1. Introduzione
A raccolta di energia à radiofrequenza (RF) (RFEH) è u trasferimentu di putenza wireless radiativu (WPT) anu suscitatu un grande interessu cum'è metudi per ottene reti wireless sustenibili senza batteria. E rectenna sò a petra angulare di i sistemi WPT è RFEH è anu un impattu significativu nantu à a putenza CC furnita à u caricu. L'elementi di l'antenna di a rectenna influenzanu direttamente l'efficienza di raccolta, chì pò varià a putenza raccolta di parechji ordini di grandezza. Questu articulu esamina i disinni di l'antenna impiegati in l'applicazioni WPT è RFEH ambientale. E rectenna riportate sò classificate secondu dui criteri principali: a larghezza di banda di l'impedenza di rettifica 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 in modu cumparativu.
U WPT hè statu prupostu da Tesla à l'iniziu di u XXu seculu cum'è un metudu per trasmette migliaia di cavalli di putenza. U termine rectenna, chì descrive un'antenna cunnessa à un raddrizzatore per raccoglie a putenza RF, hè apparsu in l'anni 1950 per l'applicazioni di trasmissione di putenza à microonde spaziali è per alimentà i droni autonomi. U WPT omnidirezionale è à longa distanza hè limitatu da e proprietà fisiche di u mezu di propagazione (aria). Dunque, u WPT cummerciale hè principalmente limitatu à u trasferimentu di putenza non radiativa in campu vicinu per a carica wireless di l'elettronica di cunsumu o RFID.
Cù a diminuzione cuntinua di u cunsumu energeticu di i dispusitivi semiconduttori è di i nodi di sensori wireless, diventa più fattibile alimentà i nodi di sensori utilizendu RFEH ambientale o utilizendu trasmettitori omnidirezionali distribuiti à bassa putenza. I sistemi di alimentazione wireless à bassissima putenza sò generalmente custituiti da un front-end di acquisizione RF, una gestione di l'alimentazione è di a memoria CC, è un microprocessore è un ricetrasmettitore à bassa putenza.
A figura 1 mostra l'architettura di un nodu wireless RFEH è l'implementazioni front-end RF cumunemente riportate. L'efficienza end-to-end di u sistema di alimentazione wireless è l'architettura di a rete di trasferimentu di infurmazione è di putenza wireless sincronizata dipende da e prestazioni di i singoli cumpunenti, cum'è antenne, raddrizzatori è circuiti di gestione di l'energia. Parechje indagini di letteratura sò state realizate per diverse parti di u sistema. A tavula 1 riassume a fase di cunversione di putenza, i cumpunenti chjave per una cunversione di putenza efficiente è l'indagini di letteratura correlate per ogni parte. A letteratura recente si concentra nantu à a tecnulugia di cunversione di putenza, e topologie di raddrizzatori o RFEH sensibile à a rete.
Figura 1
Tuttavia, a cuncepzione di l'antenna ùn hè micca cunsiderata cum'è una cumpunente critica in RFEH. Ancu s'è una certa literatura cunsidereghja a larghezza di banda è l'efficienza di l'antenna da una perspettiva generale o da una perspettiva specifica di cuncepzione di l'antenna, cum'è antenne miniaturizate o indossabili, l'impattu di certi parametri di l'antenna nantu à a ricezione di putenza è l'efficienza di cunversione ùn hè micca analizatu in dettagliu.
Questu articulu esamina e tecniche di cuncepimentu di l'antenne in rectenna cù l'ubbiettivu di distingue e sfide di cuncepimentu di l'antenne specifiche di RFEH è WPT da u cuncepimentu standard di l'antenne di cumunicazione. L'antenne sò paragunate da duie prospettive: adattamentu d'impedenza end-to-end è caratteristiche di radiazione; in ogni casu, u FoM hè identificatu è rivedutu in l'antenne state-of-the-art (SoA).
2. Larghezza di banda è currispundenza: Reti RF micca 50Ω
L'impedenza caratteristica di 50Ω hè una prima considerazione di u compromessu trà l'attenuazione è a putenza in l'applicazioni di l'ingegneria di e microonde. In l'antenne, a larghezza di banda di l'impedenza hè definita cum'è a gamma di frequenza induve a putenza riflessa hè menu di 10% (S11< − 10 dB). Siccomu l'amplificatori à bassu rumore (LNA), l'amplificatori di putenza è i detectori sò tipicamente cuncipiti cù una currispundenza di impedenza d'ingressu di 50Ω, una fonte di 50Ω hè tradiziunalmente riferita.
In una rectenna, l'uscita di l'antenna hè alimentata direttamente in u raddrizzatore, è a non linearità di u diodu provoca una grande variazione in l'impedenza d'entrata, cù a cumpunente capacitiva chì domina. Supponendu un'antenna di 50 Ω, a sfida principale hè di cuncepisce una rete di adattamentu RF supplementaria per trasfurmà l'impedenza d'entrata in l'impedenza di u raddrizzatore à a frequenza d'interessu è ottimisà per un livellu di putenza specificu. In questu casu, hè necessaria una larghezza di banda d'impedenza end-to-end per assicurà una cunversione RF à DC efficiente. Dunque, ancu s'è l'antenne ponu ottene una larghezza di banda teoricamente infinita o ultra-larga aduprendu elementi periodichi o geometria autocumplementaria, a larghezza di banda di a rectenna serà limitata da a rete di adattamentu di u raddrizzatore.
Parechje topologie di rectenna sò state pruposte per ottene una raccolta à banda unica è multibanda o WPT minimizendu e riflessioni è massimizendu u trasferimentu di putenza trà l'antenna è u raddrizzatore. A Figura 2 mostra e strutture di e topologie di rectenna riportate, categurizzate per a so architettura di adattamentu d'impedenza. A Tavula 2 mostra esempi di rectenna ad alte prestazioni in quantu à a larghezza di banda end-to-end (in questu casu, FoM) per ogni categuria.
Figura 2 Topologie di Rectenna da a perspettiva di a larghezza di banda è di l'adattamentu d'impedenza. (a) Rectenna à banda unica cù antenna standard. (b) Rectenna multibanda (cumposta da parechje antenne mutualmente accoppiate) cù un raddrizzatore è una rete d'adattamentu per banda. (c) Rectenna à banda larga cù parechje porte RF è reti d'adattamentu separate per ogni banda. (d) Rectenna à banda larga cù antenna à banda larga è rete d'adattamentu à banda larga. (e) Rectenna à banda unica chì usa un'antenna elettricamente chjuca direttamente adattata à u raddrizzatore. (f) Antenna à banda unica, elettricamente grande cù impedenza cumplessa per cunghjungisce cù u raddrizzatore. (g) Rectenna à banda larga cù impedenza cumplessa per cunghjungisce cù u raddrizzatore annantu à una gamma di frequenze.
Mentre chì u WPT è u RFEH ambientale da un'alimentazione dedicata sò diverse applicazioni di rectenna, ottene una currispundenza end-to-end trà l'antenna, u raddrizzatore è u caricu hè fundamentale per ottene una alta efficienza di cunversione di putenza (PCE) da una perspettiva di larghezza di banda. Tuttavia, e rectenna WPT si focalizanu di più nantu à ottene una currispundenza di fattori di qualità più alta (S11 più bassa) per migliurà u PCE à banda unica à certi livelli di putenza (tupulugie a, e è f). L'ampia larghezza di banda di u WPT à banda unica migliora l'immunità di u sistema à a detunazione, i difetti di fabricazione è i parassiti di l'imballaggio. D’altronde, e rectenna RFEH danu priorità à u funziunamentu multibanda è appartenenu à e tupulugie bd è g, postu chì a densità spettrale di putenza (PSD) di una banda unica hè generalmente più bassa.
3. Cuncepimentu di l'antenna rettangulare
1. Rectenna à frequenza unica
A cuncepzione di l'antenna di rectenna à frequenza unica (topologia A) hè principalmente basata annantu à a cuncepzione standard di l'antenna, cum'è a polarizazione lineare (LP) o a polarizazione circulare (CP) chì irradia un patch nantu à u pianu di terra, l'antenna dipolo è l'antenna F invertita. A rectenna à banda differenziale hè basata annantu à una matrice di cumbinazione DC cunfigurata cù parechje unità d'antenna o una cumbinazione mista DC è RF di parechje unità di patch.
Siccomu parechje di l'antenne pruposte sò antenne à frequenza unica è rispondenu à i requisiti di WPT à frequenza unica, quandu si cerca RFEH multifrequenza ambientale, parechje antenne à frequenza unica sò cumminate in rectenne multibanda (topologia B) cù soppressione di l'accoppiamentu mutuale è cumbinazione DC indipendente dopu u circuitu di gestione di l'alimentazione per isolalli cumpletamente da u circuitu di acquisizione è cunversione RF. Questu richiede parechji circuiti di gestione di l'alimentazione per ogni banda, ciò chì pò riduce l'efficienza di u convertitore boost perchè a putenza DC di una sola banda hè bassa.
2. Antenne RFEH multibanda è à banda larga
L'RFEH ambientale hè spessu assuciatu à l'acquisizione multibanda; dunque, una varietà di tecniche sò state pruposte per migliurà a larghezza di banda di i disinni di antenne standard è i metudi per furmà schiere di antenne à doppia banda o à banda. In questa sezione, esaminemu i disinni di antenne persunalizati per RFEH, è ancu antenne multibanda classiche cù u putenziale per esse aduprate cum'è rectenna.
L'antenne monopolari à guida d'onda coplanare (CPW) occupanu menu superficia chè l'antenne patch à microstrip à a listessa frequenza è producenu onde LP o CP, è sò spessu aduprate per rectenne ambientali à banda larga. I piani di riflessione sò aduprati per aumentà l'isolamentu è migliurà u guadagnu, risultendu in mudelli di radiazione simili à l'antenne patch. L'antenne à guida d'onda coplanare à fessure sò aduprate per migliurà e larghezze di banda d'impedenza per bande di frequenza multiple, cum'è 1,8-2,7 GHz o 1-3 GHz. L'antenne à fessure alimentate accoppiate è l'antenne patch sò ancu cumunemente aduprate in i disinni di rectenne multibanda. A Figura 3 mostra alcune antenne multibanda riportate chì utilizanu più di una tecnica di miglioramentu di a larghezza di banda.
Figura 3
Corrispondenza d'impedenza antenna-raddrizzatore
L'abbinamentu di un'antenna di 50Ω à un raddrizzatore non lineare hè difficiule perchè a so impedenza d'ingressu varia assai cù a frequenza. In e topologie A è B (Figura 2), a rete di adattamentu cumuna hè un adattamentu LC chì usa elementi lumped; tuttavia, a larghezza di banda relativa hè generalmente più bassa di a maiò parte di e bande di cumunicazione. L'adattamentu di stub à banda unica hè cumunemente adupratu in e bande di microonde è d'onde millimetriche sottu à 6 GHz, è e rectenne à onde millimetriche riportate anu una larghezza di banda intrinsecamente stretta perchè a so larghezza di banda PCE hè limitata da a soppressione armonica di uscita, ciò chì li rende particularmente adatti per l'applicazioni WPT à banda unica in a banda senza licenza di 24 GHz.
I rectenna in e topologie C è D anu rete di currispundenza più cumplesse. Rete di currispundenza di linea cumpletamente distribuite sò state pruposte per a currispundenza à banda larga, cù un bloccu RF/cortu circuitu DC (filtru di passaghju) à u portu di uscita o un condensatore di bloccu DC cum'è percorsu di ritornu per l'armoniche di i diodi. I cumpunenti di u raddrizzatore ponu esse rimpiazzati da condensatori interdigitati nantu à circuiti stampati (PCB), chì sò sintetizati cù strumenti di automatizazione di cuncepimentu elettronicu cummerciali. Altre rete di currispundenza di rectenna à banda larga segnalate combinanu elementi raggruppati per a currispundenza à frequenze più basse è elementi distribuiti per creà un cortu circuitu RF à l'entrata.
A variazione di l'impedenza d'entrata osservata da u caricu attraversu una fonte (cunnisciuta cum'è a tecnica source-pull) hè stata aduprata per cuncepisce un raddrizzatore à banda larga cù una larghezza di banda relativa di 57% (1,25-2,25 GHz) è un PCE 10% più altu paragunatu à i circuiti lumped o distribuiti. Ancu s'è e rete di adattamentu sò tipicamente cuncepite per currisponde à l'antenne nantu à tutta a larghezza di banda di 50 Ω, ci sò rapporti in a literatura induve l'antenne à banda larga sò state cunnesse à raddrizzatori à banda stretta.
E rete ibride di currispundenza à elementi lumped è à elementi distribuiti sò state largamente aduprate in e topologie C è D, cù l'induttori in serie è i condensatori chì sò l'elementi lumped più cumunamente aduprati. Quessi evitanu strutture cumplesse cum'è i condensatori interdigitati, chì richiedenu una modellazione è una fabricazione più accurate cà e linee microstrip standard.
A putenza d'ingressu à u raddrizzatore affetta l'impedenza d'ingressu per via di a non linearità di u diodu. Dunque, a rectenna hè cuncipita per massimizà u PCE per un livellu specificu di putenza d'ingressu è impedenza di carica. Siccomu i diodi sò principalmente capacitivi d'alta impedenza à frequenze inferiori à 3 GHz, e rectenna à banda larga chì eliminanu e rete di adattamentu o minimizanu i circuiti di adattamentu simplificati sò state focalizate nantu à frequenze Prf> 0 dBm è sopra à 1 GHz, postu chì i diodi anu una bassa impedenza capacitiva è ponu esse ben adattati à l'antenna, evitendu cusì a cuncepzione di antenne cù reattanze d'ingressu > 1.000 Ω.
L'adattazione d'impedenza adattativa o riconfigurabile hè stata vista in e rectene CMOS, induve a rete di adattazione hè custituita da banchi di condensatori è induttori on-chip. Sò state ancu pruposte reti di adattazione CMOS statiche per antenne standard da 50 Ω, è ancu antenne ad anello co-progettate. Hè statu signalatu chì i rilevatori di putenza CMOS passivi sò aduprati per cuntrullà l'interruttori chì dirigenu l'uscita di l'antenna à diversi raddrizzatori è reti di adattazione secondu a putenza dispunibule. Hè stata pruposta una rete di adattazione riconfigurabile chì utilizza condensatori sintonizzabili à lumped, chì hè sintonizzata per mezu di una sintonizazione fine mentre si misura l'impedenza d'ingressu utilizendu un analizzatore di rete vettoriale. In e reti di adattazione microstrip riconfigurabili, l'interruttori à transistor à effettu di campu sò stati aduprati per aghjustà i stub di adattazione per ottene caratteristiche à doppia banda.
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Data di publicazione: 9 d'aostu 2024
