1.Utangulizi
Uvunaji wa nishati ya masafa ya redio (RF) (RFEH) na uhamishaji wa nishati isiyo na waya (WPT) umevutia watu wengi kama mbinu za kufikia mitandao endelevu ya wireless isiyo na betri. Rekta ni msingi wa mifumo ya WPT na RFEH na zina athari kubwa kwa nishati ya DC inayoletwa kwenye mzigo. Vipengele vya antenna vya rectenna huathiri moja kwa moja ufanisi wa kuvuna, ambayo inaweza kutofautiana nguvu ya kuvuna kwa amri kadhaa za ukubwa. Karatasi hii inakagua miundo ya antena iliyotumika katika WPT na programu tulivu za RFEH. Rectenna zilizoripotiwa zimeainishwa kulingana na vigezo kuu viwili: antena ya kurekebisha kipimo cha uzuiaji na sifa za mionzi ya antenna. Kwa kila kigezo, takwimu ya sifa (FoM) kwa ajili ya maombi tofauti hubainishwa na kukaguliwa kwa kulinganisha.
WPT ilipendekezwa na Tesla mwanzoni mwa karne ya 20 kama njia ya kusambaza maelfu ya nguvu za farasi. Neno rectenna, ambalo linaelezea antena iliyounganishwa na kirekebishaji ili kuvuna nishati ya RF, liliibuka katika miaka ya 1950 kwa utumaji wa usambazaji wa nguvu za microwave na kuwasha droni zinazojiendesha. Omnidirectional, WPT ya masafa marefu inakabiliwa na mali ya kimwili ya njia ya uenezi (hewa). Kwa hivyo, WPT ya kibiashara inadhibitiwa zaidi na uhamishaji wa umeme usio na mionzi wa karibu wa uga kwa kuchaji vifaa vya kielektroniki vya watumiaji bila waya au RFID.
Kadiri matumizi ya nguvu ya vifaa vya semicondukta na nodi za vitambuzi visivyotumia waya zinavyoendelea kupungua, inakuwa rahisi zaidi kuweka vihisi vya nishati kwa kutumia RFEH iliyoko au kutumia visambazaji visambazaji vya omnidirectional vyenye nguvu ya chini vilivyosambazwa. Mifumo ya nishati isiyotumia waya yenye nguvu ya chini kwa kawaida huwa na ncha ya mbele ya upataji wa RF, nguvu za DC na usimamizi wa kumbukumbu, na kichakataji cha nguvu kidogo na kipitishio sauti.
Kielelezo cha 1 kinaonyesha usanifu wa nodi isiyotumia waya ya RFEH na utekelezwaji wa mwisho wa mbele wa RF unaoripotiwa. Ufanisi wa mwisho hadi mwisho wa mfumo wa nishati isiyotumia waya na usanifu wa habari zisizotumia waya zilizosawazishwa na mtandao wa uhamishaji nishati hutegemea utendakazi wa vipengele mahususi, kama vile antena, virekebishaji na saketi za usimamizi wa nishati. Tafiti nyingi za fasihi zimefanywa kwa sehemu mbalimbali za mfumo. Jedwali la 1 linatoa muhtasari wa hatua ya ubadilishaji nishati, vipengee muhimu vya ubadilishaji wa nishati kwa ufanisi, na tafiti zinazohusiana na maandiko kwa kila sehemu. Fasihi ya hivi majuzi inaangazia teknolojia ya ubadilishaji nishati, topolojia za kurekebisha, au RFEH inayofahamu mtandao.
Kielelezo cha 1
Walakini, muundo wa antena hauzingatiwi kama sehemu muhimu katika RFEH. Ingawa baadhi ya fasihi huzingatia kipimo data cha 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 hauchanganuwi kwa undani.
Karatasi hii inakagua mbinu za uundaji wa antena katika rektasi kwa lengo la kutofautisha changamoto za muundo wa antena za RFEH na WPT kutoka kwa muundo wa kawaida wa antena. Antena zinalinganishwa kutoka kwa mitazamo miwili: ulinganifu wa mwisho hadi mwisho wa impedance na sifa za mionzi; katika kila kisa, FoM inatambulika na kukaguliwa katika antena za hali ya juu (SoA).
2. Bandwidth na Kulingana: Mitandao ya RF Isiyo ya 50Ω
Uzuiaji wa sifa wa 50Ω ni uzingatiaji wa mapema wa maelewano kati ya upunguzaji na nguvu katika utumizi wa uhandisi wa microwave. Katika antena, kipimo data cha kizuizi kinafafanuliwa kama masafa ya masafa ambapo nguvu iliyoakisiwa ni chini ya 10% (S11< - 10 dB). Kwa kuwa vikuza kelele za chini (LNAs), vikuza nguvu, na vigunduzi kwa kawaida huundwa kwa ulinganifu wa pembejeo wa 50Ω, chanzo cha 50Ω kinarejelewa jadi.
Katika rectenna, pato la antenna hutolewa moja kwa moja kwenye kirekebishaji, na kutokuwepo kwa usawa wa diode husababisha tofauti kubwa katika impedance ya pembejeo, na sehemu ya capacitive inatawala. Kwa kuchukulia antena 50Ω, changamoto kuu ni kubuni mtandao wa ziada unaolingana wa RF ili kubadilisha kizuizi cha ingizo kuwa kizuizi cha kirekebishaji kwa marudio ya riba na kuiboresha kwa kiwango mahususi cha nishati. Katika kesi hii, kipimo data cha mwisho hadi mwisho kinahitajika ili kuhakikisha ubadilishaji bora wa RF hadi DC. Kwa hivyo, ingawa antena zinaweza kufikia kipimo data cha kinadharia au pana zaidi kwa kutumia vipengele vya muda au jiometri inayosaidiana, kipimo data cha rektasi kitazuiliwa na mtandao unaolingana wa kirekebishaji.
Topolojia kadhaa za rektamu zimependekezwa kufikia uvunaji wa bendi moja na bendi nyingi au WPT kwa kupunguza uakisi na kuongeza uhamishaji wa nishati kati ya antena na kirekebishaji. Mchoro wa 2 unaonyesha miundo ya topolojia ya rektasi iliyoripotiwa, iliyoainishwa na usanifu wao wa ulinganifu wa impedance. Jedwali la 2 linaonyesha mifano ya rektasi zenye utendakazi wa hali ya juu kuhusiana na kipimo data cha mwisho hadi mwisho (katika kesi hii, FoM) kwa kila kitengo.
Kielelezo 2 Rectenna topolojia kutoka kwa mtazamo wa bandwidth na uwiano wa impedance. (a) Rektana ya bendi moja yenye antena ya kawaida. (b) Rektana ya bendi nyingi (inayojumuisha antena nyingi zilizounganishwa) yenye kirekebishaji kimoja na mtandao unaolingana kwa kila bendi. (c) Rektana ya Broadband yenye bandari nyingi za RF na mitandao tofauti inayolingana kwa kila bendi. (d) Rektana ya Broadband yenye antena ya broadband na mtandao wa kulinganisha wa broadband. (e) Rektana ya bendi-moja inayotumia antena ndogo ya umeme inayolingana moja kwa moja na kirekebishaji. (f) Antena yenye bendi-moja, kubwa ya umeme yenye kizuizi cha kuungana na kirekebishaji. (g) Rektana ya bendi pana yenye kizuizi changamano ili kuunganishwa na kirekebishaji juu ya masafa mbalimbali.
Ingawa WPT na RFEH iliyoko kutoka kwa mpasho maalum ni programu tofauti za rekta, kufikia ulinganifu wa mwisho hadi mwisho kati ya antena, kirekebishaji na upakiaji ni muhimu ili kufikia ufanisi wa juu wa ubadilishaji wa nishati (PCE) kutoka kwa mtazamo wa kipimo data. Hata hivyo, rektasi za WPT huzingatia zaidi kufikia ulinganifu wa ubora wa juu zaidi (S11 ya chini) ili kuboresha PCE ya bendi moja katika viwango fulani vya nguvu (topolojia a, e na f). Bandwidth pana ya bendi moja ya WPT inaboresha kinga ya mfumo kwa kutenganisha, kasoro za utengenezaji na vimelea vya ufungashaji. Kwa upande mwingine, rectenna za RFEH hutanguliza utendakazi wa bendi nyingi na ni za topolojia bd na g, kwani msongamano wa nguvu wa spectral (PSD) wa bendi moja kwa ujumla ni wa chini.
3. Muundo wa antenna ya mstatili
1. Rectenna ya mzunguko mmoja
Muundo wa antena wa rektamu ya mzunguko mmoja (topolojia A) unategemea hasa muundo wa antena wa kawaida, kama vile ugawanyiko wa mstari (LP) au ugawanyiko wa mviringo (CP) kiraka kinachoangaza kwenye ndege ya chini, antena ya dipole na antena ya F iliyogeuzwa. Rektana ya bendi tofauti inategemea safu mseto ya DC iliyosanidiwa na vitengo vingi vya antena au mchanganyiko wa DC na RF wa vitengo vingi vya kiraka.
Kwa kuwa antena nyingi zinazopendekezwa ni antena za masafa moja na zinakidhi mahitaji ya WPT ya masafa moja, wakati wa kutafuta mazingira ya RFEH ya masafa mengi, antena nyingi za masafa moja huunganishwa kuwa rectenna za bendi nyingi (topolojia B) na ukandamizaji wa kuheshimiana na mchanganyiko wa kujitegemea wa DC baada ya mzunguko wa usimamizi wa nguvu ili kuwatenga kabisa kutoka kwa upatikanaji wa RF na mzunguko wa uongofu. Hii inahitaji saketi nyingi za usimamizi wa nishati kwa kila bendi, ambayo inaweza kupunguza ufanisi wa kibadilishaji cha nyongeza kwa sababu nishati ya DC ya bendi moja iko chini.
2. Antena za bendi nyingi na Broadband RFEH
RFEH ya kimazingira mara nyingi huhusishwa na upataji wa bendi nyingi; kwa hiyo, mbinu mbalimbali zimependekezwa kwa ajili ya kuboresha kipimo data cha miundo ya antena ya kawaida na mbinu za kuunda safu za antena za bendi mbili au bendi. Katika sehemu hii, tunakagua miundo ya antena maalum ya RFEHs, na vile vile antena za bendi nyingi zenye uwezo wa kutumika kama rekta.
Antena za monopole za Coplanar waveguide (CPW) huchukua eneo dogo kuliko antena za kiraka cha mikrostrip kwa masafa sawa na huzalisha mawimbi ya LP au CP, na mara nyingi hutumiwa kwa rektana za kimazingira. Ndege za kuakisi hutumiwa kuongeza kutengwa na kuboresha faida, na kusababisha mifumo ya mionzi sawa na antena za kiraka. Antena za mwongozo wa wimbi la coplanar hutumika kuboresha kipimo data cha mikondo kwa bendi nyingi za masafa, kama vile 1.8–2.7 GHz au 1–3 GHz. Antena zinazolishwa kwa pamoja na antena za kiraka pia hutumiwa kwa kawaida katika miundo ya bendi nyingi ya puru. Kielelezo cha 3 kinaonyesha antena za bendi nyingi zilizoripotiwa ambazo hutumia zaidi ya mbinu moja ya kuboresha kipimo data.
Kielelezo cha 3
Ulinganisho wa Kipingamizi cha Antena-Rectifier
Kulinganisha antena ya 50Ω na kirekebishaji kisicho na mstari ni changamoto kwa sababu kizuizi chake cha kuingiza hutofautiana sana kulingana na marudio. Katika topolojia A na B (Mchoro 2), mtandao unaofanana wa kawaida ni mechi ya LC kwa kutumia vipengele vya lumped; hata hivyo, kipimo data cha jamaa ni kawaida chini kuliko bendi nyingi za mawasiliano. Ulinganishaji wa mbegu za bendi moja hutumiwa kwa kawaida katika mikanda ya mawimbi ya microwave na milimita chini ya GHz 6, na rektana za mawimbi ya milimita zilizoripotiwa zina kipimo data chembamba kwa sababu kipimo data cha PCE kimezuiliwa na ukandamizaji wa sauti ya sauti, ambayo inazifanya zifae haswa kwa- single- bendi ya programu za WPT katika bendi isiyo na leseni ya 24 GHz.
Rekta katika topolojia C na D zina mitandao changamano zaidi inayolingana. Mitandao inayolingana iliyosambazwa kikamilifu imependekezwa kwa ulinganishaji wa broadband, na mzunguko mfupi wa RF block/DC (kichujio cha kupitisha) kwenye mlango wa kutoa umeme au kidhibiti cha kuzuia DC kama njia ya kurejesha sauti za diodi. Vipengele vya kurekebisha vinaweza kubadilishwa na bodi ya mzunguko iliyochapishwa (PCB) capacitors iliyoingiliana, ambayo huunganishwa kwa kutumia zana za kibiashara za uundaji wa kielektroniki. Mitandao mingine iliyoripotiwa ya ulinganifu wa ukanda mpana huchanganya vipengele vilivyobanwa ili kulinganisha na masafa ya chini na vipengee vilivyosambazwa ili kuunda kifupi cha RF kwenye ingizo.
Kubadilisha uzuiaji wa pembejeo unaozingatiwa na mzigo kupitia chanzo (kinachojulikana kama mbinu ya kuvuta chanzo) kumetumiwa kuunda kirekebishaji cha mtandao mpana chenye kipimo data cha 57% (1.25–2.25 GHz) na PCE ya juu 10% ikilinganishwa na saketi zilizobanwa au kusambazwa. . Ingawa mitandao inayolingana kwa kawaida imeundwa ili kulinganisha antena kwenye kipimo data chote cha 50Ω, kuna ripoti katika fasihi ambapo antena za bendi pana zimeunganishwa kwenye virekebishaji bendi nyembamba.
Kipengele mseto cha kuunganisha kipengele na mitandao inayolingana ya vipengele vilivyosambazwa imetumika sana katika topolojia C na D, huku viingilizi vya mfululizo na vipashio vikiwa ndio vipengee vidogo vinavyotumika zaidi. Hizi huepuka miundo changamano kama vile vidhibiti vilivyounganishwa, vinavyohitaji uundaji na uundaji sahihi zaidi kuliko mistari ya kawaida ya mikanda midogo.
Nguvu ya pembejeo kwa rectifier huathiri impedance ya pembejeo kutokana na kutokuwa na mstari wa diode. Kwa hiyo, rectenna imeundwa ili kuongeza PCE kwa kiwango maalum cha nguvu ya pembejeo na impedance ya mzigo. Kwa kuwa diodi kimsingi zina uwezo wa kuzuia kasi ya juu katika masafa ya chini ya 3 GHz, rektana za broadband ambazo huondoa mitandao inayolingana au kupunguza saketi zinazolingana zilizorahisishwa zimelenga masafa Prf>0 dBm na zaidi ya GHz 1, kwa kuwa diodi zina kizuizi cha chini cha uwezo na zinaweza kusawazishwa vyema. kwa antenna, hivyo kuepuka muundo wa antenna na pembejeo majibu >1,000Ω.
Ulinganishaji wa vizuizi unaoweza kubadilika au unaoweza kusanidiwa upya umeonekana katika rektasi za CMOS, ambapo mtandao unaolingana una benki za on-chip capacitor na inductors. Mitandao tuli ya kulinganisha ya CMOS pia imependekezwa kwa antena za kawaida za 50Ω pamoja na antena za kitanzi zilizoundwa pamoja. Imeripotiwa kuwa vigunduzi vya nguvu vya CMOS visivyotumika hutumiwa kudhibiti swichi zinazoelekeza pato la antena kwa virekebishaji tofauti na mitandao inayolingana kulingana na nguvu inayopatikana. Mtandao unaolingana unaoweza kusanidiwa tena kwa kutumia vidhibiti vinavyosongamana umependekezwa, ambao unarekebishwa kwa urekebishaji mzuri wakati wa kupima kizuizi cha ingizo kwa kutumia kichanganuzi cha mtandao wa vekta. Katika mitandao inayolingana ya mikanda midogo inayoweza kusanidiwa upya, swichi za transistor za athari za uga zimetumika kurekebisha vijiti vinavyolingana ili kufikia sifa za bendi-mbili.
Ili kujifunza zaidi kuhusu antena, tafadhali tembelea:
Muda wa kutuma: Aug-09-2024
