1-مقدمه
برداشت انرژی فرکانس رادیویی (RF) و انتقال توان بی‌سیم تابشی (WPT) به عنوان روش‌هایی برای دستیابی به شبکه‌های بی‌سیم پایدار بدون باتری، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. رکتن ها سنگ بنای سیستم های WPT و RFEH هستند و تاثیر قابل توجهی بر توان DC تحویلی به بار دارند. عناصر آنتن رکتنا مستقیماً بر راندمان برداشت تأثیر می‌گذارند، که می‌تواند قدرت برداشت را با چندین مرتبه بزرگی تغییر دهد. این مقاله به بررسی طرح های آنتن بکار رفته در WPT و محیط RFEH می پردازد. رکتن های گزارش شده بر اساس دو معیار اصلی طبقه بندی می شوند: پهنای باند امپدانس تصحیح کننده آنتن و ویژگی های تشعشع آنتن. برای هر معیار، رقم شایستگی (FoM) برای کاربردهای مختلف تعیین و به صورت مقایسه ای بررسی می شود.
WPT در اوایل قرن بیستم توسط تسلا به عنوان روشی برای انتقال هزاران اسب بخار پیشنهاد شد. اصطلاح rectenna که یک آنتن متصل به یکسو کننده برای برداشت توان RF را توصیف می کند، در دهه 1950 برای کاربردهای انتقال نیروی مایکروویو فضایی و برای تامین انرژی پهپادهای خودران پدیدار شد. WPT همه جهته و دوربرد توسط خواص فیزیکی محیط انتشار (هوا) محدود شده است. بنابراین، WPT تجاری عمدتاً به انتقال توان غیر تابشی میدان نزدیک برای شارژ لوازم الکترونیکی مصرفی بی‌سیم یا RFID محدود می‌شود.
همانطور که مصرف برق دستگاه های نیمه هادی و گره های حسگر بی سیم همچنان در حال کاهش است، برای گره های حسگر با استفاده از RFEH محیطی یا استفاده از فرستنده های همه جهته کم مصرف توزیع شده امکان پذیرتر می شود. سیستم‌های قدرت بی‌سیم بسیار کم مصرف معمولاً از یک بخش جلویی اکتسابی RF، مدیریت برق و حافظه DC و یک ریزپردازنده و فرستنده و گیرنده کم مصرف تشکیل شده‌اند.
شکل 1 معماری یک گره بی‌سیم RFEH و پیاده‌سازی‌های فرانت‌اند RF را نشان می‌دهد. کارایی انتها به انتها سیستم قدرت بی سیم و معماری شبکه اطلاعات بی سیم هماهنگ و انتقال نیرو به عملکرد اجزای جداگانه مانند آنتن ها، یکسو کننده ها و مدارهای مدیریت توان بستگی دارد. چندین بررسی ادبیات برای بخش های مختلف سیستم انجام شده است. جدول 1 مرحله تبدیل توان، اجزای کلیدی برای تبدیل توان کارآمد، و بررسی های مربوط به ادبیات مربوط به هر بخش را خلاصه می کند. ادبیات اخیر بر روی فناوری تبدیل توان، توپولوژی های یکسو کننده یا RFEH آگاه از شبکه تمرکز دارد.
شکل 1
با این حال، طراحی آنتن به عنوان یک جزء مهم در RFEH در نظر گرفته نمی شود. اگرچه برخی از ادبیات، پهنای باند و کارایی آنتن را از منظر کلی یا از دیدگاه طراحی آنتن خاص، مانند آنتن‌های کوچک یا پوشیدنی در نظر می‌گیرند، تأثیر برخی پارامترهای آنتن بر دریافت توان و راندمان تبدیل به طور دقیق مورد تجزیه و تحلیل قرار نگرفته است.
این مقاله به بررسی تکنیک‌های طراحی آنتن در rectennas با هدف تمایز چالش‌های طراحی آنتن RFEH و WPT از طراحی آنتن‌های ارتباطی استاندارد می‌پردازد. آنتن ها از دو منظر مقایسه می شوند: تطبیق امپدانس انتها به انتها و ویژگی های تشعشع. در هر مورد، FoM در آنتن های پیشرفته (SoA) شناسایی و بررسی می شود.
2. پهنای باند و تطبیق: شبکه های RF غیر 50Ω
امپدانس مشخصه 50Ω در نظر گرفتن اولیه مصالحه بین تضعیف و توان در کاربردهای مهندسی مایکروویو است. در آنتن ها، پهنای باند امپدانس به عنوان محدوده فرکانسی تعریف می شود که در آن توان بازتابی کمتر از 10٪ است (S11<-10dB). از آنجایی که تقویت‌کننده‌های کم نویز (LNA)، تقویت‌کننده‌های توان و آشکارسازها معمولاً با امپدانس ورودی 50Ω طراحی می‌شوند، به طور سنتی به منبع 50Ω اشاره می‌شود.
در رکتنا، خروجی آنتن مستقیماً به یکسو کننده تغذیه می‌شود و غیرخطی بودن دیود باعث تغییر زیادی در امپدانس ورودی می‌شود و جزء خازنی غالب است. با فرض یک آنتن 50Ω، چالش اصلی طراحی یک شبکه تطبیق RF اضافی برای تبدیل امپدانس ورودی به امپدانس یکسو کننده در فرکانس مورد نظر و بهینه سازی آن برای یک سطح توان خاص است. در این مورد، پهنای باند امپدانس انتها به انتها برای اطمینان از تبدیل کارآمد RF به DC مورد نیاز است. بنابراین، اگرچه آنتن ها می توانند از نظر تئوری به پهنای باند بی نهایت یا فوق گسترده با استفاده از عناصر تناوبی یا هندسه خود مکمل دست یابند، پهنای باند رکتنا توسط شبکه تطبیق کننده یکسو کننده تنگنا خواهد شد.
چندین توپولوژی rectenna برای دستیابی به برداشت تک باند و چند باند یا WPT با به حداقل رساندن بازتاب ها و به حداکثر رساندن انتقال توان بین آنتن و یکسو کننده پیشنهاد شده است. شکل 2 ساختار توپولوژی های rectenna گزارش شده را نشان می دهد که بر اساس معماری تطبیق امپدانس آنها طبقه بندی شده اند. جدول 2 نمونه هایی از رکتناهای با کارایی بالا را با توجه به پهنای باند سرتاسر (در این مورد FoM) برای هر دسته نشان می دهد.
شکل 2 توپولوژی های Rectenna از منظر تطبیق پهنای باند و امپدانس. (الف) رکتن تک باند با آنتن استاندارد. (ب) rectenna چند باند (متشکل از چندین آنتن جفت شده متقابل) با یک یکسو کننده و شبکه منطبق در هر باند. (ج) رکتنا پهن باند با چندین پورت RF و شبکه های منطبق جداگانه برای هر باند. (د) رکتنا پهن باند با آنتن پهن باند و شبکه تطبیق باند پهن. (ه) رکتنای تک باند با استفاده از آنتن کوچک الکتریکی که مستقیماً با یکسو کننده مطابقت دارد. (f) آنتن تک باند، الکتریکی بزرگ با امپدانس پیچیده برای ترکیب با یکسو کننده. (ز) رکتن پهن باند با امپدانس پیچیده برای ترکیب با یکسو کننده در طیف وسیعی از فرکانس ها.
در حالی که WPT و محیط RFEH از خوراک اختصاصی کاربردهای مختلف رکتنا هستند، دستیابی به تطابق انتها به انتها بین آنتن، یکسو کننده و بار برای دستیابی به راندمان تبدیل توان بالا (PCE) از منظر پهنای باند اساسی است. با این وجود، rectennas های WPT بیشتر بر روی دستیابی به تطابق فاکتور با کیفیت بالاتر (S11 پایین تر) برای بهبود PCE تک باند در سطوح توان خاص (توپولوژی های a، e و f) تمرکز می کنند. پهنای باند وسیع WPT تک باند ایمنی سیستم را در برابر جداسازی، نقص‌های تولید و انگل‌های بسته‌بندی بهبود می‌بخشد. از سوی دیگر، رکتناهای RFEH عملیات چند باندی را در اولویت قرار می دهند و به توپولوژی های bd و g تعلق دارند، زیرا چگالی طیفی توان (PSD) یک باند به طور کلی کمتر است.
3. طراحی آنتن مستطیلی
1. رکتنا تک فرکانس
طراحی آنتن رکتنای تک فرکانس (توپولوژی A) عمدتاً بر اساس طراحی استاندارد آنتن است، مانند پلاریزاسیون خطی (LP) یا پلاریزاسیون دایره ای (CP) تابشی وصله در سطح زمین، آنتن دوقطبی و آنتن F معکوس. رکتنا باند دیفرانسیل مبتنی بر آرایه ترکیبی DC است که با واحدهای آنتن چندگانه یا ترکیبی DC و RF مخلوط از واحدهای پچ چندگانه پیکربندی شده است.
از آنجایی که بسیاری از آنتن‌های پیشنهادی آنتن‌های تک فرکانس هستند و الزامات WPT تک فرکانس را برآورده می‌کنند، هنگام جستجوی RFEH چند فرکانسی محیطی، آنتن‌های تک فرکانس متعدد در رست‌تن‌های چند باند (توپولوژی B) با سرکوب جفت متقابل ترکیب می‌شوند و ترکیب DC مستقل پس از مدار مدیریت توان برای جداسازی کامل آنها از مدار جذب و تبدیل RF. این به مدارهای مدیریت توان متعدد برای هر باند نیاز دارد که ممکن است کارایی مبدل تقویت کننده را کاهش دهد زیرا توان DC یک باند واحد کم است.
2. آنتن های RFEH چند باند و پهن باند
RFEH محیطی اغلب با کسب چند باند مرتبط است. بنابراین، تکنیک‌های مختلفی برای بهبود پهنای باند طرح‌های آنتن استاندارد و روش‌های تشکیل آرایه‌های آنتن دو باند یا باند پیشنهاد شده‌اند. در این بخش، طرح‌های آنتن سفارشی برای RFEH و همچنین آنتن‌های چند باند کلاسیک با پتانسیل استفاده به عنوان رکتن را بررسی می‌کنیم.
آنتن های تک قطبی موجبر همسطح (CPW) مساحت کمتری را نسبت به آنتن های پچ میکرواستریپ در فرکانس یکسان اشغال می کنند و امواج LP یا CP را تولید می کنند و اغلب برای رکتن های محیطی باند پهن استفاده می شوند. صفحات بازتابی برای افزایش انزوا و بهبود بهره استفاده می‌شوند که در نتیجه الگوهای تشعشعی شبیه به آنتن‌های پچ است. آنتن های موجبر همسطح شیاردار برای بهبود پهنای باند امپدانس برای باندهای فرکانسی چندگانه مانند 1.8-2.7 گیگاهرتز یا 1-3 گیگاهرتز استفاده می شود. آنتن های شیار کوپل شده و آنتن های پچ نیز معمولاً در طرح های رکتنا چند باند استفاده می شوند. شکل 3 برخی از آنتن های چند باندی گزارش شده را نشان می دهد که از بیش از یک تکنیک بهبود پهنای باند استفاده می کنند.
شکل 3
تطبیق امپدانس آنتن-یکسو کننده
تطبیق یک آنتن 50Ω با یکسو کننده غیرخطی چالش برانگیز است زیرا امپدانس ورودی آن با فرکانس بسیار متفاوت است. در توپولوژی های A و B (شکل 2)، شبکه تطبیق رایج یک تطابق LC با استفاده از عناصر توده ای است. با این حال، پهنای باند نسبی معمولاً کمتر از اکثر باندهای ارتباطی است. تطبیق خرد تک باند معمولاً در باندهای امواج مایکروویو و میلی‌متری زیر 6 گیگاهرتز استفاده می‌شود، و رکتناهای موج میلی‌متری گزارش‌شده دارای پهنای باند ذاتاً باریکی هستند زیرا پهنای باند PCE آنها توسط سرکوب هارمونیک خروجی تنگ می‌شود که آنها را به ویژه برای تک‌ها مناسب می‌کند. باند برنامه های WPT در باند 24 گیگاهرتز بدون مجوز.
رکتناها در توپولوژی های C و D دارای شبکه های تطبیق پیچیده تری هستند. شبکه‌های تطبیق خط کاملاً توزیع‌شده برای تطبیق باند پهن، با یک مدار کوتاه RF/DC (فیلتر عبور) در پورت خروجی یا یک خازن مسدودکننده DC به عنوان مسیر برگشت برای هارمونیک‌های دیود پیشنهاد شده‌اند. اجزای یکسو کننده را می توان با خازن های مدار چاپی (PCB) جایگزین کرد که با استفاده از ابزارهای اتوماسیون طراحی الکترونیکی تجاری سنتز می شوند. دیگر شبکه‌های تطبیق rectenna پهن باند گزارش‌شده عناصر توده‌ای را برای تطبیق با فرکانس‌های پایین‌تر و عناصر توزیع‌شده برای ایجاد یک اتصال RF در ورودی ترکیب می‌کنند.
تغییر امپدانس ورودی مشاهده شده توسط بار از طریق یک منبع (معروف به تکنیک منبع کشش) برای طراحی یکسو کننده باند پهن با پهنای باند نسبی 57% (1.25-2.25 گیگاهرتز) و 10% PCE بالاتر در مقایسه با مدارهای توده ای یا توزیع شده استفاده شده است. . اگرچه شبکه‌های تطبیق معمولاً برای تطبیق آنتن‌ها در کل پهنای باند 50Ω طراحی شده‌اند، گزارش‌هایی در ادبیات وجود دارد که آنتن‌های باند پهن به یکسو کننده‌های باند باریک متصل شده‌اند.
شبکه‌های تطبیق عناصر ترکیبی و عناصر توزیع‌شده به‌طور گسترده در توپولوژی‌های C و D مورد استفاده قرار گرفته‌اند، که سلف‌های سری و خازن‌ها رایج‌ترین عناصر توده‌ای هستند. اینها از ساختارهای پیچیده ای مانند خازن های بین رقمی که نیاز به مدل سازی و ساخت دقیق تری نسبت به خطوط میکرواستریپ استاندارد دارند، جلوگیری می کند.
توان ورودی به یکسو کننده به دلیل غیر خطی بودن دیود بر امپدانس ورودی تأثیر می گذارد. بنابراین، رکتنا برای به حداکثر رساندن PCE برای یک سطح توان ورودی خاص و امپدانس بار طراحی شده است. از آنجایی که دیودها عمدتاً دارای امپدانس خازنی بالا در فرکانس‌های زیر 3 گیگاهرتز هستند، رکتناهای باند پهن که شبکه‌های منطبق را حذف می‌کنند یا مدارهای تطبیق ساده‌شده را به حداقل می‌رسانند، بر فرکانس‌های Prf>0 dBm و بالاتر از 1 گیگاهرتز متمرکز شده‌اند، زیرا دیودها امپدانس خازنی پایینی دارند و می‌توانند به خوبی مطابقت داشته باشند. به آنتن، بنابراین از طراحی آنتن هایی با راکتانس ورودی > 1000Ω جلوگیری می شود.
تطبیق امپدانس تطبیقی یا قابل تنظیم مجدد در CMOS rectennas دیده شده است، جایی که شبکه تطبیق متشکل از بانک های خازن و سلف های روی تراشه است. شبکه‌های تطبیق CMOS استاتیک نیز برای آنتن‌های استاندارد 50Ω و همچنین آنتن‌های حلقه‌ای با طراحی مشترک پیشنهاد شده‌اند. گزارش شده است که آشکارسازهای قدرت غیرفعال CMOS برای کنترل سوئیچ هایی استفاده می شود که خروجی آنتن را بسته به توان موجود به یکسو کننده های مختلف و شبکه های منطبق هدایت می کند. یک شبکه تطبیق قابل تنظیم مجدد با استفاده از خازن های قابل تنظیم توده ای پیشنهاد شده است که با تنظیم دقیق در حین اندازه گیری امپدانس ورودی با استفاده از تحلیلگر شبکه برداری تنظیم می شود. در شبکه‌های تطبیق میکرواستریپ با قابلیت تنظیم مجدد، سوئیچ‌های ترانزیستور اثر میدانی برای تنظیم انطباق‌ها برای دستیابی به ویژگی‌های دو باند استفاده شده‌اند.
برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد آنتن ها به آدرس زیر مراجعه کنید:
زمان ارسال: آگوست-09-2024
