1.Introduction
Mae cynaeafu ynni amledd radio (RF) (RFEH) a throsglwyddo pŵer di-wifr ymbelydrol (WPT) wedi denu diddordeb mawr fel dulliau o gyflawni rhwydweithiau diwifr cynaliadwy di-fatri. Rectennas yw conglfaen systemau WPT a RFEH ac maent yn cael effaith sylweddol ar y pŵer DC a ddarperir i'r llwyth. Mae elfennau antena y rectenna yn effeithio'n uniongyrchol ar effeithlonrwydd cynaeafu, a all amrywio'r pŵer a gynaeafwyd yn ôl sawl gorchymyn maint. Mae'r papur hwn yn adolygu'r dyluniadau antena a ddefnyddir mewn cymwysiadau WPT a RFEH amgylchynol. Mae'r rectenâu a adroddir yn cael eu dosbarthu yn ôl dau brif faen prawf: yr antena yn cywiro lled band rhwystriant a nodweddion ymbelydredd yr antena. Ar gyfer pob maen prawf, mae'r ffigwr teilyngdod (FoM) ar gyfer gwahanol geisiadau yn cael ei benderfynu a'i adolygu'n gymharol.
Cynigiwyd WPT gan Tesla ar ddechrau'r 20fed ganrif fel dull i drosglwyddo miloedd o marchnerth. Daeth y term rectenna, sy'n disgrifio antena wedi'i gysylltu ag unionydd i gynaeafu pŵer RF, i'r amlwg yn y 1950au ar gyfer cymwysiadau trawsyrru pŵer microdon gofod ac i bweru dronau ymreolaethol. Mae WPT hollgyfeiriad, hir-amrediad yn cael ei gyfyngu gan briodweddau ffisegol y cyfrwng lluosogi (aer). Felly, mae WPT masnachol wedi'i gyfyngu'n bennaf i drosglwyddiad pŵer an-ymbelydrol maes agos ar gyfer codi tâl electroneg defnyddwyr di-wifr neu RFID.
Wrth i ddefnydd pŵer dyfeisiau lled-ddargludyddion a nodau synhwyrydd diwifr barhau i leihau, mae'n dod yn fwy ymarferol i bweru nodau synhwyrydd gan ddefnyddio RFEH amgylchynol neu ddefnyddio trosglwyddyddion omnidirectional pŵer isel dosbarthedig. Mae systemau pŵer diwifr pŵer uwch-isel fel arfer yn cynnwys pen blaen caffael RF, rheoli pŵer DC a chof, a microbrosesydd pŵer isel a thrawsgludwr.
Mae Ffigur 1 yn dangos pensaernïaeth nod diwifr RFEH a'r gweithrediadau pen blaen RF a adroddir yn gyffredin. Mae effeithlonrwydd y system pŵer diwifr o'r dechrau i'r diwedd a phensaernïaeth y rhwydwaith trosglwyddo pŵer a gwybodaeth diwifr wedi'i gydamseru yn dibynnu ar berfformiad cydrannau unigol, megis antenâu, unionwyr, a chylchedau rheoli pŵer. Mae nifer o arolygon llenyddiaeth wedi'u cynnal 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 unioni, 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 antena ac effeithlonrwydd o safbwynt cyffredinol neu o safbwynt dylunio antena penodol, megis antenâu bach neu wisgadwy, ni chaiff effaith paramedrau antena penodol ar dderbyniad pŵer ac effeithlonrwydd trosi ei ddadansoddi'n fanwl.
Mae'r papur hwn yn adolygu technegau dylunio antena mewn rectennas gyda'r nod o wahaniaethu rhwng heriau dylunio antena penodol RFEH a WPT a dyluniad antena cyfathrebu safonol. Cymharir antenâu o ddau safbwynt: paru rhwystriant o un pen i'r llall a nodweddion ymbelydredd; ym mhob achos, mae'r FoM yn cael ei nodi a'i adolygu yn yr antenâu o'r radd flaenaf (SoA).
2. Lled Band a Chyfateb: Rhwydweithiau RF Di-50Ω
Mae rhwystriant nodweddiadol 50Ω yn ystyriaeth gynnar o'r cyfaddawd rhwng gwanhad a phŵer mewn cymwysiadau peirianneg microdon. Mewn antenâu, diffinnir lled band y rhwystriant fel yr ystod amledd lle mae'r pŵer a adlewyrchir yn llai na 10% (S11 < - 10 dB). Gan fod mwyhaduron sŵn isel (LNAs), chwyddseinyddion pŵer, a synwyryddion fel arfer yn cael eu dylunio gyda chydweddiad rhwystriant mewnbwn 50Ω, cyfeirir at ffynhonnell 50Ω yn draddodiadol.
Mewn rectenna, mae allbwn yr antena yn cael ei fwydo'n uniongyrchol i'r unionydd, ac mae aflinoledd y deuod yn achosi amrywiad mawr yn y rhwystriant mewnbwn, gyda'r gydran capacitive yn dominyddu. Gan dybio antena 50Ω, y brif her yw dylunio rhwydwaith paru RF ychwanegol i drawsnewid y rhwystriant mewnbwn i rwystr yr unionydd ar amlder y diddordeb a'i optimeiddio ar gyfer lefel pŵer penodol. Yn yr achos hwn, mae angen lled band rhwystriant o un pen i'r llall i sicrhau trosi RF i DC effeithlon. Felly, er y gall antenâu gyflawni lled band anfeidrol neu led-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.
Mae sawl topoleg rectenna wedi'u cynnig i gyflawni cynaeafu band sengl ac aml-fand neu WPT trwy leihau adlewyrchiadau a chynyddu trosglwyddiad pŵer rhwng yr antena a'r cywirydd. Mae Ffigur 2 yn dangos strwythurau'r topolegau rectenna yr adroddwyd amdanynt, wedi'u categoreiddio yn ôl eu pensaernïaeth sy'n cyfateb i rwystr. Mae Tabl 2 yn dangos enghreifftiau o rectenâu perfformiad uchel mewn perthynas â lled band o un pen i’r llall (yn yr achos hwn, FoM) ar gyfer pob categori.
Ffigur 2 Topolegau rectenna o safbwynt paru lled band a rhwystriant. (a) Rectena band sengl gydag antena safonol. (b) Rectena aml-fand (yn cynnwys antena lluosog wedi'u cysylltu â'i gilydd) gydag un unionydd a rhwydwaith cyfatebol fesul band. (c) rectenna band eang gyda phorthladdoedd RF lluosog a rhwydweithiau paru ar wahân ar gyfer pob band. (d) Retenna band eang gydag antena band eang a rhwydwaith paru band eang. (e) Rectena band sengl gan ddefnyddio antena fach drydanol sy'n cyfateb yn uniongyrchol i'r unionydd. (dd) Antena band sengl, drydanol fawr gyda rhwystriant cymhleth i gyd-gysylltu â'r unionydd. (g) rectenna band eang gyda rhwystriant cymhleth i'w gyfuno â'r cywirydd dros ystod o amleddau.
Er bod WPT a RFEH amgylchynol o borthiant pwrpasol yn gymwysiadau rectenna gwahanol, mae cyflawni paru o un pen i'r llall rhwng antena, unionydd a llwyth yn hanfodol i gyflawni effeithlonrwydd trosi pŵer uchel (PCE) o safbwynt lled band. Serch hynny, mae rectennas WPT yn canolbwyntio mwy ar gyflawni paru ffactorau o ansawdd uwch (S11 is) i wella PCE band sengl ar lefelau pŵer penodol (topolegau a, e ac f). Mae lled band eang WPT un band yn gwella imiwnedd y system i ddad-diwnio, gweithgynhyrchu diffygion 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 is.
3. Dyluniad antena hirsgwar
1. rectenna amledd sengl
Mae dyluniad antena rectenna amledd sengl (topoleg A) wedi'i seilio'n bennaf ar ddyluniad antena safonol, megis polareiddio llinol (LP) neu ddarn pelydru polareiddio cylchol (CP) ar yr awyren ddaear, antena deupol ac antena F gwrthdro. Mae rectenna band gwahaniaethol yn seiliedig ar arae cyfuniad DC wedi'i ffurfweddu gydag unedau antena lluosog neu gyfuniad DC a 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 aml-amledd amgylcheddol, mae antenâu amledd sengl lluosog yn cael eu cyfuno'n rectenâu aml-fand (topoleg B) gydag ataliad cyplu cilyddol a cyfuniad DC annibynnol ar ôl y gylched rheoli pŵer i'w hynysu'n llwyr o'r cylched caffael a throsi RF. Mae hyn yn gofyn am gylchedau rheoli pŵer lluosog ar gyfer pob band, a allai leihau effeithlonrwydd y trawsnewidydd hwb oherwydd bod pŵer DC un band yn isel.
2. Antenâu RFEH aml-fand a band eang
Mae RFEH amgylcheddol yn aml yn gysylltiedig â chaffael aml-fand; felly, mae amrywiaeth o dechnegau wedi'u cynnig ar gyfer gwella lled band dyluniadau antena safonol a dulliau ar gyfer ffurfio araeau antena band deuol neu fand. Yn yr adran hon, rydym yn adolygu dyluniadau antena arferol ar gyfer RFEHs, yn ogystal ag antenâu aml-fand clasurol gyda'r potensial i gael eu defnyddio fel rectenâu.
Mae antenâu monopol tonfedd coplanar (CPW) yn meddiannu llai o arwynebedd nag antenâu patsh microstrip ar yr un amlder ac yn cynhyrchu tonnau LP neu CP, ac fe'u defnyddir yn aml ar gyfer rectenâu amgylcheddol band eang. Defnyddir awyrennau myfyrio i gynyddu ynysu a gwella enillion, gan arwain at batrymau ymbelydredd tebyg i antenâu patsh. Defnyddir antenâu canllaw tonnau coplanar slotiedig i wella lled band rhwystriant ar gyfer bandiau amledd lluosog, megis 1.8–2.7 GHz neu 1–3 GHz. Mae antena slot sy'n cael eu bwydo gyda chyplydd ac antenâu patsh hefyd yn cael eu defnyddio'n gyffredin mewn dyluniadau rectenna aml-fand. Mae Ffigur 3 yn dangos rhai antenâu aml-fand yr adroddwyd amdanynt sy'n defnyddio mwy nag un dechneg gwella lled band.
Ffigur 3
Paru Rhwystr Antena-Rectifier
Mae paru antena 50Ω ag unionydd aflinol yn heriol oherwydd bod ei rwystr mewnbwn yn amrywio'n fawr gydag amlder. Yn topolegau A a B (Ffigur 2), mae'r rhwydwaith paru cyffredin yn cyfateb LC sy'n defnyddio elfennau talpiog; 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 thon milimetr o dan 6 GHz, ac mae gan yr rectenâu tonnau milimedr yr adroddwyd amdanynt lled band cul yn gynhenid oherwydd bod eu lled band PCE yn cael ei dagfa gan ataliad harmonig allbwn, sy'n eu gwneud yn arbennig o addas ar gyfer un-. ceisiadau WPT band yn y band 24 GHz heb drwydded.
Mae gan y rectenâu yn nhopolegau C a D rwydweithiau paru mwy cymhleth. Mae rhwydweithiau paru llinell wedi'u dosbarthu'n llawn wedi'u cynnig ar gyfer paru band eang, gyda bloc RF / cylched byr DC (hidlydd pasio) yn y porthladd allbwn neu gynhwysydd blocio DC fel llwybr dychwelyd ar gyfer harmonics deuod. Gall y cydrannau unionydd gael eu disodli gan gynwysorau rhyng-ddigidol bwrdd cylched printiedig (PCB), sy'n cael eu syntheseiddio gan ddefnyddio offer awtomeiddio dylunio electronig masnachol. Mae rhwydweithiau paru rectenna band eang eraill yr adroddwyd amdanynt yn cyfuno elfennau wedi'u talpio i'w paru ag amleddau is ac elfennau gwasgaredig ar gyfer creu byr RF ar y mewnbwn.
Mae amrywio’r rhwystriant mewnbwn a welir gan y llwyth trwy ffynhonnell (a elwir yn dechneg ffynhonnell-dynnu) wedi’i ddefnyddio i ddylunio unionydd band eang gyda lled band cymharol 57% (1.25–2.25 GHz) a PCE 10% yn uwch o’i gymharu â chylchedau wedi’u talpio neu gylchedau gwasgaredig. . Er bod rhwydweithiau cyfatebol wedi'u cynllunio'n nodweddiadol i gyd-fynd ag antenâu dros y lled band 50Ω cyfan, mae adroddiadau yn y llenyddiaeth lle mae antenâu band eang wedi'u cysylltu ag unionyddion band cul.
Mae rhwydweithiau paru elfennau cnapiog hybrid ac elfennau gwasgaredig wedi'u defnyddio'n helaeth mewn topolegau C a D, ac anwythyddion cyfres a chynwysorau yw'r elfennau talpiog a ddefnyddir amlaf. Mae'r rhain yn osgoi strwythurau cymhleth fel cynwysyddion rhyngddigidol, sy'n gofyn am fodelu a gwneuthuriad mwy cywir na llinellau microstrip safonol.
Mae'r pŵer mewnbwn i'r cywirydd yn effeithio ar y rhwystriant mewnbwn oherwydd aflinoledd y deuod. Felly, mae'r rectenna wedi'i gynllunio i wneud y mwyaf o'r PCE ar gyfer lefel pŵer mewnbwn penodol a rhwystriant llwyth. Gan mai rhwystriant uchel capacitive yn bennaf ar amleddau o dan 3 GHz yw deuodau, mae rectenâu band eang sy'n dileu rhwydweithiau paru neu'n lleihau cylchedau paru symlach wedi canolbwyntio ar amleddau Prf> 0 dBm ac uwch na 1 GHz, gan fod gan y deuodau rwystr cynhwysedd isel a gellir eu paru'n dda. i'r antena, gan osgoi dylunio antenâu ag adweithyddion mewnbwn >1,000Ω.
Mae paru rhwystriant addasol neu ailgyflunio wedi'i weld yn rectennas CMOS, lle mae'r rhwydwaith paru yn cynnwys banciau cynhwysydd ar sglodion ac anwythyddion. Mae rhwydweithiau paru CMOS statig hefyd wedi'u cynnig ar gyfer antenâu 50Ω safonol yn ogystal ag antenâu dolen wedi'u cyd-ddylunio. Dywedwyd bod synwyryddion pŵer CMOS goddefol yn cael eu defnyddio i reoli switshis sy'n cyfeirio allbwn yr antena i wahanol unionwyr a rhwydweithiau cyfatebol yn dibynnu ar y pŵer sydd ar gael. Mae rhwydwaith paru y gellir ei ad-drefnu sy'n defnyddio cynwysyddion tiwnadwy wedi'u talpio wedi'i gynnig, sy'n cael ei diwnio trwy fireinio wrth fesur y rhwystriant mewnbwn gan ddefnyddio dadansoddwr rhwydwaith fector. Mewn rhwydweithiau paru microstrip y gellir eu hailgyflunio, mae switshis transistor effaith maes wedi'u defnyddio i addasu'r bonion paru i gyflawni nodweddion band deuol.
I ddysgu mwy am antenâu, ewch i:
Amser postio: Awst-09-2024
