1. Pasiuna
Ang radio frequency (RF) energy harvesting (RFEH) ug radiative wireless power transfer (WPT) nakadani og dakong interes isip mga pamaagi aron makab-ot ang battery-free sustainable wireless networks. Ang mga rectenna mao ang pundasyon sa mga sistema sa WPT ug RFEH ug adunay dakong epekto sa DC power nga gihatud sa load. Ang mga elemento sa antenna sa rectenna direktang makaapekto sa harvesting efficiency, nga mahimong mag-usab-usab sa harvested power sa daghang order sa magnitude. Kini nga papel nagrepaso sa mga disenyo sa antenna nga gigamit sa mga aplikasyon sa WPT ug ambient RFEH. Ang gitaho nga mga rectenna giklasipikar sumala sa duha ka pangunang criteria: ang antenna rectifying impedance bandwidth ug ang radiation characteristics sa antenna. Alang sa matag criteria, ang figure of merit (FoM) alang sa lain-laing mga aplikasyon gitino ug girepaso nga itandi.
Ang WPT gisugyot ni Tesla sa sayong bahin sa ika-20 nga siglo isip usa ka pamaagi sa pagpadala og liboan ka horsepower. Ang termino nga rectenna, nga naghulagway sa usa ka antenna nga konektado sa usa ka rectifier aron makakuha og RF power, mitumaw sa 1950s alang sa mga aplikasyon sa space microwave power transmission ug aron mapaandar ang mga autonomous drone. Ang omnidirectional, long-range WPT gilimitahan sa pisikal nga mga kabtangan sa propagation medium (hangin). Busa, ang komersyal nga WPT limitado lamang sa near-field non-radiative power transfer alang sa wireless consumer electronics charging o RFID.
Samtang ang konsumo sa kuryente sa mga semiconductor device ug wireless sensor node padayon nga mikunhod, mas posible na ang pagpaandar sa mga sensor node gamit ang ambient RFEH o paggamit sa distributed low-power omnidirectional transmitter. Ang mga ultra-low-power wireless power system kasagaran gilangkoban sa RF acquisition front end, DC power ug memory management, ug usa ka low-power microprocessor ug transceiver.
Ang Figure 1 nagpakita sa arkitektura sa usa ka RFEH wireless node ug sa kasagarang gitaho nga mga implementasyon sa RF front-end. Ang end-to-end nga kahusayan sa wireless power system ug ang arkitektura sa synchronized wireless information ug power transfer network nagdepende sa performance sa indibidwal nga mga component, sama sa mga antenna, rectifier, ug power management circuits. Daghang mga literature survey ang gihimo alang sa lain-laing mga bahin sa sistema. Ang Table 1 nagsumaryo sa power conversion stage, mga importanteng component alang sa episyente nga power conversion, ug mga may kalabutan nga literature survey alang sa matag bahin. Ang bag-o nga mga literatura nagpunting sa teknolohiya sa power conversion, mga topolohiya sa rectifier, o network-aware nga RFEH.
Hulagway 1
Apan, ang disenyo sa antenna wala giisip nga usa ka kritikal nga sangkap sa RFEH. Bisan tuod ang ubang literatura nagkonsiderar sa bandwidth ug efficiency sa antenna gikan sa kinatibuk-ang perspektibo o gikan sa usa ka piho nga perspektibo sa disenyo sa antenna, sama sa miniaturized o wearable antennas, ang epekto sa pipila ka mga parameter sa antenna sa pagdawat sa kuryente ug efficiency sa pagkakabig wala gisusi sa detalyado.
Kini nga papel nagrepaso sa mga teknik sa disenyo sa antenna sa mga rectenna nga adunay tumong nga mailhan ang mga hagit sa disenyo sa antenna nga espesipiko sa RFEH ug WPT gikan sa standard nga disenyo sa antenna sa komunikasyon. Ang mga antenna gitandi gikan sa duha ka perspektibo: end-to-end impedance matching ug radiation characteristics; sa matag kaso, ang FoM giila ug girepaso sa state-of-the-art (SoA) nga mga antenna.
2. Bandwidth ug Pagpares: Mga Non-50Ω RF Network
Ang kinaiya nga impedance nga 50Ω usa ka sayo nga konsiderasyon sa kompromiso tali sa attenuation ug power sa mga aplikasyon sa microwave engineering. Sa mga antenna, ang impedance bandwidth gihubit isip ang frequency range diin ang reflected power ubos sa 10% (S11< − 10 dB). Tungod kay ang mga low noise amplifier (LNA), power amplifier, ug detector kasagarang gidisenyo nga adunay 50Ω input impedance match, ang 50Ω source tradisyonal nga gi-refer.
Sa usa ka rectenna, ang output sa antenna direktang gipakaon ngadto sa rectifier, ug ang nonlinearity sa diode hinungdan sa dakong kalainan sa input impedance, diin ang capacitive component ang nagdominar. Kon ang usa ka 50Ω antenna, ang pangunang hagit mao ang pagdesinyo og dugang nga RF matching network aron mabag-o ang input impedance ngadto sa impedance sa rectifier sa frequency nga gusto ug ma-optimize kini alang sa usa ka piho nga lebel sa kuryente. Niini nga kaso, gikinahanglan ang end-to-end impedance bandwidth aron masiguro ang episyente nga RF ngadto sa DC conversion. Busa, bisan tuod ang mga antenna makab-ot sa theoretically infinite o ultra-wide bandwidth gamit ang periodic elements o self-complementary geometry, ang bandwidth sa rectenna ma-bottleneck sa rectifier matching network.
Daghang mga topolohiya sa rectenna ang gisugyot aron makab-ot ang single-band ug multi-band harvesting o WPT pinaagi sa pagminus sa mga reflection ug pag-maximize sa power transfer tali sa antenna ug sa rectifier. Gipakita sa Figure 2 ang mga istruktura sa gitaho nga mga topolohiya sa rectenna, nga giklasipikar pinaagi sa ilang impedance matching architecture. Gipakita sa Table 2 ang mga pananglitan sa high-performance rectennas kalabot sa end-to-end bandwidth (sa kini nga kaso, FoM) alang sa matag kategorya.
Hulagway 2 Mga topolohiya sa Rectenna gikan sa perspektibo sa bandwidth ug impedance matching. (a) Single-band rectenna nga adunay standard antenna. (b) Multiband rectenna (gilangkob sa daghang mutually coupled antennas) nga adunay usa ka rectifier ug matching network matag band. (c) Broadband rectenna nga adunay daghang RF port ug gilain nga matching network alang sa matag band. (d) Broadband rectenna nga adunay broadband antenna ug broadband matching network. (e) Single-band rectenna nga naggamit ug electrically small antenna nga direktang gipares sa rectifier. (f) Single-band, electrically large antenna nga adunay complex impedance aron i-conjugate sa rectifier. (g) Broadband rectenna nga adunay complex impedance aron i-conjugate sa rectifier sa lain-laing mga frequency.
Samtang ang WPT ug ambient RFEH gikan sa dedicated feed managlahing aplikasyon sa rectenna, ang pagkab-ot sa end-to-end matching tali sa antenna, rectifier, ug load hinungdanon aron makab-ot ang taas nga power conversion efficiency (PCE) gikan sa perspektibo sa bandwidth. Bisan pa, ang mga WPT rectenna mas naka-focus sa pagkab-ot sa mas taas nga quality factor matching (mas ubos nga S11) aron mapaayo ang single-band PCE sa pipila ka lebel sa kuryente (topologies a, e, ug f). Ang lapad nga bandwidth sa single-band WPT nagpauswag sa resistensya sa sistema sa detuning, mga depekto sa paggama, ug mga parasitiko sa packaging. Sa laing bahin, ang mga RFEH rectenna nag-una sa multi-band operation ug nahisakop sa mga topologies nga bd ug g, tungod kay ang power spectral density (PSD) sa usa ka single band kasagaran mas ubos.
3. Disenyo sa rektanggulo nga antena
1. Single-frequency nga rektanggulo
Ang disenyo sa antenna sa single-frequency rectenna (topology A) kasagaran gibase sa standard nga disenyo sa antenna, sama sa linear polarization (LP) o circular polarization (CP) nga nag-radiate sa patch sa ground plane, dipole antenna ug inverted F antenna. Ang differential band rectenna gibase sa DC combination array nga gi-configure nga adunay daghang antenna units o mixed DC ug RF combination sa daghang patch units.
Tungod kay daghan sa gisugyot nga mga antenna kay single-frequency antennas ug nakab-ot ang mga kinahanglanon sa single-frequency WPT, kung mangita og environmental multi-frequency RFEH, daghang single-frequency antennas ang gihiusa ngadto sa multi-band rectennas (topology B) nga adunay mutual coupling suppression ug independent DC combination human sa power management circuit aron hingpit nga ibulag kini gikan sa RF acquisition ug conversion circuit. Nagkinahanglan kini og daghang power management circuits para sa matag band, nga mahimong makapakunhod sa efficiency sa boost converter tungod kay ubos ang DC power sa usa ka band.
2. Mga multi-band ug broadband nga RFEH antenna
Ang environmental RFEH sagad nalangkit sa multi-band acquisition; busa, lain-laing mga teknik ang gisugyot alang sa pagpaayo sa bandwidth sa standard antenna designs ug mga pamaagi alang sa pagporma og dual-band o band antenna arrays. Niini nga seksyon, among gisusi ang custom antenna designs para sa mga RFEH, ingon man ang classic multi-band antennas nga adunay potensyal nga gamiton isip rectennas.
Ang mga coplanar waveguide (CPW) monopole antennas nag-okupar og gamay nga lugar kaysa mga microstrip patch antennas sa parehas nga frequency ug nagpatunghag LP o CP waves, ug kanunay gigamit alang sa broadband environmental rectennas. Ang mga reflection plane gigamit aron madugangan ang isolation ug mapaayo ang gain, nga moresulta sa mga radiation pattern nga susama sa mga patch antenna. Ang mga slotted coplanar waveguide antennas gigamit aron mapaayo ang impedance bandwidths alang sa daghang frequency bands, sama sa 1.8–2.7 GHz o 1–3 GHz. Ang mga coupled-fed slot antennas ug patch antennas kasagarang gigamit usab sa mga disenyo sa multi-band rectenna. Ang Figure 3 nagpakita sa pipila ka gitaho nga multi-band antennas nga naggamit og labaw sa usa ka bandwidth improvement technique.
Hulagway 3
Pagpares sa Impedance sa Antenna-Rectifier
Ang pagpares sa usa ka 50Ω antenna ngadto sa usa ka nonlinear rectifier usa ka lisod nga buluhaton tungod kay ang input impedance niini managlahi kaayo depende sa frequency. Sa mga topology A ug B (Figure 2), ang common matching network usa ka LC match gamit ang lumped elements; bisan pa, ang relatibong bandwidth kasagaran mas ubos kay sa kadaghanan sa mga communication band. Ang single-band stub matching kasagarang gigamit sa microwave ug millimeter-wave bands nga ubos sa 6 GHz, ug ang gitaho nga millimeter-wave rectennas adunay kinaiyanhong pig-ot nga bandwidth tungod kay ang ilang PCE bandwidth nababagan sa output harmonic suppression, nga naghimo kanila nga labi ka angay alang sa single-band WPT applications sa 24 GHz unlicensed band.
Ang mga rectenna sa mga topolohiya C ug D adunay mas komplikado nga mga matching network. Ang hingpit nga giapod-apod nga mga line matching network gisugyot alang sa broadband matching, nga adunay RF block/DC short circuit (pass filter) sa output port o usa ka DC blocking capacitor isip return path para sa diode harmonics. Ang mga rectifier component mahimong pulihan sa printed circuit board (PCB) interdigitated capacitors, nga gi-synthesize gamit ang komersyal nga electronic design automation tools. Ang uban pang gitaho nga broadband rectenna matching networks naghiusa sa lumped elements para sa matching sa mas ubos nga mga frequency ug distributed elements para sa paghimo og RF short sa input.
Ang pag-usab-usab sa input impedance nga naobserbahan sa load pinaagi sa usa ka source (nailhan nga source-pull technique) gigamit sa pagdesinyo og broadband rectifier nga adunay 57% relatibong bandwidth (1.25–2.25 GHz) ug 10% nga mas taas nga PCE kon itandi sa lumped o distributed circuits. Bisan tuod ang mga matching network kasagarang gidisenyo aron mohaom sa mga antenna sa tibuok 50Ω bandwidth, adunay mga report sa literatura diin ang mga broadband antenna konektado sa mga narrowband rectifier.
Ang hybrid lumped-element ug distributed-element matching networks kay kaylap nga gigamit sa mga topology C ug D, diin ang series inductors ug capacitors mao ang labing kasagarang gigamit nga lumped elements. Kini makalikay sa mga komplikadong istruktura sama sa interdigitated capacitors, nga nanginahanglan og mas tukma nga pagmodelo ug paghimo kay sa standard microstrip lines.
Ang input power sa rectifier makaapekto sa input impedance tungod sa nonlinearity sa diode. Busa, ang rectenna gidisenyo aron mapadako ang PCE para sa usa ka piho nga input power level ug load impedance. Tungod kay ang mga diode kay kasagaran capacitive high impedance sa mga frequency nga ubos sa 3 GHz, ang broadband rectennas nga nagwagtang sa matching networks o nagpakunhod sa gipasimple nga matching circuits gipunting sa mga frequency nga Prf>0 dBm ug labaw sa 1 GHz, tungod kay ang mga diode adunay ubos nga capacitive impedance ug mahimong maayo nga ipares sa antenna, sa ingon malikayan ang disenyo sa mga antenna nga adunay input reactances >1,000Ω.
Nakita na ang adaptive o reconfigurable impedance matching sa mga CMOS rectenna, diin ang matching network gilangkoban sa on-chip capacitor banks ug inductors. Gisugyot usab ang mga static CMOS matching network para sa standard 50Ω antennas ingon man sa co-designed loop antennas. Gikataho nga ang mga passive CMOS power detector gigamit aron makontrol ang mga switch nga nagdirekta sa output sa antenna ngadto sa lain-laing mga rectifier ug matching network depende sa available nga power. Gisugyot ang usa ka reconfigurable matching network gamit ang lumped tunable capacitors, nga gi-tune pinaagi sa fine-tuning samtang gisukod ang input impedance gamit ang vector network analyzer. Sa mga reconfigurable microstrip matching networks, gigamit ang mga field effect transistor switch aron ma-adjust ang matching stubs aron makab-ot ang dual-band characteristics.
Para sa dugang impormasyon bahin sa mga antenna, bisitaha ang:
Oras sa pag-post: Ago-09-2024
