1. Кереш сүз
Радиоешлык (RF) энергия җыю (RFE) һәм нурланышлы сымсыз энергия тапшыру (WPT) батареясыз тотрыклы сымсыз челтәрләргә ирешү ысуллары буларак зур кызыксыну уятты. Ректенналар WPT һәм RFEH системаларының нигез ташы булып тора һәм йөкләнешкә бирелгән даими ток көченә зур йогынты ясый. Ректеннаның антенна элементлары җыю нәтиҗәлелегенә турыдан-туры йогынты ясый, бу җыю көчен берничә зурлыкка үзгәртә ала. Бу мәкаләдә WPT һәм тирә-юньдәге RFEH кушымталарында кулланылган антенна конструкцияләре карала. Хәбәр ителгән ректенналар ике төп критерий буенча классификацияләнә: антеннаны төзәтүче импеданс полосасы һәм антеннаның нурланыш үзенчәлекләре. Һәр критерий өчен төрле кушымталар өчен сыйфат күрсәткече (FoM) билгеләнә һәм чагыштырмача карала.
WPT XX гасыр башында Тесла тарафыннан меңләгән ат көчен тапшыру ысулы буларак тәкъдим ителде. RF энергиясен җыю өчен турылаткычка тоташтырылган антеннаны сурәтләүче ректенна термины 1950 елларда космик микродулкынлы энергия тапшыру кушымталары һәм автоном дроннарны эшләтеп җибәрү өчен барлыкка килде. Озак юнәлешле WPT таралу мохитенең (һаваның) физик үзенчәлекләре белән чикләнә. Шуңа күрә коммерция WPT, нигездә, сымсыз кулланучы электроникасы зарядкасы яки RFID өчен якын кыр нурланышсыз энергия тапшыру белән чикләнә.
Ярымүткәргеч җайланмаларның һәм сымсыз сенсор төеннәренең энергия куллануы кими барган саен, сенсор төеннәрен әйләнә-тирәдәге RFH яки таратылган аз куәтле күп юнәлешле тапшыргычлар ярдәмендә көчәйтү мөмкинрәк була бара. Аеруча аз куәтле сымсыз көч системалары гадәттә RF алу алгы өлешеннән, даими ток көч һәм хәтер белән идарә итүдән, шулай ук аз куәтле микропроцессор һәм кабул итүче-тапшыргычтан тора.
1 нче рәсемдә RFEH чыбыксыз төен архитектурасы һәм еш хәбәр ителгән RF фронт-end реализацияләре күрсәтелгән. Чыбыксыз электр системасының һәм синхронлаштырылган чыбыксыз мәгълүмат һәм электр тапшыру челтәренең архитектурасының тулы нәтиҗәлелеге аерым компонентларның, мәсәлән, антенналарның, турылаткычларның һәм электр белән идарә итү схемаларының эшчәнлегенә бәйле. Системаның төрле өлешләре өчен берничә әдәбият тикшеренүе үткәрелде. 1 нче таблицада электрны үзгәртү этабы, электрны нәтиҗәле үзгәртү өчен төп компонентлар һәм һәр өлеш өчен бәйле әдәбият тикшеренүләре кыскача күрсәтелгән. Соңгы әдәбият электрны үзгәртү технологиясенә, турылаткыч топологияләренә яки челтәргә бәйле RFEHга юнәлтелгән.
1 нче рәсем
Шулай да, антенна дизайны RFEHда мөһим компонент буларак каралмый. Кайбер әдәбиятта антеннаның полоса киңлеге һәм нәтиҗәлелеге гомуми яки антеннаның конкрет дизайны ягыннан, мәсәлән, миниатюрлаштырылган яки киелә торган антенналар ягыннан каралса да, кайбер антенна параметрларының энергия кабул итү һәм үзгәртү нәтиҗәлелегенә йогынтысы җентекләп анализланмый.
Бу мәкаләдә RFEH һәм WPT антенна дизайнына хас кыенлыкларны стандарт элемтә антеннасы дизайныннан аеру максатыннан ректенналарда антенна дизайны ысуллары карала. Антенналар ике яктан чагыштырыла: очтан очка импеданс туры килүе һәм нурланыш үзенчәлекләре; һәр очракта да FoM иң заманча (SoA) антенналарда билгеләнә һәм карала.
2. Полоса киңлеге һәм туры китерү: 50Ω булмаган RF челтәрләре
50Ω характерлы импедансы микродулкынлы инженерия кушымталарында көчәнеш һәм көч арасындагы компромиссның башлангыч карашы булып тора. Антенналарда импеданс полосасы чагылыш көче 10% тан кимрәк булган ешлык диапазоны буларак билгеләнә (S11< − 10 дБ). Түбән шау-шулы көчәйткечләр (LNA), көчәнешле көчәйткечләр һәм детекторлар гадәттә 50Ω керү импедансы туры килүе белән эшләнгәнлектән, гадәттә 50Ω чыганагы сылтама белән кулланыла.
Ректеннада антенна чыгышы турыдан-туры турылаткычка бирелә, һәм диодның сызыксызлыгы керү импедансында зур үзгәрешләргә китерә, сыйдырышлы компонент өстенлек итә. 50Ω антеннаны фаразлап, төп кыенлык - керү импедансын кызыксыну ешлыгындагы турылаткычның импедансына үзгәртү һәм аны билгеле бер көч дәрәҗәсе өчен оптимальләштерү өчен өстәмә RF туры килү челтәрен проектлау. Бу очракта, RF-тан даими токка нәтиҗәле үзгәртүне тәэмин итү өчен очтан очка импеданс полосасы кирәк. Шуңа күрә, антенналар периодик элементлар яки үз-үзен тулыландыручы геометрия ярдәмендә теоретик яктан чиксез яки ультракиң полоса киңлегенә ирешә алса да, ректеннаның полоса киңлеге турылаткыч туры килү челтәре тарафыннан кысылачак.
Бер диапазонлы һәм күп диапазонлы җыюга яки WPTга ирешү өчен берничә ректенна топологиясе тәкъдим ителде, алар чагылышларны минимальләштерү һәм антенна һәм турылаткыч арасында көч тапшыруны максимальләштерү юлы белән башкарыла. 2 нче рәсемдә импеданс туры китерү архитектурасы буенча төркемләнгән хәбәр ителгән ректенна топологияләренең структуралары күрсәтелгән. 2 нче таблицада һәр категория өчен очтан очка полоса киңлегенә (бу очракта FoM) карата югары җитештерүчән ректенналарның мисаллары күрсәтелгән.
2 нче рәсем. Полоса киңлеге һәм импеданс туры килү ягыннан ректенна топологияләре. (а) Стандарт антенналы бер диапазонлы ректенна. (б) Бер турылаткычлы һәм диапазонга туры килүче челтәрле күп диапазонлы ректенна (берничә үзара тоташтырылган антеннадан тора). (в) Һәр диапазон өчен берничә RF порты һәм аерым туры килүче челтәрләре булган киң диапазонлы ректенна. (г) Киң диапазонлы антенналы һәм киң диапазонлы туры килүче челтәрле киң диапазонлы ректенна. (д) Турылаткычка турыдан-туры туры китерелгән электр ягыннан кечкенә антеннаны кулланучы бер диапазонлы ректенна. (е) Турылаткыч белән конъюгацияләнү өчен катлаулы импеданслы бер диапазонлы, электр ягыннан зур антенна. (г) Төрле ешлыклар диапазонында турылаткыч белән конъюгацияләнү өчен катлаулы импеданслы киң диапазонлы ректенна.
WPT һәм махсус тукланудан алынган ambient RFH төрле ректенна кушымталары булса да, антенна, турылаткыч һәм йөкләнеш арасында очтан-очка туры килүгә ирешү, полоса киңлеге ягыннан югары көч үзгәртү нәтиҗәлелегенә (PCE) ирешү өчен бик мөһим. Шуңа да карамастан, WPT ректенналары билгеле бер көч дәрәҗәләрендә (a, e һәм f топологияләре) бер диапазонлы PCEны яхшырту өчен югарырак сыйфатлы фактор туры килүенә (түбәнрәк S11) күбрәк игътибар итә. Бер диапазонлы WPTның киң полоса киңлеге системаның көйләүдән чыгуга, җитештерү җитешсезлекләренә һәм упаковка паразитларына каршы торучанлыгын яхшырта. Икенче яктан, RFH ректенналары күп диапазонлы эшләүгә өстенлек бирә һәм bd һәм g топологияләренә карый, чөнки бер диапазонның көч спектраль тыгызлыгы (PSD) гадәттә түбәнрәк.
3. Турыпочмаклы антенна дизайны
1. Бер ешлыклы ректенна
Бер ешлыклы ректеннаның (топология А) антенна дизайны, нигездә, стандарт антенна дизайнына нигезләнгән, мәсәлән, җир яссылыгында сызыклы поляризация (LP) яки түгәрәк поляризация (CP) нурландыручы патч, диполь антенна һәм инверсияләнгән F антенна. Дифференциаль полосалы ректенна берничә антенна җайланмасы белән конфигурацияләнгән даими ток комбинациясе массивына яки берничә патч җайланмасының катнаш даими ток һәм радиоешлык комбинациясенә нигезләнгән.
Тәкъдим ителгән антенналарның күбесе бер ешлыклы антенналар булганлыктан һәм бер ешлыклы WPT таләпләренә туры килгәнлектән, әйләнә-тирә мохит өчен күп ешлыклы RFH эзләгәндә, берничә бер ешлыклы антенналар күп диапазонлы ректенналарга (B топологиясе) берләштерелә, алар үзара тоташуны бастыру һәм көч белән идарә итү схемасыннан соң бәйсез даими ток комбинациясе белән аларны RF алу һәм үзгәртү схемасыннан тулысынча аеру өчен кулланыла. Бу һәр диапазон өчен берничә көч белән идарә итү схемасын таләп итә, бу көчәйтү конвертерының нәтиҗәлелеген киметергә мөмкин, чөнки бер диапазонның даими ток көче түбән.
2. Күп диапазонлы һәм киң полосалы RFEH антенналары
Әйләнә-тирә мохит RFH еш кына күп диапазонлы алу белән бәйле; шуңа күрә стандарт антенна конструкцияләренең полоса киңлеген яхшырту өчен төрле ысуллар һәм ике диапазонлы яки диапазонлы антенна массивларын формалаштыру ысуллары тәкъдим ителде. Бу бүлектә без RFH өчен махсус антенна конструкцияләрен, шулай ук ректенналар буларак кулланылырга мөмкин булган классик күп диапазонлы антенналарны карыйбыз.
Копланар дулкын үткәргеч (CPW) монополь антенналары бер үк ешлыктагы микрополосалы патч антенналарына караганда азрак мәйдан били һәм LP яки CP дулкыннарын чыгара, һәм еш кына киң полосалы мохит ректенналары өчен кулланыла. Чагылыш яссылыклары изоляцияне арттыру һәм көчәйтүне яхшырту өчен кулланыла, нәтиҗәдә патч антенналарына охшаш нурланыш үрнәкләре барлыкка килә. Тишекле копланар дулкын үткәргеч антенналары 1,8–2,7 ГГц яки 1–3 ГГц кебек күп ешлык диапазоннары өчен импеданс полосасын яхшырту өчен кулланыла. Берләштерелгән тукланулы уя антенналары һәм патч антенналары шулай ук күп диапазонлы ректенна конструкцияләрендә еш кулланыла. 3 нче рәсемдә бердән артык полоса киңлеген яхшырту ысулын кулланучы кайбер хәбәр ителгән күп диапазонлы антенналар күрсәтелгән.
3 нче рәсем
Антенна-Тугызгыч Импеданс Тигезләү
50Ω антеннаны сызыклы булмаган турылаткычка туры китерү катлаулы, чөнки аның керү импедансы ешлыкка карап бик нык үзгәрә. А һәм В топологияләрендә (2 нче рәсем), гадәти туры китерү челтәре - тупланган элементлар кулланып LC туры килүе; ләкин, чагыштырмача үткәрүчәнлек киңлеге гадәттә күпчелек элемтә диапазоннарына караганда түбәнрәк. Бер диапазонлы туры китерү гадәттә 6 ГГц тан түбән микродулкынлы һәм миллиметр дулкынлы диапазоннарда кулланыла, һәм хәбәр ителгән миллиметр дулкынлы ректенналар тар үткәрүчәнлеккә ия, чөнки аларның PCE үткәрүчәнлеге чыгу гармоник бастыру белән чикләнгән, бу аларны 24 ГГц лицензиясез диапазонда бер диапазонлы WPT кушымталары өчен аеруча кулай итә.
C һәм D топологияләрендәге ректенналар катлаулырак туры килү челтәрләренә ия. Тулы таралган линия туры килү челтәрләре киң полосалы туры килү өчен тәкъдим ителде, чыгыш портында RF блок/DC кыска ялганышы (үткәргеч фильтр) яки диод гармоникалары өчен кире кайту юлы буларак DC блоклаучы конденсатор белән. Турылатучы компонентларны коммерция электрон проектлау автоматизациясе кораллары ярдәмендә синтезланган басма схема платасы (PCB) үзара цифрлы конденсаторлар белән алыштырырга мөмкин. Башка хәбәр ителгән киң полосалы ректенна туры килү челтәрләре түбән ешлыкларга туры килү өчен тупланган элементларны һәм керүдә RF кыска ялганышы булдыру өчен таратылган элементларны берләштерә.
Чыганак аша йөкләнеш күзәткән керү импедансын үзгәртү (чыганак-тарту техникасы дип атала) 57% чагыштырмача полоса киңлегенә (1,25–2,25 ГГц) һәм берләштерелгән яки таратылган схемалар белән чагыштырганда 10% югарырак PCE белән киң полосалы турылаткыч проектлау өчен кулланылган. Тигезләштерелгән челтәрләр гадәттә антенналарны бөтен 50Ω полоса киңлеге буенча туры китерерлек итеп эшләнгән булса да, әдәбиятта киң полосалы антенналарның тар полосалы турылаткычларга тоташтырылганлыгы турында хәбәрләр бар.
Гибрид тупланган элементлы һәм таратылган элементлы туры килү челтәрләре C һәм D топологияләрендә киң кулланыла, иң еш кулланыла торган тупланган элементлар - бер-бер артлы индукторлар һәм конденсаторлар. Алар стандарт микрополоса линияләренә караганда төгәлрәк модельләштерү һәм җитештерүне таләп итә торган саннар арасындагы конденсаторлар кебек катлаулы структуралардан кача.
Диодның сызыклы булмаганлыгы аркасында турылаткычка керү көче керү импедансына тәэсир итә. Шуңа күрә, ректенна билгеле бер керү көче дәрәҗәсе һәм йөкләнеш импедансы өчен PCEны максимальләштерү өчен эшләнгән. Диодлар, нигездә, 3 ГГц тан түбән ешлыкларда сыйдырышлы югары импеданс булганлыктан, туры килү челтәрләрен бетерә яки гадиләштерелгән туры килү схемаларын минимальләштерә торган киң полосалы ректенналар Prf>0 дБм һәм 1 ГГц тан югары ешлыкларга юнәлтелгән, чөнки диодлар түбән сыйдырышлы импеданска ия һәм антеннага яхшы туры китереп була, шуның белән керү реактивлары >1000 Ом булган антенналар проектыннан кача.
CMOS турыпочмакларында адаптив яки яңадан конфигурацияләнә торган импеданс туры килүе күзәтелде, анда туры килү челтәре чиптагы конденсатор банкларыннан һәм индукторлардан тора. Статик CMOS туры килү челтәрләре шулай ук стандарт 50Ω антенналар өчен, шулай ук бергәләп эшләнгән элмәк антенналары өчен тәкъдим ителде. Пассив CMOS көч детекторлары антенна чыгышын төрле турылаткычларга һәм туры килү челтәрләренә юнәлтүче ачкычларны контрольдә тоту өчен кулланыла дип хәбәр ителде, бу мөмкин булган көчкә бәйле. Вектор челтәр анализаторы ярдәмендә керү импедансын үлчәгәндә нечкә көйләү юлы белән көйләнә торган берләштерелгән көйләнүче конденсаторларны кулланып яңадан конфигурацияләнә торган туры килү челтәре тәкъдим ителде. Яңадан конфигурацияләнә торган микрополосалы туры килү челтәрләрендә, ике полосалы характеристикаларга ирешү өчен туры килү нокталарын көйләү өчен кыр эффекты транзистор ачкычлары кулланылды.
Антенналар турында күбрәк белер өчен, зинһар, түбәндәге сайтларга керегез:
Бастырылган вакыты: 2024 елның 9 августы
