1. Giriş
Radioýygylyk (RF) energiýa ýygnamak (RF) we radiasiýa simsiz energiýa geçirmek (WPT) batareýasyz durnukly simsiz torlara ýetmegiň usullary hökmünde uly gyzyklanma döretdi. Rektennalar WPT we RFH ulgamlarynyň esasyny düzýär we ýüke berilýän DC kuwwatyna uly täsir edýär. Rektennanyň antenna elementleri ýygnamagyň netijeliligine gönüden-göni täsir edýär, bu bolsa ýygnalýan kuwwaty birnäçe esse üýtgedip biler. Bu makala WPT we daşky RFH ulanylyşlarynda ulanylýan antenna dizaýnlaryna gözden geçirýär. Habar berlen rektennalar iki esasy kriteriýa görä klassifikasiýa edilýär: antennany düzeltýän impedans geçirijilik zolagy we antennanyň radiasiýa häsiýetnamalary. Her bir kriteriýa üçin dürli ulanylyşlar üçin artykmaçlyk görkezijisi (FoM) kesgitlenýär we deňeşdirilip gözden geçirilýär.
WPT Tesla tarapyndan 20-nji asyryň başynda müňlerçe at güýjüni geçirmek usuly hökmünde teklip edildi. RF energiýasyny ýygnamak üçin düzeltijä birikdirilen antennany aňladýan "rektenna" termini 1950-nji ýyllarda kosmos mikrotolkunly energiýa geçirijilik ulgamlarynda we awtonom dronlarda energiýa bermek üçin peýda boldy. Ähli ugurly, uzak aralykly WPT ýaýrama gurşawynyň (howanyň) fiziki häsiýetleri bilen çäklendirilýär. Şonuň üçin täjirçilik WPT esasan simsiz sarp ediji elektronikasyny zarýadlamak ýa-da RFID üçin ýakyn meýdanda radiasiýasyz energiýa geçirmek bilen çäklenýär.
Ýarymgeçiriji enjamlaryň we simsiz sensor düwünleriniň energiýa sarp edilişi azalmagy dowam edýänligi sebäpli, sensor düwünlerini daşky gurşawyň RFH-ny ýa-da paýlanan pes kuwwatly hemme ugurly geçirijileri ulanyp güýçlendirmek has mümkin bolýar. Ultra pes kuwwatly simsiz energiýa ulgamlary, adatça, RF toplama öň tarapyndan, DC energiýasyny we ýat dolandyryşyndan, şeýle hem pes kuwwatly mikroprosessordan we geçirijiden ybarat bolýar.
1-nji suratda RFH simsiz düwüniniň arhitekturasy we giňden habar berilýän RF front-end amala aşyryşlary görkezilýär. Simsiz energiýa ulgamynyň we sinhronlaşdyrylan simsiz maglumat we energiýa geçirijilik ulgamynyň arhitekturasynyň başdan-aýak netijeliligi antennalar, düzeltmeler we energiýa dolandyryş zynjyrlary ýaly aýry-aýry komponentleriň işine baglydyr. Ulgamyň dürli bölekleri üçin birnäçe edebiýat barlaglary geçirildi. 1-nji tablisada energiýany öwürmek tapgyry, energiýany netijeli öwürmek üçin esasy komponentler we her bölek üçin degişli edebiýat barlaglary gysgaça beýan edilýär. Soňky edebiýatlar energiýany öwürmek tehnologiýasyna, düzeltme topologiýalaryna ýa-da tor bilen baglanyşykly RFH-e ünsi jemleýär.
1-nji surat
Şeýle-de bolsa, antennanyň dizaýny RFEH-de möhüm bölek hökmünde garalmaýar. Käbir edebiýatlarda antennanyň geçirijilik ukyby we netijeliligi umumy nukdaýnazardan ýa-da kiçi ýa-da geýilýän antennalar ýaly belli bir antenna dizaýny nukdaýnazaryndan seredilse-de, belli bir antenna parametrleriniň energiýany kabul etmek we konwersiýa netijeliligine täsiri jikme-jik seljerilmeýär.
Bu makalada RFEH we WPT-niň antenna dizaýnyndaky kynçylyklary standart aragatnaşyk antenna dizaýnyndan tapawutlandyrmak maksady bilen rektennalarda antenna dizaýn usullaryna gözden geçirilýär. Antennalar iki nukdaýnazardan deňeşdirilýär: başdan-aýak impedans gabat gelmegi we radiasiýa häsiýetnamalary; her bir ýagdaýda FoM iň täze (SoA) antennalarda kesgitlenýär we gözden geçirilýär.
2. Geçiş zolagy we gabat gelme: 50Ω däl RF torlary
50Ω-yň häsiýetli impedansy mikrotolkunly inženerçilik ulanylyşlarynda gowşama we kuwwat arasyndaky ylalaşyk barada irki pikirdir. Antennalarda impedans geçirijilik ukyby şöhlelenen kuwwatyň 10% -den az bolan ýygylyk diapazony hökmünde kesgitlenýär (S11< − 10 dB). Pes şowhun güýçlendirijileri (LNA), kuwwat güýçlendirijileri we detektorlar adatça 50Ω giriş impedansy gabat gelýän görnüşde dizaýn edilendigi üçin, däp boýunça 50Ω çeşmä salgylanýar.
Rektennada antennanyň çykyşy gönüden-göni düzediji enjama berilýär we diodyň çyzykly dälligi giriş impedansynda uly üýtgeşikliklere sebäp bolýar, bunda kuwwatly komponent agdyklyk edýär. 50Ω antennany göz öňünde tutup, esasy kynçylyk giriş impedansyny gyzyklanylýan ýygylykda düzediji enjamyň impedansyna öwürmek we ony belli bir güýç derejesi üçin optimizirlemek üçin goşmaça RF gabat gelýän toruny döretmekdir. Bu ýagdaýda, RF-den DC-e netijeli öwrülmegi üpjün etmek üçin ujuna impedans geçirijilik ukyby talap edilýär. Şonuň üçin, antennalar döwürleýin elementleri ýa-da öz-özüni tamamlaýan geometriýany ulanyp, nazaryýet taýdan çäksiz ýa-da ultra giň geçirijilik ukybyna ýetip bilse-de, rektennanyň geçirijilik ukyby düzediji enjamyň gabat gelýän torunyň darbogazyna düşer.
Antenna bilen düzeltijiniň arasyndaky şöhlelenmeleri azaltmak we güýç geçişini iň ýokary derejä çykarmak arkaly bir zolakly we köp zolakly ýygym ýa-da WPT gazanmak üçin birnäçe rektenna topologiýalary teklip edildi. 2-nji suratda impedans gabat gelýän arhitekturasy boýunça kategoriýalaşdyrylan habar berlen rektenna topologiýalarynyň gurluşlary görkezilýär. 2-nji tablisada her kategoriýa üçin ujuna-ujuna geçirijilik ukybyna (bu ýagdaýda FoM) görä ýokary öndürijilikli rektennalaryň mysallary görkezilýär.
2-nji surat. Geçirijilik we impedans deňleşdiriş nukdaýnazaryndan rektenna topologiýalary. (a) Standart antennaly bir zolakly rektenna. (b) Her bir zolakda bir düzeltiji we deňleşdiriji tor bolan köp zolakly rektenna (bir-birine birikdirilen birnäçe antennadan ybarat). (c) Her bir zolak üçin birnäçe RF portlary we aýratyn deňleşdiriji torlary bolan giň zolakly rektenna. (d) Giň zolakly antenna we giň zolakly deňleşdiriji tor bolan giň zolakly rektenna. (e) Düzeltiji bilen gönüden-göni deňleşdirilen elektrik taýdan kiçi antennany ulanýan bir zolakly rektenna. (f) Düzeltiji bilen birleşdirilýän çylşyrymly impedansy bolan bir zolakly, elektrik taýdan uly antenna. (g) Dürli ýygylyklar aralygynda düzeltiji bilen birleşdirilýän çylşyrymly impedansy bolan giň zolakly rektenna.
WPT we aýratynlaşdyrylan iýmitden alynýan ambient RFH dürli rektenna ulanylyşlary bolsa-da, antenna, düzeltiji we ýük arasynda başdan-aýak gabat gelmegi gazanmak, geçirijilik ukyby nukdaýnazaryndan ýokary kuwwatlylyk konwersiýa netijeliligine (PCE) ýetmek üçin möhümdir. Şeýle-de bolsa, WPT rektennalary belli bir kuwwatlylyk derejelerinde (a, e we f topologiýalary) bir zolakly PCE-ni gowulandyrmak üçin has ýokary hilli faktor gabat gelmegine (pes S11) has köp üns berýärler. Bir zolakly WPT-niň giň geçirijilik ukyby ulgamyň sazlanyş bozulmalaryna, önümçilik kemçiliklerine we gaplama parazitlerine garşy durnuklylygyny ýokarlandyrýar. Beýleki tarapdan, RFH rektennalary köp zolakly işleme ileri tutýar we bd we g topologiýalaryna degişlidir, sebäbi bir zolagyň kuwwatlylyk spektral dykyzlygy (PSD) adatça pes bolýar.
3. Gönüburçly antenna dizaýny
1. Bir ýygylykly rektenna
Bir ýygylykly rektennanyň (topologiýa A) antenna dizaýny, esasan, ýer tekizliginde çyzykly polýarizasiýa (LP) ýa-da tegelek polýarizasiýa (CP) şöhle saçýan ýama, dipol antenna we tersine öwrülen F antenna ýaly standart antenna dizaýnyna esaslanýar. Differensial zolakly rektenna köp antenna birlikleri bilen konfigurirlenen DC kombinasiýa massiwine ýa-da köp ýama birlikleriniň garyşyk DC we RF kombinasiýasyna esaslanýar.
Teklip edilýän antennalaryň köpüsi bir ýygylykly antennalar bolup, bir ýygylykly WPT talaplaryna laýyk gelýändigi üçin, daşky gurşawyň köp ýygylykly RFH-ni gözläniňizde, köp ýygylykly bir ýygylykly antennalar RF satyn almak we öwürmek zynjyryndan doly bölmek üçin özara birikdiriliş basylyp we güýç dolandyryş zynjyryndan soň garaşsyz DC birleşmesi bilen köp zolakly rektennalara (B topologiýasy) birleşdirilýär. Bu her bir zolak üçin köp sanly güýç dolandyryş zynjyrlaryny talap edýär, bu bolsa güýçlendiriji konwertoryň netijeliligini peseldip biler, sebäbi bir zolakly DC güýji pes.
2. Köp diapazonly we giň zolakly RFEH antennalary
Daşky gurşawyň RFH-sy köplenç köp zolakly alyş bilen baglanyşyklydyr; şonuň üçin standart antenna dizaýnlarynyň geçirijilik ukybyny gowulandyrmak we iki zolakly ýa-da zolakly antenna massiwlerini emele getirmek üçin dürli usullar teklip edildi. Bu bölümde biz RFH-lar üçin ýörite antenna dizaýnlaryny, şeýle hem rektenna hökmünde ulanylyp bilinjek nusgawy köp zolakly antennalary gözden geçirýäris.
Koplanar tolkun geçirijisi (CPW) monopol antennalary şol bir ýygylykda mikrozolakly patch antennalaryna garanyňda az meýdany eýeleýär we LP ýa-da CP tolkunlaryny öndürýär we köplenç giň zolakly daşky gurşaw rektennalary üçin ulanylýar. Yzgaryş tekizlikleri izolýasiýany artdyrmak we güýçlendirmegi gowulandyrmak üçin ulanylýar, netijede patch antennalaryna meňzeş radiasiýa nusgalary emele gelýär. Ýüzli koplanar tolkun geçirijisi antennalary 1,8–2,7 GHz ýa-da 1–3 GHz ýaly köp ýygylyk zolaklary üçin impedans zolagyny gowulandyrmak üçin ulanylýar. Birleşdirilen iýmitlendirilen ýuw antennalary we patch antennalary hem köp zolakly rektenna dizaýnlarynda giňden ulanylýar. 3-nji suratda birden köp zolagy gowulandyrmak usulyny ulanýan käbir habar berlen köp zolakly antennalar görkezilýär.
3-nji surat
Antenna-Reduktor Impedans Deňleşdirmesi
50Ω antennany çyzykly däl düzeltiji bilen deňeşdirmek kyn, sebäbi onuň giriş empedansy ýygylyga görä örän üýtgeýär. A we B topologiýalarynda (2-nji surat), umumy deňeşdirilýän ulgam toplumlaýyn elementleri ulanýan LC deňeşdirmesidir; ýöne, deňeşdirilýän geçirijilik zolagy adatça köp aragatnaşyk zolaklaryndan pes bolýar. Bir zolakly stub deňeşdirmesi köplenç 6 GHz-den aşak mikrotolkunly we millimetr tolkun zolaklarynda ulanylýar we habar berlen millimetr tolkunly rektennalar öz-özünden dar geçirijilik zolagyna eýedir, sebäbi olaryň PCE geçirijilik zolagy çykyş garmoniki basyşy bilen çäklendirilýär, bu bolsa olary 24 GHz ygtyýarnamasyz zolakda bir zolakly WPT ulanylyşlary üçin has amatly edýär.
C we D topologiýalaryndaky rektennalar has çylşyrymly gabat gelýän torlara eýedir. Giň zolakly gabat getirmek üçin doly paýlanan liniýa gabat gelýän torlar teklip edildi, çykyş portunda RF blok/DC gysga zynjyry (geçiriji süzgüç) ýa-da diod garmonikalary üçin gaýdyp gelýän ýol hökmünde DC bloklaýjy kondensator bilen. Düzeltiji komponentleriň ornuny çap edilen elektron dizaýn awtomatlaşdyryş gurallary arkaly sintez edilýän çap edilen elektron platanyň (PCB) sanly kondensatorlary tutup bolýar. Beýleki habar berlen giň zolakly rektenna gabat gelýän torlar pes ýygylyklara gabat getirmek üçin toplumlaýyn elementleri we girişde RF gysga zynjyr döretmek üçin paýlanan elementleri birleşdirýär.
Çeşme arkaly ýük tarapyndan syn edilýän giriş empedansyny üýtgetmek (çeşme çekiş usuly diýlip atlandyrylýar) 57% deňeşdirme geçirijilik ukybyna (1.25–2.25 GHz) we birleşdirilen ýa-da paýlanan zynjyrlara garanyňda 10% ýokary PCE-e eýe bolan giň zolakly düzeltijini dizaýn etmek üçin ulanyldy. Deňeşdiriji torlar, adatça, tutuş 50Ω geçirijilik zolagy boýunça antennalary deňleşdirmek üçin dizaýn edilse-de, edebiýatda giň zolakly antennalaryň dar zolakly düzeltijilere birikdirilendigi barada habarlar bar.
Gibrid toplumlaýyn elementli we paýlanan elementli gabat gelýän torlar C we D topologiýalarynda giňden ulanylýar, yzygiderli induktorlar we kondensatorlar iň köp ulanylýan toplumlaýyn elementlerdir. Bular standart mikrostrip liniýalaryna garanyňda has takyk modelirlemegi we öndürmegi talap edýän sanly kondensatorlar ýaly çylşyrymly gurluşlardan gaça durýar.
Düzeltijiniň giriş güýji diodyň çyzykly dälligi sebäpli giriş impedansyna täsir edýär. Şonuň üçin rektenna belli bir giriş güýji derejesi we ýük impedansy üçin PCE-ni iň ýokary derejä çykarmak üçin niýetlenendir. Diodlar, esasan, 3 GHz-den aşak ýygylyklarda kuwwatly ýokary impedans bolany üçin, gabat gelýän torlary aradan aýyrýan ýa-da ýönekeýleşdirilen gabat gelýän zynjyrlary azaldýan giň zolakly rektennalar, diodlaryň pes kuwwatly impedansy bolandygy we antenna bilen gowy gabat gelip bilýändigi üçin, Prf>0 dBm we 1 GHz-den ýokary ýygylyklara gönükdirildi, şeýlelik bilen giriş reaksiýalary >1000Ω bolan antennalaryň dizaýnyndan gaça durýar.
CMOS rektennalarynda uýgunlaşýan ýa-da gaýtadan konfigurirlenýän impedans deňleşdirmesi görüldi, bu ýerde deňleşdiriji ulgam çipdäki kondensator banklaryndan we induktorlardan ybaratdyr. Statik CMOS deňleşdiriji ulgamlary standart 50Ω antennalar, şeýle hem bilelikde dizaýn edilen halka antennalary üçin teklip edildi. Passiw CMOS güýç detektorlarynyň antennanyň çykyşyny elýeterli güýje baglylykda dürli düzeltijilere we deňleşdiriji ulgamlara gönükdirýän açarlary dolandyrmak üçin ulanylýandygy habar berildi. Toplanan sazlanýan kondensatorlary ulanyp gaýtadan konfigurirlenýän deňleşdiriji ulgam teklip edildi, ol wektor ulgam analizatoryny ulanyp giriş impedansyny ölçeýän wagtyňyz inçe sazlamak arkaly sazlanýar. Gaýtadan konfigurirlenýän mikrozolak deňleşdiriji ulgamlarda meýdan täsirli tranzistor açarlary iki zolakly häsiýetlere ýetmek üçin deňleşdiriji stublary sazlamak üçin ulanyldy.
Antenler barada has giňişleýin maglumat almak üçin şu ýere giriň:
Ýerleşdirilen wagty: 2024-nji ýylyň 9-njy awgusty
