1.Introduzzione
A cugliera di l'energia di a radiofrequenza (RF) (RFEH) è u trasferimentu di l'energia wireless radiativa (WPT) anu attiratu un grande interessu cum'è metudi per ottene reti wireless sostenibili senza batterie. Rectenni sò a petra di i sistemi WPT è RFEH è anu un impattu significativu nantu à a putenza DC furnita à a carica. L'elementi di l'antenna di a rectenna affettanu direttamente l'efficienza di a cugliera, chì pò varià a putenza cugliera da parechji ordini di grandezza. Stu documentu rivede i disinni di l'antenna impiegati in l'applicazioni WPT è RFEH ambientali. I rectenni rappurtati sò classificati secondu dui criterii principali: a larghezza di banda di l'impedenza di l'antenna è e caratteristiche di radiazione di l'antenna. Per ogni criteriu, a figura di meritu (FoM) per diverse applicazioni hè determinata è rivista comparativamente.
WPT hè statu prupostu da Tesla à u principiu di u XXu seculu cum'è un metudu per trasmette millaie di cavalli. U terminu rectenna, chì descrive una antenna cunnessa à un rettificatore per a cugliera di a putenza RF, emerge in l'anni 1950 per l'applicazioni di trasmissione di energia di microonde spaziale è per alimentà i droni autonomi. U WPT omnidirezionale è longu hè limitatu da e proprietà fisiche di u mediu di propagazione (aria). Dunque, u WPT cummerciale hè principalmente limitatu à u trasferimentu di putenza non-radiativa vicinu à u campu per a carica di l'elettronica di cunsumatori wireless o RFID.
Siccomu u cunsumu di energia di i dispositi semiconductori è i nodi di sensori wireless cuntinueghja à diminuisce, diventa più fattibile per i nodi di sensori di putere chì utilizanu RFEH ambientale o utilizendu trasmettitori omnidirezionali distribuiti di bassa putenza. Sistemi di putenza wireless ultra-bassa putenza sò generalmente custituiti da un front-end d'acquisizione RF, una gestione di energia DC è di memoria, è un microprocessore è un transceiver di bassa putenza.
A Figura 1 mostra l'architettura di un nodu wireless RFEH è l'implementazioni front-end RF cumunimenti riportate. L'efficienza end-to-end di u sistema di putenza wireless è l'architettura di l'infurmazione wireless sincronizata è a rete di trasferimentu di energia dipende da u rendiment di cumpunenti individuali, cum'è antenne, rettificatori è circuiti di gestione di energia. Diversi studi di letteratura sò stati fatti per diverse parti di u sistema. A Tabella 1 riassume u stadiu di cunversione di l'energia, i cumpunenti chjave per a cunversione di l'energia efficiente, è l'inchiesta di letteratura per ogni parte. A letteratura recente si concentra nantu à a tecnulugia di cunversione di l'energia, a topologie di u rettificatore, o a RFEH di rete.
Figura 1
Tuttavia, u disignu di l'antenna ùn hè micca cunsideratu cum'è un cumpunente criticu in RFEH. Ancu se una certa literatura cunsidereghja a larghezza di banda di l'antenna è l'efficienza da una perspettiva generale o da una perspettiva specifica di cuncepimentu di l'antenna, cum'è antenne miniaturizzate o wearable, l'impattu di certi parametri di l'antenna nantu à a ricezione di l'energia è l'efficienza di cunversione ùn hè micca analizatu in dettagliu.
Stu documentu rivede e tecniche di cuncepimentu di l'antenna in rectenne cù u scopu di distingue e sfide di cuncepimentu di l'antenna specifica RFEH è WPT da u disignu standard di l'antenna di cumunicazione. L'antenni sò paragunati da duie perspettivi: l'impedenza end-to-end è e caratteristiche di radiazione; in ogni casu, u FoM hè identificatu è rivedutu in l'antenni di punta (SoA).
2. Bandwidth è Matching: Non-50Ω Networks RF
L'impedenza caratteristica di 50Ω hè una prima considerazione di u cumprumissu trà l'attenuazione è a putenza in l'applicazioni di l'ingegneria di microonde. In l'antenne, a larghezza di banda di impedenza hè definita cum'è a gamma di freccia induve a putenza riflessa hè menu di 10% (S11< - 10 dB). Siccomu l'amplificatori à pocu rumore (LNA), l'amplificatori di putenza è i rilevatori sò tipicamente cuncepiti cù una corrispondenza di impedenza di entrata di 50Ω, una fonte di 50Ω hè tradizionalmente riferita.
In una rectenna, l'output di l'antenna hè alimentatu direttamente in u rettificatore, è a non-linearità di u diodu provoca una grande variazione in l'impedenza di input, cù u cumpunente capacitivu dominante. Assumendu una antenna 50Ω, a sfida principale hè di disignà una rete RF addiziale per trasfurmà l'impedenza di input à l'impedenza di u rettificatore à a frequenza d'interessu è ottimisimu per un livellu di putenza specificu. In questu casu, a larghezza di banda di impedenza end-to-end hè necessaria per assicurà una cunversione RF à DC efficiente. Dunque, ancu s'è l'antenni ponu ottene una larghezza di banda teoricamente infinita o ultra-larga utilizendu elementi periodichi o geometria auto-cumplimentaria, a larghezza di banda di a rectenna serà sbattuta da a reta di currispondenza di u rettificatore.
Diversi topologies di rectenna sò state pruposte per ottene una raccolta di una sola banda è multibanda o WPT minimizendu e riflessioni è maximizendu u trasferimentu di putenza trà l'antenna è u rettificatore. A Figura 2 mostra e strutture di e topologie di rectenna riportate, categurizate da a so architettura di impedenza. A Tabella 2 mostra esempi di rectenni d'alta prestazione in quantu à a larghezza di banda end-to-end (in questu casu, FoM) per ogni categuria.
Figura 2 Topologies Rectenna da a perspettiva di a larghezza di banda è l'impedenza. (a) Rectenna a banda unica cù antenna standard. (b) Rectenna multibanda (cumposta da parechje antenne mutualmente accoppiate) cù un rettificatore è una rete corrispondente per banda. (c) Rectenna a banda larga cù più porti RF è rete di corrispondenza separata per ogni banda. (d) Rectenna à banda larga cù antenna à banda larga è rete di corrispondenza à banda larga. (e) Rectenna a banda unica chì usa una antenna elettricamente chjuca direttamente adattata à u rettificatore. (f) Antenna a banda unica, elettricamente grande cù impedenza cumplessa per cunjugà cù u rettificatore. (g) Rectenna a banda larga cù impedenza cumplessa per cunjugà cù u rettificatore nantu à una gamma di frequenze.
Mentre WPT è RFEH ambientale da l'alimentazione dedicata sò diverse applicazioni di rectenna, ottene una corrispondenza end-to-end trà antenna, rettificatore è carica hè fundamentale per ottene una efficienza di cunversione d'alta putenza (PCE) da una perspettiva di larghezza di banda. Tuttavia, i rectenni WPT si focalizeghjanu più nantu à ottene una corrispondenza di fattore di qualità più alta (S11 più bassa) per migliurà PCE a banda unica à certi livelli di putenza (topologie a, e è f). L'ampiezza di banda larga di WPT unicu-banda migliurà l'immunità di u sistema à detuning, difetti di fabricazione è parassiti di imballaggio. Per d 'altra banda, i rectenni RFEH priurità l'operazione multi-banda è appartenenu à e topologie bd è g, postu chì a densità spettrale di putenza (PSD) di una sola banda hè generalmente più bassa.
3. Disegnu di l'antenna rectangulare
1. Rectenna unica freccia
U disignu di l'antenna di rectenna à freccia unica (topulugia A) hè principalmente basatu annantu à u disignu di l'antenna standard, cum'è a polarizazione lineare (LP) o polarizazione circular (CP) radiant patch in u pianu di terra, l'antenna dipole è l'antenna F invertita. A rectenna di banda differenziale hè basata nantu à una matrice di cumminazione DC cunfigurata cù più unità di antenna o una combinazione mista DC è RF di più unità di patch.
Siccomu assai di l'antenni pruposti sò antenne unica frequenza è rispondenu à i requisiti di WPT unica frequenza, quandu cercanu RFEH multi-frequenza ambientale, multiple antenne unica frequenza sò cumminate in rectennes multi-banda (topologia B) cù suppressione di accoppiamentu mutuale è cumminazione DC indipendente dopu à u circuitu di gestione di l'energia per isolà completamente da u circuitu di acquisizione è cunversione RF. Questu hè bisognu di più circuiti di gestione di l'energia per ogni banda, chì ponu riduce l'efficienza di u convertitore di spinta perchè a putenza DC di una sola banda hè bassa.
2. Antenne RFEH multibanda è larga
RFEH ambientale hè spessu assuciatu cù l'acquistu multi-banda; per quessa, una varietà di tecniche sò state pruposte per migliurà a larghezza di banda di i disinni di l'antenna standard è i metudi per furmà arrays d'antenne dual-band o band. In questa sezione, rivisemu i disinni d'antenne persunalizati per i RFEH, è ancu l'antenne multibanda classiche cù u putenziale di esse usate cum'è rectenne.
L'antenne monopoli di guida d'onda coplanari (CPW) occupanu menu area di l'antenne di patch microstrip à a listessa frequenza è producenu onde LP o CP, è sò spessu usate per rectenni ambientali di banda larga. I piani di riflessione sò usati per aumentà l'isolamentu è migliurà u guadagnu, risultatu in mudelli di radiazione simili à l'antenne di patch. L'antenne di guida d'onda coplanari slotted sò aduprate per migliurà a larghezza di banda di impedenza per più bande di frequenza, cum'è 1.8-2.7 GHz o 1-3 GHz. L'antenne di slot cuppiate è l'antenne di patch sò ancu cumunimenti aduprate in disinni di rectenna multibanda. A Figura 3 mostra alcune antenne multibanda riportate chì utilizanu più di una tecnica di migliuramentu di larghezza di banda.
Figura 3
Corrispondenza di l'impedenza di l'antenna-Rectifier
L'abbinamentu di una antenna 50Ω à un rettificatore non lineare hè sfida perchè a so impedenza di input varia assai cù a frequenza. In e topologies A è B (Figura 2), a reta cumuna di cungruenza hè una partita LC cù elementi lumped; in ogni modu, a larghezza di banda relative hè di solitu più bassu di a maiò parte di e bande di cumunicazione. Stub matching a banda unica hè comunmente aduprata in bande di microonde è d'onde millimetriche sottu 6 GHz, è e rectenne di onde millimetriche riportate anu una larghezza di banda intrinsecamente stretta perchè a so larghezza di banda PCE hè strozzata da a soppressione armonica di output, chì li rende particularmente adattati per una sola banda. applicazioni WPT di banda in a banda senza licenza di 24 GHz.
I rectenni in topologies C è D anu reti più cumplessi. E rete di currispundenza di linea cumplettamente distribuite sò state pruposte per l'abbinamentu di banda larga, cù un cortu circuitu di bloccu RF / DC (filtru di passaghju) à u portu di output o un condensatore di bloccu DC cum'è una strada di ritornu per l'armoniche di diodi. I cumpunenti di u rettificatore ponu esse rimpiazzati da condensatori interdigitati di circuiti stampati (PCB), chì sò sintetizzati aduprendu strumenti d'automatizazione di cuncepimentu elettronicu cummerciale. Altre reti di currispundenza di rectenna di banda larga rappurtate combinanu elementi lumped per currisponde à frequenze più basse è elementi distribuiti per creà un cortu RF à l'input.
Variendu l'impedenza di input osservata da a carica à traversu una fonte (cunnisciutu cum'è a tecnica di a fonte-pull) hè stata aduprata per cuncepisce un rettificatore di banda larga cù 57% di larghezza di banda relativa (1,25-2,25 GHz) è 10% PCE più altu cumparatu à i circuiti lumped o distribuiti. . Ancu s'è e rete currispundenti sò tipicamente cuncepiti per currisponde à l'antenne nantu à tutta a larghezza di banda di 50Ω, ci sò rapporti in a literatura induve l'antenni di banda larga sò stati cunnessi à i rettificatori di banda stretta.
I riti ibridi di l'elementu lumped è l'elementu distribuitu sò stati largamente utilizati in topologies C è D, cù induttori di serie è condensatori chì sò l'elementi lumped più cumunimenti usati. Quessi evitanu strutture cumplesse cum'è i condensatori interdigitati, chì necessitanu un mudellu più precisu è a fabricazione di e linee standard microstrip.
A putenza di input à u rettificatore influenza l'impedenza di input per via di a non linearità di u diodu. Dunque, a rectenna hè pensata per maximizà u PCE per un livellu specificu di putenza di input è impedenza di carica. Siccomu i diodi sò principarmenti capacitivi d'alta impedenza à frequenze sottu à 3 GHz, i rectenni di banda larga chì eliminanu e rete currispondenti o minimizzanu i circuiti di currispundenza simplificati sò stati focalizati nantu à frequenze Prf> 0 dBm è sopra 1 GHz, postu chì i diodi anu una bassa impedenza capacitiva è ponu esse bè cumminati. à l'antenna, evitendu cusì u disignu di antenne cù reattanza di input> 1,000Ω.
L'impedenza adattativa o ricunfigurabile hè stata veduta in rectenni CMOS, induve a reta di currispondenza hè custituita da banche di condensatori in chip è induttori. E rete statiche di corrispondenza CMOS sò state pruposte ancu per antenne standard 50Ω è per antenne in loop co-designate. Hè statu infurmatu chì i detectori di putenza CMOS passivi sò usati per cuntrullà i switches chì dirigenu l'output di l'antenna à diversi rettificatori è reti currispondenti secondu a putenza dispunibule. Hè stata pruposta una rete di cunfigurazione ricunfigurabile cù condensatori sintonizzabili lumped, chì hè sintonizatu per fine-tuning mentre misura l'impedenza di input utilizendu un analizzatore di rete vettoriale. In e rete di cunfigurazione di microstrip reconfigurable, l'interruttori di transistor à effettu di campu sò stati utilizati per aghjustà i stubs currispondenti per ottene e caratteristiche di doppia banda.
Per sapè di più nantu à l'antenne, visitate:
Tempu di Postu: Aug-09-2024
