1. Aféierung
Radiofrequenz- (RF) Energieernte (RFEH) an radiativ drahtlos Energietransfer (WPT) hunn e grousst Interesse als Methode fir batteriefräi nohalteg drahtlos Netzwierker z'erreechen, geweckt. Rektenne sinn de Grondsteen vun de WPT- an RFEH-Systemer an hunn e wesentlechen Afloss op d'gläichstroum Energie, déi un d'Laascht geliwwert gëtt. D'Antennenelementer vun der Rektenne beaflossen direkt d'Ernteeffizienz, wat d'ernte Leeschtung ëm verschidde Gréisstenuerdnungen variéiere kann. Dëse Pabeier iwwerpréift d'Antennendesigns, déi a WPT- an Ambient-RFEH-Applikatiounen agesat ginn. Déi gemellt Rektenne ginn no zwee Haaptkriterien klasséiert: d'Bandbreet vun der Antennegriichtimpedanz an d'Stralungseigenschaften vun der Antenn. Fir all Kriterium gëtt de Verdéngschtfigur (Figure of Merit, FoM) fir verschidden Uwendungen bestëmmt a verglachend iwwerpréift.
WPT gouf vum Tesla am fréien 20. Joerhonnert als Method proposéiert fir Dausende vu Päerdsstäerkten ze iwwerdroen. Den Term Rectenna, deen eng Antenn beschreift, déi mat engem Gläichrichter verbonnen ass fir HF-Leeschtung ze sammelen, ass an den 1950er Joren fir Mikrowellen-Energieiwwerdroungsapplikatiounen am Weltraum an fir autonom Drohnen unzedreiwen entstanen. Omnidirektional, groussreechend WPT ass duerch déi physikalesch Eegeschafte vum Ausbreedungsmedium (Loft) limitéiert. Dofir ass kommerziell WPT haaptsächlech op eng net-radiativ Energieiwwerdroung am Noenfeld fir drahtlos Opluedung vu Konsumentelektronik oder RFID limitéiert.
Well de Stroumverbrauch vu Hallefleiterkomponenten a drahtlose Sensorknueten weider erofgeet, gëtt et ëmmer méi machbar, Sensorknueten iwwer Ambient-RFEH oder iwwer verdeelt omnidirektional Sender mat gerénger Leeschtung ze bedreiwen. Ultra-leeschtungsarm drahtlos Stroumversuergungssystemer bestinn normalerweis aus engem RF-Acquisitiounsfrontend, engem Gläichstroum- a Speichermanagement, an engem Mikroprozessor an Transceiver mat gerénger Leeschtung.
Figur 1 weist d'Architektur vun engem RFEH-Frontend-Knuet an déi allgemeng gemellt RF-Frontend-Implementatiounen. D'End-to-End-Effizienz vum drahtlose Stroumversuergungssystem an d'Architektur vum synchroniséierten drahtlose Informatiouns- a Stroumtransfernetz hänkt vun der Leeschtung vun den eenzelne Komponenten of, wéi Antennen, Gläichrichter a Stroummanagementschaltkreesser. Verschidde Literaturstudien goufen fir verschidden Deeler vum System duerchgefouert. Tabelle 1 resüméiert d'Stroumkonversiounsphase, d'Schlësselkomponenten fir eng effizient Stroumkonversioun a verwandte Literaturstudien fir all Deel. Déi rezent Literatur konzentréiert sech op d'Stroumkonversiounstechnologie, Gläichrichter-Topologien oder netzwierkbewosst RFEH.
Figur 1
Wéi och ëmmer, den Antennendesign gëtt net als kritesch Komponent an der RFEH ugesinn. Obwuel e puer Literaturen d'Antennenbandbreet an d'Effizienz aus enger Gesamtperspektiv oder aus enger spezifescher Antennendesignperspektiv berücksichtegen, wéi zum Beispill miniaturiséiert oder tragbar Antennen, gëtt den Impakt vu bestëmmten Antennenparameteren op den Energieempfang an d'Konversiounseffizienz net am Detail analyséiert.
Dësen Artikel iwwerpréift Antennendesigntechniken a Rectennaen mat dem Zil, RFEH- a WPT-spezifesch Antennendesign-Erausfuerderungen vum Standard-Kommunikatiounsantennendesign z'ënnerscheeden. Antennen ginn aus zwou Perspektiven verglach: End-to-End-Impedanzanpassung a Stralungscharakteristiken; an all Fall gëtt d'FoM an de State-of-the-Art (SoA) Antennen identifizéiert an iwwerpréift.
2. Bandbreet a Matching: Net-50Ω HF-Netzwierker
Déi charakteristesch Impedanz vu 50Ω ass eng fréi Iwwerleeung vum Kompromëss tëscht Dämpfung a Leeschtung a Mikrowellentechnikapplikatiounen. An Antennen ass d'Impedanzbandbreet definéiert als de Frequenzberäich, wou déi reflektéiert Leeschtung manner wéi 10% ass (S11< − 10 dB). Well Geräischerverstärker (LNAen), Leeschtungsverstärker an Detektoren typescherweis mat enger Inputimpedanzanpassung vun 50Ω entworf sinn, gëtt traditionell eng 50Ω Quell referenzéiert.
An enger Rektenna gëtt den Ausgang vun der Antenn direkt an de Gläichrichter geleet, an d'Netlinearitéit vun der Diod verursaacht eng grouss Variatioun vun der Inputimpedanz, woubäi déi kapazitiv Komponent dominéiert. Ënner der Viraussetzung vun enger 50Ω Antenn ass déi Haaptaufgab, en zousätzlecht HF-Anpassungsnetz ze designen, fir d'Inputimpedanz an d'Impedanz vum Gläichrichter bei der interesséierter Frequenz ze transforméieren an se fir e spezifescht Leeschtungsniveau ze optimiséieren. An dësem Fall ass eng End-to-End-Impedanzbandbreet noutwendeg, fir eng effizient HF-zu-DC-Konversioun ze garantéieren. Dofir, obwuel Antennen theoretesch onendlech oder ultrabreet Bandbreet mat periodeschen Elementer oder selbstkomplementärer Geometrie erreeche kënnen, gëtt d'Bandbreet vun der Rektenna vum Gläichrichter-Anpassungsnetz begrenzt.
Verschidde Rektennen-Topologien goufen proposéiert fir Single-Band- a Multi-Band-Harvesting oder WPT z'erreechen, andeems d'Reflexiounen miniméiert ginn an den Energietransfer tëscht der Antenn an dem Gleichrichter maximéiert gëtt. Figur 2 weist d'Strukturen vun de beschriwwene Rektennen-Topologien, kategoriséiert no hirer Impedanzanpassungsarchitektur. Tabelle 2 weist Beispiller vu performante Rektennen a Bezuch op End-to-End-Bandbreet (an dësem Fall FoM) fir all Kategorie.
Figur 2 Rektenne-Topologien aus der Perspektiv vun der Bandbreet- an Impedanzanpassung. (a) Eenband-Rektenne mat Standardantenn. (b) Méiband-Rektenne (zesummegesat aus verschiddene géigesäiteg gekoppelten Antennen) mat engem Gleichrichter an engem Anpassungsnetz pro Band. (c) Breitband-Rektenne mat verschiddene HF-Ports an separaten Anpassungsnetzwierker fir all Band. (d) Breitband-Rektenne mat Breitbandantenn a Breitband-Anpassungsnetz. (e) Eenband-Rektenne mat enger elektresch klenger Antenn, déi direkt mam Gleichrichter ugepasst ass. (f) Eenband-, elektresch grouss Antenn mat komplexer Impedanz, déi mam Gleichrichter konjugéiert gëtt. (g) Breitband-Rektenne mat komplexer Impedanz, déi iwwer e Frequenzenberäich mam Gleichrichter konjugéiert gëtt.
Wärend WPT an Ambient RFEH vun enger dedizéierter Feed verschidde Rektennuwendungen sinn, ass d'Erreeche vun End-to-End-Matching tëscht Antenn, Gläichrichter a Laascht fundamental fir eng héich Leeschtungskonversiounseffizienz (PCE) aus enger Bandbreetperspektiv z'erreechen. Trotzdem konzentréiere sech WPT-Rektenne méi op d'Erreeche vun enger méi héijer Qualitéitsfaktor-Matching (méi niddrege S11) fir d'Eenzelband-PCE bei bestëmmte Leeschtungsniveauen (Topologien a, e an f) ze verbesseren. Déi breet Bandbreet vun der Eenzelband-WPT verbessert d'Systemimmunitéit géint Detuning, Fabrikatiounsdefekter a Packaging-Parasiten. Op der anerer Säit prioritäriséieren RFEH-Rektenne Multiband-Betrib a gehéieren zu den Topologien bd a g, well d'Leeschtungsspektraldicht (PSD) vun engem eenzege Band allgemeng méi niddreg ass.
3. Rechteckeg Antennendesign
1. Eenzelfrequenz-Rektenna
Den Antennedesign vun enger Eenfrequenz-Rektenna (Topologie A) baséiert haaptsächlech op engem Standard-Antennedesign, wéi zum Beispill enger linearer Polarisatioun (LP) oder enger kreesfërmeger Polarisatioun (CP) mat engem Stralungspatch op der Grondfläch, enger Dipolantenn an enger ëmgedréinter F-Antenn. Eng Differenzband-Rektenna baséiert op engem DC-Kombinatiounsmatrix, deen mat verschiddenen Antenneneenheeten oder enger gemëschter DC- an HF-Kombinatioun vu verschiddene Patch-Eenheeten konfiguréiert ass.
Well vill vun de proposéierten Antennen Eenzelfrequenzantennen sinn an d'Ufuerderunge vun der Eenzelfrequenz-WPT erfëllen, ginn, wann eng ëmweltfrëndlech Multifrequenz-RFEH gesicht gëtt, verschidde Eenzelfrequenzantennen a Multiband-Rektennen (Topologie B) mat géigesäiteger Kopplungsënnerdréckung an onofhängeger DC-Kombinatioun nom Stroumverwaltungsschaltkrees kombinéiert, fir se komplett vum RF-Acquisitiouns- a Konversiounsschaltkrees ze isoléieren. Dëst erfuerdert verschidde Stroumverwaltungsschaltkreesser fir all Band, wat d'Effizienz vum Boost-Konverter reduzéiere kann, well d'DC-Leeschtung vun engem eenzege Band niddreg ass.
2. Multiband- a Breitband-RFEH-Antennen
Ëmweltfrëndlech RFEH gëtt dacks mat Multiband-Acquisitioun a Verbindung bruecht; dofir gouf eng Vielfalt vun Technike proposéiert fir d'Bandbreet vu Standard-Antennendesignen a Methode fir d'Bildung vun Dualband- oder Band-Antennenarrays ze verbesseren. An dëser Sektioun iwwerpréife mir personaliséiert Antennendesignen fir RFEHs, souwéi klassesch Multiband-Antennen mat dem Potenzial fir als Rectennaen ze benotzen.
Koplanar Wellenleiter (CPW) Monopolantenne huelen manner Fläch an wéi Mikrostrip-Patchantenne bei der selwechter Frequenz a produzéieren LP- oder CP-Wellen, a gi meeschtens fir Breitband-Ëmweltrektenne benotzt. Reflexiounsebene gi benotzt fir d'Isolatioun ze erhéijen an de Verstärkung ze verbesseren, wat zu Stralungsmuster féiert, déi ähnlech wéi Patchantenne sinn. Schlitzkoplanar Wellenleiterantenne gi benotzt fir d'Impedanzbandbreite fir verschidde Frequenzbänner ze verbesseren, wéi z. B. 1,8–2,7 GHz oder 1–3 GHz. Gekoppelt-gefidderte Slotantenne a Patchantenne gi och dacks a Multiband-Rektenne-Designen benotzt. Figur 3 weist e puer gemellt Multibandantenne, déi méi wéi eng Bandbreetverbesserungstechnik benotzen.
Figur 3
Antenn-Gleichrichter-Impedanzanpassung
D'Upassung vun enger 50Ω Antenn un e netlineare Gleichrichter ass eng Erausfuerderung, well hir Inputimpedanz staark mat der Frequenz variéiert. An den Topologien A a B (Figur 2) ass dat gemeinsamt Matching-Netz en LC-Match mat gelumpte Elementer; awer déi relativ Bandbreet ass normalerweis méi niddreg wéi déi meescht Kommunikatiounsbänner. Eenzelband-Stub-Matching gëtt dacks a Mikrowellen- a Millimeterwellebänner ënner 6 GHz benotzt, an déi gemellt Millimeterwelle-Rechter hunn eng inherent schmuel Bandbreet, well hir PCE-Bandbreet duerch d'Ënnerdréckung vun den Ausgangsharmoniken eng Engpässe ass, wat se besonnesch gëeegent mécht fir Eenzelband-WPT-Applikatiounen am 24 GHz net lizenzéierte Band.
D'Rektenne an den Topologien C an D hunn méi komplex Matching-Netzwierker. Voll verdeelt Linn-Matching-Netzwierker goufen fir Breitband-Matching proposéiert, mat engem RF-Block/DC-Kuerzschluss (Passfilter) um Ausgangsport oder engem DC-Blockkondensator als Réckwee fir Diodenharmoniken. D'Gläichrichterkomponenten kënnen duerch interdigitéiert Kondensatoren op gedréckte Leiterplatten (PCB) ersat ginn, déi mat kommerziellen Tools fir den Automatiséierung vum elektroneschen Design synthetiséiert ginn. Aner gemellt Breitband-Rectenne-Matching-Netzwierker kombinéieren zesummegefaasst Elementer fir d'Matching op méi niddreg Frequenzen a verdeelt Elementer fir en RF-Kuerzschluss um Input ze kreéieren.
D'Variatioun vun der Inputimpedanz, déi vun der Laascht iwwer eng Quell observéiert gëtt (bekannt als Source-Pull-Technik) gouf benotzt fir e Breitbandgleichrichter mat 57% relativer Bandbreet (1,25–2,25 GHz) an 10% méi héijer PCE am Verglach mat gelumpte oder verdeelte Schaltkreesser ze designen. Obwuel d'Anpassungsnetzwierker typescherweis sou entworf sinn, datt se Antennen iwwer déi ganz 50Ω Bandbreet upassen, gëtt et an der Literatur Berichter, wou Breitbandantennen mat Schmalbandgleichrichter verbonne goufen.
Hybrid Klumpelement- a Verdeelelement-Matching-Netzwierker gi wäit verbreet an den Topologien C an D benotzt, woubäi Serien-Induktoren a Kondensatoren déi meescht benotzt Klumpelementer sinn. Dës vermeiden komplex Strukturen wéi interdigitéiert Kondensatoren, déi eng méi genee Modelléierung a Fabrikatioun erfuerderen wéi Standard-Mikrostripleitungen.
D'Inputleistung vum Gläichrichter beaflosst d'Inputimpedanz wéinst der Netlinearitéit vun der Diod. Dofir ass d'Rectenna sou konzipéiert, datt se d'PCE fir e spezifescht Inputleistungsniveau an eng Lastimpedanz maximéiert. Well Dioden haaptsächlech kapazitiv héich impedant bei Frequenzen ënner 3 GHz sinn, hunn sech Breitband-Rectennen, déi Matching-Netzwierker eliminéieren oder vereinfacht Matching-Schaltkreesser miniméieren, op Frequenzen Prf>0 dBm a méi wéi 1 GHz konzentréiert, well d'Dioden eng niddreg kapazitiv Impedanz hunn a gutt un d'Antenn ugepasst kënne ginn, sou datt den Design vun Antennen mat Inputreaktanzen >1.000Ω vermeit gëtt.
Adaptiv oder rekonfiguréierbar Impedanzanpassung gouf a CMOS-Rektennen observéiert, wou den Anpassungsnetz aus On-Chip-Kondensatorbanken an Induktivitéiten besteet. Statesch CMOS-Anpassungsnetzwierker goufen och fir Standard 50Ω-Antennen, souwéi fir co-entworf Loop-Antennen proposéiert. Et gouf bericht, datt passiv CMOS-Leeschtungsdetektoren benotzt ginn, fir Schalter ze steieren, déi den Ausgang vun der Antenn op verschidde Gleichrichter a Anpassungsnetzwierker riichten, ofhängeg vun der verfügbarer Leeschtung. E rekonfiguréierbart Anpassungsnetz mat gelumpte ofstëmmenbare Kondensatoren gouf proposéiert, dat duerch Feinabstimmung ofgestëmmt gëtt, während d'Inputimpedanz mat engem Vektornetzwierkanalysator gemooss gëtt. A rekonfiguréierbare Mikrostrip-Anpassungsnetzwierker goufen Feldeffekttransistorschalter benotzt, fir d'Anpassungsstubs unzepassen, fir Dual-Band-Charakteristiken z'erreechen.
Fir méi iwwer Antennen ze léieren, gitt w.e.g. op:
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 09.08.2024
