1.Cyflwyniad
Mae cynaeafu ynni amledd radio (RF) (RFEH) a throsglwyddo pŵer diwifr ymbelydrol (WPT) wedi denu diddordeb mawr fel dulliau o gyflawni rhwydweithiau diwifr cynaliadwy di-fatri. Rectenas yw conglfaen systemau WPT ac RFEH ac mae ganddynt effaith sylweddol ar y pŵer DC a ddanfonir i'r llwyth. Mae elfennau antena'r rectenna yn effeithio'n uniongyrchol ar effeithlonrwydd cynaeafu, a all amrywio'r pŵer a gynaeafir gan sawl urdd maint. Mae'r papur hwn yn adolygu'r dyluniadau antena a ddefnyddir mewn cymwysiadau WPT ac RFEH amgylchynol. Mae'r rectenas a adroddir wedi'u dosbarthu yn ôl dau brif faen prawf: lled band rhwystriant cywiro'r antena a nodweddion ymbelydredd yr antena. Ar gyfer pob maen prawf, pennir a hadolygir y ffigur teilyngdod (FoM) ar gyfer gwahanol gymwysiadau yn gymharol.
Cynigiwyd WPT gan Tesla ddechrau'r 20fed ganrif fel dull o drosglwyddo miloedd o geffylau. Daeth y term rectenna, sy'n disgrifio antena sydd wedi'i chysylltu ag unionydd i gynaeafu pŵer RF, i'r amlwg yn y 1950au ar gyfer cymwysiadau trosglwyddo pŵer microdon gofod ac i bweru dronau ymreolaethol. Mae WPT omnidirectional, pellter hir wedi'i gyfyngu gan briodweddau ffisegol y cyfrwng lluosogi (aer). Felly, mae WPT masnachol wedi'i gyfyngu'n bennaf i drosglwyddo pŵer maes agos nad yw'n ymbelydrol ar gyfer gwefru electroneg defnyddwyr diwifr neu RFID.
Wrth i'r defnydd o bŵer gan ddyfeisiau lled-ddargludyddion a nodau synhwyrydd diwifr barhau i leihau, mae'n dod yn fwy ymarferol pweru nodau synhwyrydd gan ddefnyddio RFEH amgylchynol neu ddefnyddio trosglwyddyddion omnidirectional pŵer isel dosbarthedig. Mae systemau pŵer diwifr pŵer isel iawn fel arfer yn cynnwys pen blaen caffael RF, rheolaeth pŵer a chof DC, a microbrosesydd a thrawsyrgydd pŵer isel.
Mae Ffigur 1 yn dangos pensaernïaeth nod diwifr RFEH a'r gweithrediadau blaen-ben RF a adroddir yn gyffredin. Mae effeithlonrwydd o'r dechrau i'r diwedd y system bŵer diwifr a phensaernïaeth y rhwydwaith trosglwyddo gwybodaeth a phŵer diwifr cydamserol yn dibynnu ar berfformiad cydrannau unigol, megis antenâu, unionyddion, a chylchedau rheoli pŵer. Cynhaliwyd sawl arolwg llenyddiaeth ar gyfer gwahanol rannau o'r system. Mae Tabl 1 yn crynhoi'r cam trosi pŵer, cydrannau allweddol ar gyfer trosi pŵer effeithlon, ac arolygon llenyddiaeth cysylltiedig ar gyfer pob rhan. Mae llenyddiaeth ddiweddar yn canolbwyntio ar dechnoleg trosi pŵer, topolegau unionyddion, neu RFEH sy'n ymwybodol o'r rhwydwaith.
Ffigur 1
Fodd bynnag, nid yw dyluniad antena yn cael ei ystyried yn elfen hanfodol yn RFEH. Er bod rhywfaint o lenyddiaeth yn ystyried lled band ac effeithlonrwydd antena o safbwynt cyffredinol neu o safbwynt dylunio antena penodol, megis antenâu bach neu wisgadwy, nid yw effaith rhai paramedrau antena ar dderbyn pŵer ac effeithlonrwydd trosi yn cael ei dadansoddi'n fanwl.
Mae'r papur hwn yn adolygu technegau dylunio antenâu mewn rectenâu gyda'r nod o wahaniaethu rhwng heriau dylunio antenâu penodol i RFEH a WPT a dylunio antenâu cyfathrebu safonol. Cymharir antenâu o ddau safbwynt: paru rhwystriant o'r dechrau i'r diwedd a nodweddion ymbelydredd; ym mhob achos, nodir ac adolygir y FoM yn yr antenâu o'r radd flaenaf (SoA).
2. Lled Band a Chyfatebiaeth: Rhwydweithiau RF nad ydynt yn 50Ω
Mae'r rhwystriant nodweddiadol o 50Ω yn ystyriaeth gynnar o'r cyfaddawd rhwng gwanhau a phŵer mewn cymwysiadau peirianneg microdon. Mewn antenâu, diffinnir y lled band rhwystriant fel yr ystod amledd lle mae'r pŵer adlewyrchiedig yn llai na 10% (S11< − 10 dB). Gan fod mwyhaduron sŵn isel (LNAs), mwyhaduron pŵer, a synwyryddion fel arfer wedi'u cynllunio gyda chyfatebiaeth rhwystriant mewnbwn o 50Ω, cyfeirir at ffynhonnell 50Ω yn draddodiadol.
Mewn rectenna, mae allbwn yr antena yn cael ei fwydo'n uniongyrchol i'r unionydd, ac mae anlinelloldeb y deuod yn achosi amrywiad mawr yn yr impedans mewnbwn, gyda'r gydran gapasitif yn dominyddu. Gan dybio antena 50Ω, y brif her yw dylunio rhwydwaith paru RF ychwanegol i drawsnewid yr impedans mewnbwn i impedans yr unionydd ar yr amledd o ddiddordeb a'i optimeiddio ar gyfer lefel pŵer benodol. Yn yr achos hwn, mae angen lled band impedans o'r dechrau i'r diwedd i sicrhau trosi RF i DC effeithlon. Felly, er y gall antenâu gyflawni lled band anfeidraidd neu ultra-eang yn ddamcaniaethol gan ddefnyddio elfennau cyfnodol neu geometreg hunan-gyflenwol, bydd lled band y rectenna yn cael ei dagfa gan y rhwydwaith paru unionydd.
Cynigiwyd sawl topoleg rectenna i gyflawni cynaeafu band sengl ac aml-fand neu WPT trwy leihau adlewyrchiadau a gwneud y mwyaf o drosglwyddo pŵer rhwng yr antena a'r unionydd. Mae Ffigur 2 yn dangos strwythurau'r topolegau rectenna a adroddwyd, wedi'u categoreiddio yn ôl eu pensaernïaeth paru rhwystriant. Mae Tabl 2 yn dangos enghreifftiau o rectennas perfformiad uchel mewn perthynas â lled band o'r dechrau i'r diwedd (yn yr achos hwn, FoM) ar gyfer pob categori.
Ffigur 2 Topolegau rectenna o safbwynt paru lled band ac impedans. (a) Rectenna band sengl gydag antena safonol. (b) Rectenna aml-fand (sy'n cynnwys nifer o antenâu sydd wedi'u cysylltu â'i gilydd) gydag un unionydd a rhwydwaith paru fesul band. (c) Rectenna band eang gyda nifer o borthladdoedd RF a rhwydweithiau paru ar wahân ar gyfer pob band. (d) Rectenna band eang gydag antena band eang a rhwydwaith paru band eang. (e) Rectenna band sengl gan ddefnyddio antena bach yn drydanol wedi'i baru'n uniongyrchol â'r unionydd. (f) Antena band sengl, mawr yn drydanol gydag impedans cymhleth i gysylltu â'r unionydd. (g) Rectenna band eang gydag impedans cymhleth i gysylltu â'r unionydd dros ystod o amleddau.
Er bod rectenna WPT ac RFEH amgylchynol o borthiant pwrpasol yn gymwysiadau rectenna gwahanol, mae cyflawni paru o'r dechrau i'r diwedd rhwng antena, unionydd a llwyth yn hanfodol i gyflawni effeithlonrwydd trosi pŵer (PCE) uchel o safbwynt lled band. Serch hynny, mae rectennas WPT yn canolbwyntio mwy ar gyflawni paru ffactorau ansawdd uwch (S11 is) i wella PCE band sengl ar rai lefelau pŵer (topolegau a, e ac f). Mae lled band eang WPT band sengl yn gwella imiwnedd y system i ddad-diwnio, diffygion gweithgynhyrchu a pharasitiaid pecynnu. Ar y llaw arall, mae rectennas RFEH yn blaenoriaethu gweithrediad aml-fand ac yn perthyn i dopolegau bd a g, gan fod dwysedd sbectrol pŵer (PSD) band sengl yn gyffredinol yn is.
3. Dyluniad antena petryal
1. Rectenna amledd sengl
Mae dyluniad antena rectenna amledd sengl (topoleg A) yn seiliedig yn bennaf ar ddyluniad antena safonol, megis polareiddio llinol (LP) neu bolareiddio cylchol (CP) clwt ymledol ar y plân daear, antena deuol ac antena F gwrthdro. Mae rectenna band gwahaniaethol yn seiliedig ar arae cyfuniad DC wedi'i ffurfweddu gydag unedau antena lluosog neu gyfuniad DC ac RF cymysg o unedau clwt lluosog.
Gan fod llawer o'r antenâu arfaethedig yn antenâu amledd sengl ac yn bodloni gofynion WPT amledd sengl, wrth geisio RFEH amledd aml amgylcheddol, mae nifer o antenâu amledd sengl yn cael eu cyfuno i mewn i rectenâu aml-fand (topoleg B) gydag ataliad cyplu cydfuddiannol a chyfuniad DC annibynnol ar ôl y gylched rheoli pŵer i'w hynysu'n llwyr o'r gylched caffael a throsi RF. Mae hyn yn gofyn am nifer o gylchedau rheoli pŵer ar gyfer pob band, a all leihau effeithlonrwydd y trawsnewidydd hwb oherwydd bod pŵer DC band sengl yn isel.
2. Antenâu RFEH aml-fand a band eang
Mae RFEH amgylcheddol yn aml yn gysylltiedig â chaffael aml-fand; felly, cynigiwyd amrywiaeth o dechnegau ar gyfer gwella lled band dyluniadau antena safonol a dulliau ar gyfer ffurfio araeau antena deuol-fand neu fand. Yn yr adran hon, rydym yn adolygu dyluniadau antena personol ar gyfer RFEHs, yn ogystal ag antenâu aml-fand clasurol gyda'r potensial i'w defnyddio fel rectennas.
Mae antenâu monopol tywysydd tonnau cyd-blanar (CPW) yn meddiannu llai o arwynebedd nag antenâu clwt microstrip ar yr un amledd ac yn cynhyrchu tonnau LP neu CP, ac fe'u defnyddir yn aml ar gyfer rectenau amgylcheddol band eang. Defnyddir awyrennau adlewyrchiad i gynyddu ynysu a gwella enillion, gan arwain at batrymau ymbelydredd tebyg i antenâu clwt. Defnyddir antenâu tywysydd tonnau cyd-blanar slotiog i wella lled band rhwystriant ar gyfer bandiau amledd lluosog, fel 1.8–2.7 GHz neu 1–3 GHz. Defnyddir antenâu slot sy'n cael eu bwydo'n gypledig ac antenâu clwt yn gyffredin hefyd mewn dyluniadau rectena aml-fand. Mae Ffigur 3 yn dangos rhai antenâu aml-fand a adroddwyd sy'n defnyddio mwy nag un dechneg gwella lled band.
Ffigur 3
Cyfatebu Rhwystr Antenna-Cyweiriwr
Mae paru antena 50Ω ag unionydd anlinellol yn heriol oherwydd bod ei impedans mewnbwn yn amrywio'n fawr gydag amledd. Yn nhopolegau A a B (Ffigur 2), y rhwydwaith paru cyffredin yw paru LC gan ddefnyddio elfennau wedi'u lwmpio; fodd bynnag, mae'r lled band cymharol fel arfer yn is na'r rhan fwyaf o fandiau cyfathrebu. Defnyddir paru bonyn band sengl yn gyffredin mewn bandiau microdon a thonnau milimetr islaw 6 GHz, ac mae gan y rectenau tonnau milimetr a adroddwyd led band cul yn gynhenid oherwydd bod eu lled band PCE wedi'i dagu gan ataliad harmonig allbwn, sy'n eu gwneud yn arbennig o addas ar gyfer cymwysiadau WPT band sengl yn y band heb drwydded 24 GHz.
Mae gan y rectennau yn nhopolegau C a D rwydweithiau paru mwy cymhleth. Cynigiwyd rhwydweithiau paru llinell wedi'u dosbarthu'n llawn ar gyfer paru band eang, gyda chylched fer bloc RF/DC (hidlydd pasio) wrth y porthladd allbwn neu gynhwysydd blocio DC fel llwybr dychwelyd ar gyfer harmonigau deuod. Gellir disodli cydrannau'r unionydd gan gynwysyddion rhyng-gysylltiedig bwrdd cylched printiedig (PCB), sy'n cael eu syntheseiddio gan ddefnyddio offer awtomeiddio dylunio electronig masnachol. Mae rhwydweithiau paru rectennau band eang eraill a adroddwyd yn cyfuno elfennau wedi'u lwmpio ar gyfer paru ag amleddau is ac elfennau dosbarthedig ar gyfer creu cylched fer RF wrth y mewnbwn.
Defnyddiwyd amrywio'r rhwystriant mewnbwn a welir gan y llwyth drwy ffynhonnell (a elwir yn dechneg tynnu-ffynhonnell) i ddylunio cywirydd band eang gyda lled band cymharol o 57% (1.25–2.25 GHz) a PCE 10% yn uwch o'i gymharu â chylchedau lwmpiog neu ddosbarthedig. Er bod rhwydweithiau paru fel arfer wedi'u cynllunio i baru antenâu dros y lled band 50Ω cyfan, mae adroddiadau yn y llenyddiaeth lle mae antenâu band eang wedi'u cysylltu ag cywiryddion band cul.
Mae rhwydweithiau paru elfennau lwmpiog ac elfennau dosbarthedig hybrid wedi cael eu defnyddio'n helaeth yn nhopolegau C a D, gyda'r anwythyddion cyfres a chynwysyddion yn elfennau lwmpiog a ddefnyddir amlaf. Mae'r rhain yn osgoi strwythurau cymhleth fel cynwysyddion rhyngddigidol, sy'n gofyn am fodelu a chreu mwy cywir na llinellau microstrip safonol.
Mae'r pŵer mewnbwn i'r unionydd yn effeithio ar yr impedans mewnbwn oherwydd anlinoledd y deuod. Felly, mae'r rectenna wedi'i gynllunio i wneud y mwyaf o'r PCE ar gyfer lefel pŵer mewnbwn penodol ac impedans llwyth. Gan fod deuodau yn bennaf yn impedans uchel capasitif ar amleddau islaw 3 GHz, mae rectennau band eang sy'n dileu rhwydweithiau paru neu'n lleihau cylchedau paru symlach wedi canolbwyntio ar amleddau Prf>0 dBm ac uwchlaw 1 GHz, gan fod gan y deuodau impedans capasitif isel a gellir eu paru'n dda â'r antena, gan osgoi dylunio antenâu gydag adweitheddau mewnbwn >1,000Ω.
Gwelwyd paru rhwystriant addasol neu ailgyfluniol mewn rectenau CMOS, lle mae'r rhwydwaith paru yn cynnwys banciau cynwysyddion ac anwythyddion ar-sglodion. Cynigiwyd rhwydweithiau paru CMOS statig hefyd ar gyfer antenâu safonol 50Ω yn ogystal ag antenâu dolen a gyd-gynlluniwyd. Adroddwyd bod synwyryddion pŵer CMOS goddefol yn cael eu defnyddio i reoli switshis sy'n cyfeirio allbwn yr antena i wahanol unionyddion a rhwydweithiau paru yn dibynnu ar y pŵer sydd ar gael. Cynigiwyd rhwydwaith paru ailgyfluniol gan ddefnyddio cynwysyddion tiwniadwy lwmpiog, sy'n cael ei diwnio trwy fireinio wrth fesur yr rhwystriant mewnbwn gan ddefnyddio dadansoddwr rhwydwaith fector. Mewn rhwydweithiau paru microstrip ailgyfluniol, defnyddiwyd switshis transistor effaith maes i addasu'r bonion paru i gyflawni nodweddion deuol-fand.
I ddysgu mwy am antenâu, ewch i:
Amser postio: Awst-09-2024
