1. Giriş
Radio ýygylygy (RF) energiýa ýygnamak (RFEH) we radiatiw simsiz elektrik geçiriji (WPT) batareýasyz durnuksyz simsiz torlary gazanmagyň usullary hökmünde uly gyzyklanma döretdi. Rektenalar WPT we RFEH ulgamlarynyň özenidir we ýüke ýetirilen DC güýjüne ep-esli täsir edýär. Rektenanyň antenna elementleri hasyl ýygnamagyň netijeliligine gönüden-göni täsir edýär, ýygnan güýji birnäçe ululyk boýunça üýtgedip biler. Bu kagyz, WPT we daşky gurşawdaky RFEH programmalarynda ulanylýan antenna dizaýnlaryny gözden geçirýär. Habar berlen rektenalar iki esasy kriteriýa boýunça bölünýär: impedans zolagyny düzediji antenna we antenanyň radiasiýa aýratynlyklary. Her bir kriteriýa üçin dürli programmalar üçin hil (FoM) kesgitlenýär we deňeşdirilýär.
WPT, Tesla tarapyndan 20-nji asyryň başynda müňlerçe at güýjüni geçirmegiň usuly hökmünde teklip edildi. RF güýjüni ýygnamak üçin düzediji bilen birikdirilen antennany suratlandyrýan rektenna termini, 1950-nji ýyllarda kosmos mikrotolkun elektrik geçiriş programmalary we awtonom dronlary işletmek üçin ýüze çykypdyr. Hemme taraplaýyn, uzak aralyga WPT köpeliş gurşawynyň (howanyň) fiziki aýratynlyklary bilen çäklendirilýär. Şonuň üçin täjirçilik WPT esasan simsiz sarp ediji elektroniki zarýad ýa-da RFID üçin ýakyn ýerdäki radiasiýa däl elektrik geçirijisi bilen çäklenýär.
Ondarymgeçiriji enjamlaryň we simsiz sensor düwünleriniň sarp edilişiniň azalmagy bilen, daş-töweregi RFEH ulanyp ýa-da paýlanan pes güýçli hemme taraplaýyn geçirijileri ulanmak arkaly güýç datçigi düwünlerine has mümkin bolýar. Ultra pes güýçli simsiz energiýa ulgamlary, adatça, RF satyn almagyň öň tarapy, DC güýji we ýady dolandyrmak we pes güýçli mikroprosessor we geçiriji bolup durýar.
1-nji suratda, RFEH simsiz düwüniniň arhitekturasy we köplenç habar berilýän RF öňdäki ýerine ýetirişleri görkezilýär. Simsiz energiýa ulgamynyň ahyrky netijeliligi we sinhron simsiz maglumat we güýç geçiriş ulgamynyň arhitekturasy antenalar, düzedijiler we güýç dolandyryş zynjyrlary ýaly aýry-aýry komponentleriň işleýşine baglydyr. Ulgamyň dürli bölekleri üçin birnäçe edebiýat gözlegleri geçirildi. 1-nji tablisada güýji öwürmek tapgyry, kuwwaty netijeli öwürmek üçin esasy komponentler we her bölegi üçin degişli edebiýat gözlegleri jemlenendir. Soňky edebiýat güýç öwürmek tehnologiýasyna, düzediji topologiýalara ýa-da tordan habarly Azatlyga gönükdirilýär.
1-nji surat
Şeýle-de bolsa, antenna dizaýny Azatlyk radiosynda möhüm komponent hasaplanmaýar. Käbir edebiýatlar antenna zolagynyň giňligini we netijeliligini umumy nukdaýnazardan ýa-da miniatýurlaşdyrylan ýa-da geýip bolýan antennalar ýaly belli bir antenna dizaýn nukdaýnazaryndan hasaplasa-da, käbir antenanyň parametrleriniň güýç kabul edilmegine we öwrüliş netijeliligine edýän täsiri jikme-jik seljerilmeýär.
Bu kagyz, RFEH we WPT ýörite antenna dizaýn kynçylyklaryny adaty aragatnaşyk antenna dizaýnyndan tapawutlandyrmak maksady bilen rektenalarda antenna dizaýn usullaryny gözden geçirýär. Antenalar iki nukdaýnazardan deňeşdirilýär: ahyrky impedansyň gabat gelmegi we radiasiýa aýratynlyklary; her ýagdaýda, FoM iň häzirki zaman (SoA) antennalarynda kesgitlenýär we gözden geçirilýär.
2. Zolak giňligi we deňeşdirme: 50Ω däl RF torlary
50Ω häsiýetli päsgelçilik, mikrotolkun in engineeringenerçilik programmalarynda ýapyşmak we güýç arasyndaky ylalaşyga ir garamakdyr. Antennalarda impedans zolagy giňligi 10% -den az bolan ýygylyk diapazony hökmünde kesgitlenýär (S11 <- 10 dB). Pes ses güýçlendirijileri (LNA), güýç güýçlendirijileri we detektorlary adatça 50Ω giriş impedans oýny bilen işlenip düzülenligi sebäpli, adatça 50Ω çeşmä salgylanýar.
Dik gönüburçda, antenanyň çykyşy gönüden-göni düzediji bilen iýmitlenýär we diodyň çyzyksyzlygy giriş impedansynda uly üýtgeşiklige sebäp bolýar, kuwwatly komponent agdyklyk edýär. 50Ω antennany göz öňünde tutsak, esasy kynçylyk, giriş impedansyny gyzyklanma ýygylygynda düzedijiniň impedansyna öwürmek we belli bir güýç derejesi üçin optimizirlemek üçin goşmaça RF gabat gelýän tor döretmekdir. Bu ýagdaýda, RF-dan DC öwrülişini netijeli üpjün etmek üçin ahyrky impedans zolagy giňligi talap edilýär. Şol sebäpden, antenalar döwürleýin elementleri ýa-da öz-özüni doldurýan geometriýany ulanyp, teoretiki taýdan çäksiz ýa-da aşa giň zolakly giňlige ýetip bilse-de, gönüburçlugyň geçirijilik giňligi düzediji gabat gelýän ulgam tarapyndan päsgelçilik döreder.
Birnäçe rektenna topologiýasy, şöhlelenmeleri azaltmak we antenna bilen düzediji arasynda güýç geçirijiligini ýokarlandyrmak arkaly bir zolakly we köp zolakly hasyl ýygnamak ýa-da WPT gazanmak teklip edildi. 2-nji suratda, impedans gabat gelýän arhitekturasy boýunça kategoriýalaşdyrylan habar berlen rektenna topologiýalarynyň gurluşlary görkezilýär. 2-nji tablisada her kategoriýa üçin ahyrky zolak giňligine (bu ýagdaýda FoM) ýokary öndürijilikli rektenalaryň mysallary görkezilýär.
2-nji surat, geçirijilik giňligi we impedansyň gabat gelmegi nukdaýnazaryndan rektenna topologiýalary. (a) Adaty antenna bilen bir zolakly rektenna. (b) Bir zolakly bir düzediji we gabat gelýän tor bilen köp zolakly rektenna (biri-birine birikdirilen antennalardan ybarat). (c) Birnäçe RF porty we her topar üçin aýratyn gabat gelýän torlar bilen giň zolakly rektenna. (d) Giň zolakly antenna we giň zolakly gabat gelýän tor bilen giň zolakly rektenna. e) gönüden-göni düzediji bilen gabat gelýän elektrikli kiçijik antennany ulanyp, bir zolakly rektenna. f) düzediji bilen birleşmek üçin çylşyrymly impedansly bir zolakly, elektrik taýdan uly antenna. (g) Giň zolakly rektenna, ýygylyklaryň köpüsinde düzediji bilen birleşmek üçin çylşyrymly impedansly.
WPT we aýratyn iýmitden daş-töweregindäki RFEH dürli rektenna goşundylary bolsa-da, antenna, düzediji we ýük arasynda ahyrky gabat gelmegi gazanmak, geçirijilik giňliginden ýokary güýç öwrüliş netijeliligini (PCE) gazanmak üçin möhümdir. Şeýle-de bolsa, WPT rektenalary belli bir güýç derejesinde (topologiýa a, e we f) bir zolakly PCE-ni gowulandyrmak üçin has ýokary hilli faktorlara laýyklygy (pes S11) gazanmaga has köp üns berýär. Bir zolakly WPT-iň giň zolakly giňligi, bölünişiklere, önümçilik kemçiliklerine we gaplaýyş parazitiklerine ulgamyň immunitetini ýokarlandyrýar. Beýleki tarapdan, RFEH rektenalary köp zolakly işlemegi ileri tutýarlar we bd we g topologiýalaryna degişlidir, sebäbi bir bentiň güýç spektral dykyzlygy (PSD) umuman pesdir.
3. Gönüburçly antenna dizaýny
1. -eke ýygylykly rektenna
Bir ýygylykly rektennanyň (topologiýa A) antenna dizaýny, esasan çyzykly polýarizasiýa (LP) ýa-da ýer tekizliginde şöhlelenýän patch, dipol antennasy we tersine F antenna ýaly adaty antenna dizaýnyna esaslanýar. Differensial zolakly rektenna birnäçe antenna birligi ýa-da birnäçe patch birlikleriniň garyşyk DC we RF kombinasiýasy bilen düzülen DC kombinasiýa massiwine esaslanýar.
Teklip edilýän antennalaryň köpüsi bir ýygylykly antenalar bolup, bir ýygylykly WPT talaplaryna laýyk gelýändigi sebäpli, köp ýygylykly Azatlyk radiosyny gözläniňizde, köp ýygylykly antennalar köp zolakly rektenalara (topologiýa B) birleşmek basyşy we RF dolandyryş we öwrüliş zynjyryndan doly izolirlemek üçin güýç dolandyryş zynjyryndan soň garaşsyz DC kombinasiýasy. Munuň üçin her zolak üçin birnäçe güýç dolandyryş zynjyry gerek, bu bolsa bir zolagyň DC güýji pes bolany üçin güýçlendiriji öwrüjiniň netijeliligini peseldip biler.
2. Köp zolakly we giň zolakly RFEH antennalary
Daşky gurşaw azatlygy köplenç köp zolakly satyn almak bilen baglanyşyklydyr; şonuň üçin adaty antenna dizaýnlarynyň geçirijilik giňligini we goşa zolakly ýa-da zolakly antenna massiwlerini emele getirmegiň usullaryny gowulandyrmak üçin dürli usullar teklip edildi. Bu bölümde, RFEH-ler üçin ýörite antenna dizaýnlaryny, şeýle hem rektenalar hökmünde ulanylmagy mümkin bolan köp zolakly antennalary gözden geçirýäris.
Coplanar tolkun goragçysy (CPW) monopole antennalary şol bir ýygylykda mikrostrip patch antennalaryndan has az meýdany eýeleýär we LP ýa-da CP tolkunlaryny öndürýär we köplenç giň zolakly daşky rektenalar üçin ulanylýar. Oýlanma uçarlary izolýasiýany ýokarlandyrmak we girdejini gowulandyrmak üçin ulanylýar, netijede patch antennalaryna meňzeş radiasiýa nagyşlary ýüze çykýar. Otapylan koplanar tolkun gorag antennalary, 1.8–2,7 GGs ýa-da 1–3 GGs ýaly köp ýygylyk zolaklary üçin impedans zolagyny giňeltmek üçin ulanylýar. Jübüt iýmitlenýän ýeri antennalar we patch antennalary köplenç köp zolakly rektenna dizaýnlarynda ulanylýar. 3-nji suratda birden köp zolakly giňeliş usulyny ulanýan habar berlen köp zolakly antenalar görkezilýär.
3-nji surat
Antenna-düzediji impedansyň gabat gelmegi
50Ω antennany çyzykly düzediji bilen gabat getirmek kyn, sebäbi giriş impedansy ýygylygy bilen gaty üýtgeýär. A we B topologiýalarynda (2-nji surat) umumy gabat gelýän tor, bölek elementleri ulanyp LC gabat gelýär; şeýle-de bolsa, otnositel zolak giňligi köplenç aragatnaşyk zolaklaryndan pesdir. Bandeke zolakly stubyň gabat gelmegi, adatça 6 GGs-dan pes mikrotolkun we millimetr tolkun zolaklarynda ulanylýar we habar berilýän millimetr tolkunly rektenalaryň özbaşdak dar geçirijilik ukyby bar, sebäbi PCE zolagy giňligi garmoniki basyş bilen çäklendirilýär, bu bolsa olary ýeke-täk üçin amatly edýär. 24 GGs ygtyýarnamasyz toparda WPT programmalary.
Topologiýa C we D rektenalarynda has çylşyrymly gabat gelýän torlar bar. Doly paýlanan çyzykly gabat gelýän torlar, giň portly gabat gelmek üçin çykyş portundaky RF blok / DC gysga utgaşmasy (geçiş süzgüji) ýa-da diod garmonikasynyň gaýdyp geliş ýoly hökmünde DC bloklaýjy kondensator bilen teklip edildi. Düzediji komponentleri täjirçilik elektron dizaýn awtomatlaşdyryş gurallary bilen sintezlenýän çap edilen elektron tagtasy (PCB) biri-birine bagly kondensatorlar bilen çalşyp bolar. Beýleki habar berilýän giň zolakly rektenna gabat gelýän torlar aşaky ýygylyklara gabat gelmek üçin birleşdirilen elementleri we girişde RF gysga döretmek üçin paýlanan elementleri birleşdirýär.
Sourceük tarapyndan gözegçilik edilýän giriş impedansyny çeşmäniň üsti bilen üýtgetmek (çeşme çekmek usuly diýilýär) giň zolakly düzediji 57% degişlilikde geçirijilik giňligi (1,25–25,25 GGs) we bölekleýin ýa-da paýlanan zynjyrlar bilen deňeşdirilende 10% ýokary PCE dizaýny üçin ulanyldy. . Gabat gelýän torlar, adatça, 50Ω geçirijilik giňliginde antennalara gabat gelmek üçin döredilen hem bolsa, edebiýatda giň zolakly antennalaryň dar zolakly düzedişlere birikdirilendigi barada habarlar bar.
Gibrid bölekli element we paýlanan elemente gabat gelýän torlar C we D topologiýalarynda giňden ulanyldy, seriýa induktorlary we kondensatorlary iň köp ulanylýan bölek elementleri. Bular adaty mikrostrip çyzyklaryndan has takyk modellemegi we ýasamagy talap edýän biri-birine bagly kondensatorlar ýaly çylşyrymly gurluşlardan gaça durýarlar.
Düzedijä giriş güýji, diodyň çyzyksyzlygy sebäpli giriş impedansyna täsir edýär. Şonuň üçin rektenna belli bir giriş güýji derejesi we ýük impedansy üçin PCE-ni ulaltmak üçin döredildi. Diodlar, esasan, 3 GGs-dan pes ýygylyklarda kuwwatly ýokary impedans bolany üçin, gabat gelýän torlary ýok edýän ýa-da ýönekeý gabat gelýän zynjyrlary minimuma eltýän giň zolakly rektenalar Prf> 0 dBm we 1 GHz-den ýokary ýygylyklara gönükdirildi, sebäbi diodlar pes kuwwatly impedansiýa eýe we gowy gabat gelip bilýär. antenna, şeýlelik bilen giriş reaksiýalary bilen> 1000Ω antennalaryň dizaýnyndan gaça durýar.
Uýgunlaşdyrylan ýa-da üýtgedip bolýan impedans gabat gelişi CMOS rektenalarynda görlüpdir, bu ýerde gabat gelýän tor çip kondensator banklaryndan we induktorlardan durýar. Statiki CMOS gabat gelýän torlar, adaty 50Ω antenalar we bilelikde döredilen aýlaw antennalary üçin teklip edildi. Antennanyň çykyşyny dürli güýçlendirijilere we bar bolan güýje baglylykda gabat gelýän torlara ugrukdyrýan wyklýuçatelleri dolandyrmak üçin passiw CMOS güýç detektorlarynyň ulanylýandygy habar berildi. Bir bölekli sazlap bolýan kondensatorlary ulanyp üýtgedip boljak gabat gelýän tor teklip edildi, wektor tor analizatorynyň kömegi bilen giriş impedansyny ölçäp, inçe düzmek bilen sazlanýar. Düzülip bilinýän mikrostrip gabat gelýän torlarda, goşa zolakly aýratynlyklara ýetmek üçin gabat gelýän stublary sazlamak üçin meýdan effekti tranzistor wyklýuçatelleri ulanyldy.
Antenalar barada has giňişleýin maglumat üçin girip görmegiňizi haýyş edýäris:
Iş wagty: Awgust-09-2024
