board (PCB) interdigitéierte Kondensatoren ersat ginn, déi mat kommerziellen elektroneschen Designautomatiséierungsinstrumenter synthetiséiert ginn. Aner gemellt Breetband Rectenna passende Netzwierker kombinéiere lumped Elementer fir mat méi nidderegen Frequenzen ze passen a verdeelt Elementer fir en RF Short am Input ze kreéieren.
Variéieren vun der Inputimpedanz observéiert vun der Belaaschtung duerch eng Quell (bekannt als Quell-Pull Technik) gouf benotzt fir e Breetbandgrichter mat 57% relativer Bandbreedung (1,25–2,25 GHz) an 10% méi héich PCE am Verglach mat lumped oder verdeelt Circuiten ze designen . Och wa passende Netzwierker typesch entworf sinn fir Antennen iwwer déi ganz 50Ω Bandbreed ze passen, ginn et Berichter an der Literatur wou Breetbandantennen mat Schmuelbandgleichretter verbonne sinn.
Hybrid lumped-Element a verdeelt-Element passende Netzwierker goufe wäit an Topologien C an D benotzt, mat Serieinduktoren a Kondensatoren déi am meeschte benotzt lumped Elementer. Dës vermeiden komplex Strukturen wéi interdigitéiert Kondensatoren, déi méi präzis Modelléierung a Fabrikatioun erfuerderen wéi Standard Mikrostriplinnen.
D'Inputkraaft zum Gleichrichter beaflosst d'Inputimpedanz wéinst der Netlinearitéit vun der Diode. Dofir ass d'Rectenna entwéckelt fir de PCE fir e spezifeschen Input Power Level a Laaschtimpedanz ze maximéieren. Zënter Dioden sinn haaptsächlech kapazitiv héich Impedanz bei Frequenzen ënner 3 GHz, Breetbandrektennen, déi passend Netzwierker eliminéieren oder vereinfacht passende Circuiten miniméieren, goufen op Frequenzen Prf> 0 dBm an iwwer 1 GHz konzentréiert, well d'Dioden eng niddereg kapazitiv Impedanz hunn a kënne gutt passen. op d'Antenne, sou datt den Design vun Antennen mat Inputreaktanzen vermeit >1.000 Ω.
Adaptive oder reconfigurable impedance passende gouf an CMOS rectennas gesinn, wou de passende Reseau besteet aus on-Chip capacitor Banken an inductors. Statesch CMOS passende Netzwierker goufen och fir Standard 50Ω Antennen proposéiert wéi och co-designéiert Schleifantennen. Et gouf gemellt datt passiv CMOS Kraaftdetektoren benotzt gi fir Schalter ze kontrolléieren déi den Ausgang vun der Antenne op verschidde Gläichretter a passende Netzwierker ofhängeg vun der verfügbarer Kraaft direkten. E rekonfiguréierbare passende Netzwierk mat lumped tunable capacitors gouf proposéiert, wat duerch Feintuning ofgestëmmt gëtt wärend d'Inputimpedanz mat engem Vektornetzanalysator gemooss gëtt. An reconfigurable microstrip passende Netzwierker, Feld Effekt Transistor Schalter goufen benotzt fir de passende stubs ze erreechen duebel-Band Charakteristiken.
Fir méi iwwer Antennen ze léieren, besicht w.e.g.:
Post Zäit: Aug-09-2024
