1. Pasiuna
Ang radio frequency (RF) energy harvesting (RFEH) ug radiative wireless power transfer (WPT) nakadani ug dakong interes isip mga pamaagi aron makab-ot ang walay baterya nga sustainable wireless network. Ang mga rectenna mao ang sukaranan sa mga sistema sa WPT ug RFEH ug adunay hinungdanon nga epekto sa gahum sa DC nga gihatag sa karga. Ang mga elemento sa antenna sa rectenna direkta nga makaapekto sa kahusayan sa pag-ani, nga mahimong magkalainlain ang naani nga gahum sa daghang mga order sa kadako. Girepaso niini nga papel ang mga disenyo sa antenna nga gigamit sa WPT ug ambient RFEH nga mga aplikasyon. Ang gitaho nga mga rectenna giklasipikar sumala sa duha ka panguna nga pamatasan: ang antenna nga nagtul-id sa impedance bandwidth ug ang mga kinaiya sa radiation sa antenna. Alang sa matag sukdanan, ang numero sa merito (FoM) alang sa lain-laing mga aplikasyon gitino ug girepaso sa comparatively.
Ang WPT gisugyot ni Tesla sa sayong bahin sa ika-20 nga siglo isip pamaagi sa pagpasa sa liboan ka horsepower. Ang termino nga rectenna, nga naghulagway sa usa ka antenna nga konektado sa usa ka rectifier aron sa pag-ani sa RF power, mitumaw niadtong 1950s para sa space microwave power transmission applications ug sa power autonomous drones. Ang Omnidirectional, long-range nga WPT gipugngan sa pisikal nga mga kabtangan sa medium sa pagpasanay (hangin). Busa, ang komersiyal nga WPT kay limitado lang sa near-field non-radiative power transfer para sa wireless consumer electronics charging o RFID.
Samtang ang pagkonsumo sa kuryente sa mga aparato nga semiconductor ug mga wireless sensor node nagpadayon sa pagkunhod, nahimo kini nga labi ka mahimo sa mga power sensor node gamit ang ambient RFEH o gigamit ang gipang-apod-apod nga mga low-power omnidirectional transmitter. Ang ultra-low-power nga wireless power systems kasagarang naglangkob sa RF acquisition front end, DC power ug memory management, ug low-power microprocessor ug transceiver.
Ang Figure 1 nagpakita sa arkitektura sa usa ka RFEH wireless node ug ang kasagarang gitaho nga RF front-end nga pagpatuman. Ang end-to-end nga kahusayan sa wireless power system ug ang arkitektura sa naka-synchronize nga wireless nga impormasyon ug power transfer network nagdepende sa performance sa indibidwal nga mga component, sama sa antennas, rectifiers, ug power management circuits. Daghang mga survey sa literatura ang gihimo alang sa lainlaing mga bahin sa sistema. Ang talaan 1 nagsumaryo sa yugto sa pagbag-o sa kuryente, nag-unang mga sangkap alang sa episyente nga pagbag-o sa kuryente, ug mga may kalabutan nga mga survey sa literatura alang sa matag bahin. Ang bag-o nga literatura nagpunting sa teknolohiya sa pagbag-o sa kuryente, mga topologies sa rectifier, o RFEH nga nahibal-an sa network.
Hulagway 1
Bisan pa, ang disenyo sa antena wala gikonsiderar nga usa ka kritikal nga sangkap sa RFEH. Bisan kung gikonsiderar sa pipila nga mga literatura ang bandwidth ug kahusayan sa antenna gikan sa usa ka kinatibuk-an nga panan-aw o gikan sa usa ka piho nga panan-aw sa disenyo sa antenna, sama sa miniaturized o masul-ob nga mga antenna, ang epekto sa pipila nga mga parameter sa antenna sa pagdawat sa kuryente ug kahusayan sa pagkakabig wala gisusi sa detalye.
Kini nga papel nagrepaso sa mga teknik sa disenyo sa antenna sa mga rectenna nga adunay tumong sa pag-ila sa RFEH ug WPT nga piho nga mga hagit sa disenyo sa antenna gikan sa standard nga disenyo sa antenna sa komunikasyon. Ang mga antena gitandi gikan sa duha ka mga panglantaw: end-to-end impedance matching ug radiation nga mga kinaiya; sa matag kaso, ang FoM giila ug girepaso sa state-of-the-art (SoA) nga mga antenna.
2. Bandwidth ug Matching: Non-50Ω RF Networks
Ang kinaiya nga impedance sa 50Ω usa ka sayo nga konsiderasyon sa pagkompromiso tali sa attenuation ug gahum sa mga aplikasyon sa microwave engineering. Sa mga antenna, ang impedance bandwidth gihubit ingon nga frequency range diin ang gipakita nga gahum dili mubu sa 10% (S11< - 10 dB). Tungod kay ang mga low noise amplifiers (LNAs), power amplifier, ug detector kasagarang gidisenyo nga adunay 50Ω input impedance match, usa ka 50Ω nga tinubdan ang tradisyonal nga gi-refer.
Sa usa ka rectenna, ang output sa antenna direkta nga gipakaon sa rectifier, ug ang nonlinearity sa diode hinungdan sa usa ka dako nga kalainan sa input impedance, nga ang capacitive component nagdominar. Sa pag-ingon nga usa ka 50Ω antenna, ang panguna nga hagit mao ang pagdesinyo sa usa ka dugang nga RF matching network aron mabag-o ang input impedance sa impedance sa rectifier sa frequency sa interes ug ma-optimize kini alang sa usa ka piho nga lebel sa kuryente. Sa kini nga kaso, gikinahanglan ang end-to-end impedance bandwidth aron masiguro ang episyente nga pagkakabig sa RF ngadto sa DC. Busa, bisan kung ang mga antena makab-ot ang theoretically infinite o ultra-wide bandwidth gamit ang mga periodic nga elemento o self-commplementary geometry, ang bandwidth sa rectenna ma-bottleneck sa rectifier matching network.
Daghang mga rectenna topologies ang gisugyot aron makab-ot ang single-band ug multi-band harvesting o WPT pinaagi sa pagpamenos sa mga pamalandong ug pag-maximize sa pagbalhin sa kuryente tali sa antenna ug sa rectifier. Ang Figure 2 nagpakita sa mga istruktura sa gitaho nga rectenna topologies, nga gi-categorize sa ilang impedance matching architecture. Ang talaan 2 nagpakita sa mga pananglitan sa mga high-performance nga rectenna nga may kalabotan sa end-to-end nga bandwidth (sa kini nga kaso, FoM) alang sa matag kategorya.
Figure 2 Rectenna topologies gikan sa panglantaw sa bandwidth ug impedance matching. (a) Single-band rectenna nga adunay standard antenna. (b) Multiband rectenna (gilangkuban sa daghang magkauban nga antenna) nga adunay usa ka rectifier ug magkatugma nga network matag banda. (c) Broadband rectenna nga adunay daghang RF port ug bulag nga magkaparehas nga network alang sa matag banda. (d) Broadband rectenna nga adunay broadband antenna ug broadband matching network. (e) Single-band rectenna gamit ang electrically small antenna nga direktang gipares sa rectifier. (f) Single-band, dako nga elektrisidad nga antenna nga adunay komplikado nga impedance aron makig-uban sa rectifier. (g) Broadband rectenna nga adunay komplikado nga impedance aron makig-uban sa rectifier sa lainlaing mga frequency.
Samtang ang WPT ug ang naglibot nga RFEH gikan sa gipahinungod nga feed lainlain nga aplikasyon sa rectenna, ang pagkab-ot sa end-to-end nga pagpares tali sa antenna, rectifier ug load hinungdanon aron makab-ot ang taas nga kahusayan sa pagbag-o sa gahum (PCE) gikan sa panan-aw sa bandwidth. Bisan pa niana, ang WPT rectennas mas nakatutok sa pagkab-ot sa mas taas nga kalidad nga factor matching (ubos nga S11) aron mapalambo 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 sistema sa resistensya sa detuning, mga depekto sa paghimo ug mga parasitiko sa pagputos. Sa laing bahin, ang RFEH rectennas nag-una sa multi-band operation ug nahisakop sa mga topologies bd ug g, tungod kay ang power spectral density (PSD) sa usa ka banda kasagaran mas ubos.
3. Rectangular antenna nga disenyo
1. Single-frequency rectenna
Ang disenyo sa antenna sa single-frequency rectenna (topology A) kay nag-una base sa standard antenna design, sama sa linear polarization (LP) o circular polarization (CP) radiating 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 nga kombinasyon sa daghang patch units.
Tungod kay daghan sa gisugyot nga mga antenna mao ang single-frequency antennas ug nakab-ot ang mga kinahanglanon sa single-frequency WPT, sa dihang nangita sa environmental multi-frequency RFEH, multiple single-frequency antennas gikombinar ngadto sa multi-band rectennas (topology B) uban sa mutual pagdugtong nga pagsumpo ug independente nga kombinasyon sa DC pagkahuman sa power management circuit aron hingpit nga ihimulag sila gikan sa RF acquisition ug conversion circuit. Nagkinahanglan kini og daghang mga sirkito sa pagdumala sa kuryente alang sa matag banda, nga mahimong makunhuran ang kahusayan sa boost converter tungod kay ang gahum sa DC sa usa ka banda gamay ra.
2. Multi-band ug broadband RFEH antennas
Ang environmental RFEH sagad nga nalangkit sa multi-band acquisition; busa, lain-laing mga teknik ang gisugyot alang sa pagpalambo sa bandwidth sa standard antenna disenyo ug mga pamaagi alang sa pagporma sa dual-band o band antenna arrays. Niini nga seksyon, girepaso namo ang mga custom nga disenyo sa antenna para sa mga RFEH, ingon man ang mga classic multi-band antenna nga adunay potensyal nga magamit isip mga rectenna.
Ang Coplanar waveguide (CPW) monopole antennas nag-okupar og gamay nga lugar kay sa microstrip patch antenna sa parehas nga frequency ug nagpatunghag LP o CP waves, ug sagad gigamit alang sa broadband environmental rectennas. Ang mga eroplano sa pagpamalandong gigamit aron madugangan ang pagkalain ug mapaayo ang ganansya, nga nagresulta sa mga pattern sa radiation nga parehas sa mga patch antenna. Ang mga slotted coplanar waveguide antenna gigamit aron mapauswag ang mga bandwidth sa impedance para sa daghang frequency band, sama sa 1.8–2.7 GHz o 1–3 GHz. Ang mga coupled-fed slot antenna ug patch antenna sagad usab nga gigamit sa multi-band rectenna designs. Gipakita sa Figure 3 ang pipila nga gitaho nga mga multi-band antenna nga naggamit labaw pa sa usa ka pamaagi sa pagpaayo sa bandwidth.
Hulagway 3
Antenna-Rectifier Impedance Matching
Ang pagpares sa usa ka 50Ω antenna sa usa ka nonlinear rectifier mahagiton tungod kay ang input impedance niini magkalahi kaayo sa frequency. Sa topologies A ug B (Figure 2), ang komon nga matching network kay LC match gamit ang lumped elements; bisan pa, ang relatibong bandwidth kasagaran mas ubos kaysa kadaghanan sa mga banda sa komunikasyon. Ang single-band stub matching kasagarang gigamit sa microwave ug millimeter-wave bands ubos sa 6 GHz, ug ang gikataho nga millimeter-wave rectennas adunay kinaiyanhon nga pig-ot nga bandwidth tungod kay ang ilang PCE bandwidth kay bottlenecked sa output harmonic suppression, nga naghimo kanila nga angay alang sa single- mga aplikasyon sa band WPT sa 24 GHz nga walay lisensya nga banda.
Ang mga rectenna sa topologies C ug D adunay mas komplikado nga magkaparehas nga network. Ang bug-os nga gipang-apod-apod nga line matching nga mga network gisugyot alang sa broadband matching, nga adunay RF block/DC short circuit (pass filter) sa output port o DC blocking capacitor isip usa ka balik nga dalan alang sa diode harmonics. Ang mga component sa rectifier mahimong mapulihan sa printed circuit board (PCB) interdigitated capacitors, nga gi-synthesize gamit ang commercial electronic design automation tools. Ang uban nga gitaho nga broadband rectenna matching network naghiusa sa mga lumped nga elemento para sa pagpares sa mas ubos nga frequency ug gipang-apod-apod nga mga elemento para sa paghimo og RF short sa input.
Ang pag-usab-usab sa input impedance nga naobserbahan sa load pinaagi sa usa ka tinubdan (nailhan nga source-pull technique) gigamit sa pagdesinyo sa broadband rectifier nga adunay 57% relative bandwidth (1.25–2.25 GHz) ug 10% nga mas taas nga PCE kumpara sa lumped o distributed circuits . Bisan kung ang mga katugbang nga network kasagarang gidesinyo aron ipares ang mga antenna sa tibuuk nga 50Ω bandwidth, adunay mga taho sa literatura kung diin ang mga broadband antenna konektado sa mga narrowband rectifier.
Ang hybrid lumped-element ug distributed-element matching network kay kaylap nga gigamit sa mga topologies C ug D, nga ang mga series inductors ug capacitors mao ang kasagarang gigamit nga lumped nga mga elemento. Gilikayan niini ang mga komplikadong istruktura sama sa mga interdigitated capacitor, nga nanginahanglan og mas tukma nga pagmodelo ug paggama kay sa mga standard nga linya sa microstrip.
Ang input nga gahum sa rectifier makaapekto sa input impedance tungod sa nonlinearity sa diode. Busa, ang rectenna gidisenyo aron mapadako ang PCE alang sa usa ka piho nga lebel sa gahum sa input ug impedance sa pagkarga. Tungod kay ang mga diode nag-una sa capacitive high impedance sa mga frequency nga ubos sa 3 GHz, ang mga broadband rectenna nga nagwagtang sa pagpares nga mga network o nagpamenos sa gipasimple nga mga sirkito sa pagpares 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 pagkapareha. ngadto sa antenna, sa ingon naglikay sa disenyo sa mga antenna nga adunay mga input reactance >1,000Ω.
Ang adaptive o reconfigurable impedance matching nakita sa CMOS rectennas, diin ang matching network naglangkob sa on-chip capacitor banks ug inductors. Ang mga static nga CMOS matching network gisugyot usab alang sa standard 50Ω antennas ingon man sa co-designed loop antennas. Gikataho nga ang passive CMOS power detector gigamit aron makontrol ang mga switch nga nagdirekta sa output sa antenna ngadto sa lain-laing mga rectifier ug magkaparehas nga mga network depende sa anaa nga gahum. Gisugyot ang usa ka reconfigurable matching network gamit ang lumped tunable capacitors, nga gi-tono pinaagi sa fine-tuning samtang gisukod ang input impedance gamit ang vector network analyzer. Sa reconfigurable microstrip matching networks, field effect transistor switch ang gigamit sa pag-adjust sa matching stubs para makab-ot ang dual-band nga mga kinaiya.
Aron makakat-on pa bahin sa mga antenna, palihug bisitaha ang:
Oras sa pag-post: Ago-09-2024
