1. Utangulizi
Uvunaji wa nishati ya masafa ya redio (RF) (RFEH) na uhamishaji wa nguvu isiyotumia waya (WPT) vimevutia shauku kubwa kama njia za kufikia mitandao endelevu isiyotumia waya bila betri. Rektena ndio msingi wa mifumo ya WPT na RFEH na zina athari kubwa kwa nguvu ya DC inayotolewa kwenye mzigo. Vipengele vya antena ya rektena huathiri moja kwa moja ufanisi wa uvunaji, ambao unaweza kubadilisha nguvu iliyovunwa kwa viwango kadhaa vya ukubwa. Karatasi hii inakagua miundo ya antena inayotumika katika WPT na matumizi ya RFEH ya kawaida. Rektena zilizoripotiwa zimeainishwa kulingana na vigezo viwili vikuu: kipimo data cha impedance cha kurekebisha antena na sifa za mionzi ya antena. Kwa kila kigezo, takwimu ya sifa (FoM) kwa matumizi tofauti huamuliwa na kukaguliwa kwa kulinganisha.
WPT ilipendekezwa na Tesla mwanzoni mwa karne ya 20 kama njia ya kusambaza maelfu ya farasi. Neno rectenna, linaloelezea antena iliyounganishwa na kirekebishaji ili kuvuna nguvu ya RF, liliibuka katika miaka ya 1950 kwa matumizi ya upitishaji wa nguvu ya microwave ya angani na kuwasha droni zinazojiendesha zenyewe. WPT ya mwelekeo mmoja, ya masafa marefu inazuiliwa na sifa za kimwili za njia ya uenezaji (hewa). Kwa hivyo, WPT ya kibiashara imepunguzwa sana kwa uhamishaji wa nguvu usio na mionzi karibu na uwanja kwa kuchaji vifaa vya elektroniki vya watumiaji visivyotumia waya au RFID.
Kadri matumizi ya nguvu ya vifaa vya nusu-semiconductor na nodi za vitambuzi visivyotumia waya yanavyoendelea kupungua, inakuwa rahisi zaidi kwa nodi za vitambuzi vya nishati kwa kutumia RFEH iliyoko au kutumia vipitishi vya mwelekeo wa kila upande vilivyosambazwa vya nguvu ndogo. Mifumo ya nguvu isiyotumia waya yenye nguvu ndogo sana kwa kawaida huwa na sehemu ya mbele ya upatikanaji wa RF, usimamizi wa nguvu na kumbukumbu ya DC, na kichakataji kidogo na kipitishi cha kupitisha umeme chenye nguvu ndogo.
Mchoro 1 unaonyesha usanifu wa nodi isiyotumia waya ya RFEH na utekelezaji wa mbele wa RF unaoripotiwa mara kwa mara. Ufanisi wa mfumo wa umeme usiotumia waya na usanifu wa mtandao wa habari na uhamishaji wa umeme usiotumia waya uliosawazishwa hutegemea utendaji wa vipengele vya kibinafsi, kama vile antena, virekebishaji, na saketi za usimamizi wa umeme. Uchunguzi kadhaa wa fasihi umefanywa kwa sehemu tofauti za mfumo. Jedwali 1 linatoa muhtasari wa hatua ya ubadilishaji wa umeme, vipengele muhimu vya ubadilishaji wa umeme kwa ufanisi, na tafiti zinazohusiana za fasihi kwa kila sehemu. Machapisho ya hivi karibuni yanazingatia teknolojia ya ubadilishaji wa umeme, topolojia za virekebishaji, au RFEH inayofahamu mtandao.
Mchoro 1
Hata hivyo, muundo wa antena hauzingatiwi kama sehemu muhimu katika RFEH. Ingawa baadhi ya machapisho huzingatia upana wa antena na ufanisi kutoka kwa mtazamo wa jumla au kutoka kwa mtazamo maalum wa muundo wa antena, kama vile antena ndogo au zinazoweza kuvaliwa, athari za vigezo fulani vya antena kwenye upokeaji wa nguvu na ufanisi wa ubadilishaji hazijachambuliwa kwa undani.
Karatasi hii inapitia mbinu za usanifu wa antena katika rektena kwa lengo la kutofautisha changamoto maalum za usanifu wa antena za RFEH na WPT kutoka kwa muundo wa kawaida wa antena za mawasiliano. Antena hulinganishwa kutoka mitazamo miwili: ulinganishaji wa impedansi kutoka mwisho hadi mwisho na sifa za mionzi; katika kila kisa, FoM hutambuliwa na kukaguliwa katika antena za kisasa (SoA).
2. Kipimo data na Ulinganishaji: Mitandao Isiyo ya RF ya 50Ω
Kizuizi cha sifa cha 50Ω ni kuzingatia mapema maelewano kati ya upunguzaji na nguvu katika matumizi ya uhandisi wa microwave. Katika antena, kipimo data cha kizuizi hufafanuliwa kama masafa ya masafa ambapo nguvu inayoakisiwa ni chini ya 10% (S11< − 10 dB). Kwa kuwa vikuza sauti vya chini (LNA), vikuza sauti vya nguvu, na vigunduzi kwa kawaida hubuniwa kwa ulinganisho wa kizuizi cha ingizo cha 50Ω, chanzo cha 50Ω hurejelewa kijadi.
Katika rektena, matokeo ya antena huingizwa moja kwa moja kwenye kirekebishaji, na kutokuwa na mstari wa diode husababisha tofauti kubwa katika kipingamizi cha ingizo, huku sehemu ya uwezo ikitawala. Tukichukulia antena ya 50Ω, changamoto kuu ni kubuni mtandao wa ziada wa ulinganishaji wa RF ili kubadilisha kipingamizi cha ingizo kuwa kipingamizi cha kirekebishaji kwa masafa ya riba na kuiboresha kwa kiwango maalum cha nguvu. Katika hali hii, kipimo data cha kipingamizi cha kuanzia mwanzo hadi mwisho kinahitajika ili kuhakikisha ubadilishaji mzuri wa RF hadi DC. Kwa hivyo, ingawa antena zinaweza kufikia kipimo data kisicho na kikomo au upana wa kinadharia kwa kutumia vipengele vya mara kwa mara au jiometri inayojisaidia, kipimo data cha rektena kitazuiwa na mtandao wa ulinganishaji wa kirekebishaji.
Topolojia kadhaa za rektena zimependekezwa ili kufikia uvunaji wa bendi moja na bendi nyingi au WPT kwa kupunguza tafakari na kuongeza uhamishaji wa nguvu kati ya antena na kirekebishaji. Mchoro 2 unaonyesha miundo ya topolojia za rektena zilizoripotiwa, zilizoainishwa kwa usanifu wao wa kulinganisha impedansi. Jedwali 2 linaonyesha mifano ya rektena zenye utendaji wa hali ya juu kuhusiana na kipimo data cha mwisho hadi mwisho (katika kesi hii, FoM) kwa kila kategoria.
Mchoro 2 Topolojia za Rektena kutoka kwa mtazamo wa ulinganishaji wa kipimo data na impedansi. (a) Rektena ya bendi moja yenye antena ya kawaida. (b) Rektena ya bendi nyingi (iliyoundwa na antena nyingi zilizounganishwa pande zote) zenye kirekebishaji kimoja na mtandao unaolingana kwa kila bendi. (c) Rektena ya bendi pana yenye milango mingi ya RF na mitandao tofauti inayolingana kwa kila bendi. (d) Rektena ya bendi pana yenye antena ya bendi pana na mtandao unaolingana wa bendi pana. (e) Rektena ya bendi moja inayotumia antena ndogo ya kielektroniki inayolingana moja kwa moja na kirekebishaji. (f) Antena ya bendi moja, kubwa ya kielektroniki yenye impedansi changamano ya kuungana na kirekebishaji. (g) Rektena ya bendi pana yenye impedansi changamano ya kuungana na kirekebishaji katika masafa mbalimbali.
Ingawa WPT na RFEH iliyoko kutoka kwa mlisho maalum ni matumizi tofauti ya rektena, kufikia ulinganisho wa mwisho hadi mwisho kati ya antena, kirekebishaji na mzigo ni muhimu ili kufikia ufanisi wa ubadilishaji wa nguvu ya juu (PCE) kutoka kwa mtazamo wa kipimo data. Hata hivyo, rektena za WPT huzingatia zaidi kufikia ulinganisho wa vipengele vya ubora wa juu (S11 ya chini) ili kuboresha PCE ya bendi moja katika viwango fulani vya nguvu (topolojia a, e na f). Kipimo data pana cha WPT ya bendi moja huboresha kinga ya mfumo dhidi ya utenganishaji, kasoro za utengenezaji na vimelea vya ufungashaji. Kwa upande mwingine, rektena za RFEH hupa kipaumbele uendeshaji wa bendi nyingi na ni mali ya topolojia bd na g, kwani msongamano wa nguvu ya wigo (PSD) wa bendi moja kwa ujumla ni mdogo.
3. Muundo wa antena ya mstatili
1. Rektena ya masafa moja
Muundo wa antena wa rektena ya masafa moja (topolojia A) unategemea zaidi muundo wa kawaida wa antena, kama vile upolarishaji wa mstari (LP) au kiraka kinachotoa mionzi ya duara (CP) kwenye ndege ya ardhini, antena ya dipole na antena ya F iliyogeuzwa. Rektena ya bendi tofauti inategemea safu ya mchanganyiko wa DC iliyosanidiwa na vitengo vingi vya antena au mchanganyiko wa DC na RF wa vitengo vingi vya kiraka.
Kwa kuwa antena nyingi zilizopendekezwa ni antena za masafa moja na zinakidhi mahitaji ya WPT ya masafa moja, wakati wa kutafuta RFEH ya masafa mengi ya kimazingira, antena nyingi za masafa moja huunganishwa katika rectenna za bendi nyingi (topolojia B) pamoja na kukandamiza kiunganishi cha pamoja na mchanganyiko huru wa DC baada ya saketi ya usimamizi wa nguvu ili kuzitenga kabisa kutoka kwa saketi ya upatikanaji na ubadilishaji wa RF. Hii inahitaji saketi nyingi za usimamizi wa nguvu kwa kila bendi, ambayo inaweza kupunguza ufanisi wa kibadilishaji cha boost kwa sababu nguvu ya DC ya bendi moja ni ndogo.
2. Antena za RFEH zenye bendi nyingi na broadband
RFEH ya kimazingira mara nyingi huhusishwa na upatikanaji wa bendi nyingi; kwa hivyo, mbinu mbalimbali zimependekezwa kwa ajili ya kuboresha kipimo data cha miundo ya kawaida ya antena na mbinu za kuunda safu za antena zenye bendi mbili au bendi mbili. Katika sehemu hii, tunakagua miundo maalum ya antena kwa RFEH, pamoja na antena za kawaida zenye bendi nyingi zenye uwezo wa kutumika kama rektena.
Antena za monopole za mwongozo wa wimbi la Coplanar (CPW) huchukua eneo dogo kuliko antena za kiraka cha microstrip kwa masafa sawa na hutoa mawimbi ya LP au CP, na mara nyingi hutumiwa kwa rektena za mazingira zenye upana wa broadband. Ndege za kuakisi hutumiwa kuongeza kutengwa na kuboresha ongezeko, na kusababisha mifumo ya mionzi sawa na antena za kiraka. Antena za mwongozo wa wimbi la coplanar zilizo na nafasi hutumika kuboresha upana wa impedans kwa bendi nyingi za masafa, kama vile 1.8–2.7 GHz au 1–3 GHz. Antena za nafasi zilizounganishwa na antena za kiraka pia hutumiwa kwa kawaida katika miundo ya rektena za bendi nyingi. Mchoro 3 unaonyesha baadhi ya antena za bendi nyingi zilizoripotiwa ambazo hutumia mbinu zaidi ya moja ya uboreshaji wa upana wa wimbi.
Mchoro 3
Ulinganisho wa Impedans ya Antena-Rectifier
Kulinganisha antena ya 50Ω na kirekebishaji kisicho cha mstari ni changamoto kwa sababu kizuizi chake cha ingizo hutofautiana sana kulingana na marudio. Katika topolojia A na B (Mchoro 2), mtandao wa kawaida wa ulinganishaji ni ulinganishaji wa LC kwa kutumia vipengele vilivyounganishwa; hata hivyo, kipimo data cha jamaa kwa kawaida huwa chini kuliko bendi nyingi za mawasiliano. Ulinganishaji wa stub ya bendi moja hutumiwa sana katika bendi za microwave na wimbi la milimita chini ya 6 GHz, na rectena za wimbi la milimita zilizoripotiwa zina kipimo data kidogo kiasili kwa sababu kipimo data chao cha PCE kimefungwa na ukandamizaji wa harmonic wa pato, ambayo huwafanya wafae hasa kwa matumizi ya WPT ya bendi moja katika bendi isiyo na leseni ya 24 GHz.
Rektena katika topolojia C na D zina mitandao tata zaidi ya ulinganishaji. Mitandao ya ulinganishaji wa laini iliyosambazwa kikamilifu imependekezwa kwa ulinganishaji wa broadband, ikiwa na kizuizi cha RF/saketi fupi ya DC (kichujio cha kupitisha) kwenye lango la kutoa au kipaza sauti cha kuzuia DC kama njia ya kurudi kwa harmoniki za diode. Vipengele vya kirekebishaji vinaweza kubadilishwa na vipaza sauti vilivyounganishwa na bodi ya mzunguko iliyochapishwa (PCB), ambavyo hutengenezwa kwa kutumia zana za kiotomatiki za usanifu wa kielektroniki wa kibiashara. Mitandao mingine ya ulinganishaji wa rektena ya broadband iliyoripotiwa huchanganya vipengele vilivyounganishwa kwa ajili ya ulinganishaji na masafa ya chini na vipengele vilivyosambazwa kwa ajili ya kuunda RF fupi kwenye ingizo.
Kubadilisha kizuizi cha ingizo kinachoonekana na mzigo kupitia chanzo (kinachojulikana kama mbinu ya kuvuta chanzo) kumetumika kubuni kirekebishaji cha broadband chenye kipimo data cha 57% (1.25–2.25 GHz) na PCE ya juu kwa 10% ikilinganishwa na saketi zilizounganishwa au zilizosambazwa. Ingawa mitandao inayolingana kwa kawaida imeundwa ili kulinganisha antena katika kipimo data chote cha 50Ω, kuna ripoti katika machapisho ambapo antena za broadband zimeunganishwa na virekebisha data vya bendi nyembamba.
Mitandao ya kulinganisha vipengele vya mseto vilivyounganishwa na vipengele vilivyosambazwa imetumika sana katika topolojia C na D, huku vichocheo vya mfululizo na vichocheo vikiwa vipengele vya vipengele vilivyounganishwa vikiwa vinavyotumika sana. Hizi huepuka miundo tata kama vile vichocheo vilivyounganishwa, ambavyo vinahitaji uundaji na utengenezaji sahihi zaidi kuliko mistari ya kawaida ya mikrostrip.
Nguvu ya kuingiza kwenye kirekebishaji huathiri kizuizi cha kuingiza kutokana na kutokuwa na mstari wa diode. Kwa hivyo, rektena imeundwa ili kuongeza PCE kwa kiwango maalum cha nguvu ya kuingiza na kizuizi cha mzigo. Kwa kuwa diode kimsingi ni kizuizi cha juu cha uwezo katika masafa chini ya 3 GHz, rektena za broadband ambazo huondoa mitandao inayolingana au kupunguza saketi za kulinganisha zilizorahisishwa zimezingatia masafa Prf>0 dBm na zaidi ya 1 GHz, kwa kuwa diode zina kizuizi cha chini cha uwezo na zinaweza kulinganishwa vizuri na antena, hivyo kuepuka muundo wa antena zenye athari za kuingiza >1,000Ω.
Ulinganishaji wa impedansi unaoweza kubadilika au kusanidiwa upya umeonekana katika rektena za CMOS, ambapo mtandao unaolingana una benki za capacitor na inductors za kwenye chipu. Mitandao tuli ya ulinganishaji wa CMOS pia imependekezwa kwa antena za kawaida za 50Ω pamoja na antena za kitanzi zilizoundwa kwa ushirikiano. Imeripotiwa kuwa vigunduzi vya nguvu vya CMOS visivyotumika hutumika kudhibiti swichi zinazoelekeza utoaji wa antena kwa virekebishaji tofauti na mitandao inayolingana kulingana na nguvu inayopatikana. Mtandao unaolingana unaoweza kusanidiwa upya kwa kutumia capacitors zinazoweza kubadilishwa umependekezwa, ambao hurekebishwa kwa kurekebisha vizuri huku ukipima impedansi ya ingizo kwa kutumia kichambuzi cha mtandao wa vekta. Katika mitandao inayolingana ya microstrip inayoweza kusanidiwa upya, swichi za transistor ya athari ya uwanjani zimetumika kurekebisha vijiti vinavyolingana ili kufikia sifa za bendi mbili.
Ili kujifunza zaidi kuhusu antena, tafadhali tembelea:
Muda wa chapisho: Agosti-09-2024
