1. Introduzione
L'energy harvesting a radiofrequenza (RF) (RFEH) e il trasferimento di potenza wireless radiativo (WPT) hanno suscitato grande interesse come metodi per realizzare reti wireless sostenibili senza batterie. Le rectenne sono il fulcro dei sistemi WPT e RFEH e hanno un impatto significativo sulla potenza CC erogata al carico. Gli elementi antenna della rectenna influenzano direttamente l'efficienza di harvesting, che può variare la potenza raccolta di diversi ordini di grandezza. Questo articolo esamina i progetti di antenne impiegati nelle applicazioni WPT e RFEH ambientale. Le rectenne riportate sono classificate in base a due criteri principali: la larghezza di banda dell'impedenza di raddrizzamento dell'antenna e le caratteristiche di radiazione dell'antenna. Per ciascun criterio, la figura di merito (FoM) per diverse applicazioni viene determinata e analizzata comparativamente.
Il WPT fu proposto da Tesla all'inizio del XX secolo come metodo per trasmettere migliaia di cavalli vapore. Il termine rectenna, che descrive un'antenna collegata a un raddrizzatore per raccogliere energia RF, emerse negli anni '50 per applicazioni di trasmissione di energia a microonde nello spazio e per alimentare droni autonomi. Il WPT omnidirezionale a lungo raggio è vincolato dalle proprietà fisiche del mezzo di propagazione (aria). Pertanto, il WPT commerciale è principalmente limitato al trasferimento di potenza non radiativo in campo vicino per la ricarica wireless di dispositivi elettronici di consumo o RFID.
Con la continua riduzione del consumo energetico dei dispositivi a semiconduttore e dei nodi sensori wireless, diventa sempre più fattibile alimentare i nodi sensori utilizzando RFEH ambientale o trasmettitori omnidirezionali distribuiti a bassa potenza. I sistemi di alimentazione wireless a bassissimo consumo sono solitamente costituiti da un front-end di acquisizione RF, un sistema di gestione dell'alimentazione e della memoria in corrente continua, e un microprocessore e un trasmettitore/ricevitore a basso consumo.
La Figura 1 mostra l'architettura di un nodo wireless RFEH e le implementazioni front-end RF più comunemente riportate. L'efficienza end-to-end del sistema di alimentazione wireless e l'architettura della rete di trasferimento sincronizzato di informazioni e potenza wireless dipendono dalle prestazioni dei singoli componenti, come antenne, raddrizzatori e circuiti di gestione dell'alimentazione. Sono state condotte diverse analisi bibliografiche per diverse parti del sistema. La Tabella 1 riassume la fase di conversione dell'alimentazione, i componenti chiave per una conversione efficiente e le analisi bibliografiche correlate per ciascuna parte. La letteratura recente si concentra sulla tecnologia di conversione dell'alimentazione, sulle topologie dei raddrizzatori o sull'RFEH network-aware.
Figura 1
Tuttavia, la progettazione dell'antenna non è considerata una componente critica nell'RFEH. Sebbene parte della letteratura consideri la larghezza di banda e l'efficienza dell'antenna da una prospettiva generale o da una prospettiva specifica di progettazione dell'antenna, come nel caso di antenne miniaturizzate o indossabili, l'impatto di alcuni parametri dell'antenna sulla ricezione della potenza e sull'efficienza di conversione non viene analizzato in dettaglio.
Questo articolo esamina le tecniche di progettazione delle antenne nelle rectenne con l'obiettivo di distinguere le sfide specifiche di progettazione delle antenne RFEH e WPT dalla progettazione di antenne per comunicazioni standard. Le antenne vengono confrontate da due prospettive: adattamento di impedenza end-to-end e caratteristiche di radiazione; in ciascun caso, il FoM viene identificato e analizzato nelle antenne allo stato dell'arte (SoA).
2. Larghezza di banda e adattamento: reti RF non a 50Ω
L'impedenza caratteristica di 50 Ω è una delle prime considerazioni sul compromesso tra attenuazione e potenza nelle applicazioni di ingegneria a microonde. Nelle antenne, la larghezza di banda dell'impedenza è definita come l'intervallo di frequenza in cui la potenza riflessa è inferiore al 10% (S11< − 10 dB). Poiché gli amplificatori a basso rumore (LNA), gli amplificatori di potenza e i rivelatori sono in genere progettati con un adattamento di impedenza di ingresso di 50 Ω, tradizionalmente si fa riferimento a una sorgente da 50 Ω.
In una rectenna, l'uscita dell'antenna viene alimentata direttamente al raddrizzatore e la non linearità del diodo causa una notevole variazione dell'impedenza di ingresso, con la componente capacitiva dominante. Ipotizzando un'antenna da 50 Ω, la sfida principale consiste nel progettare una rete di adattamento RF aggiuntiva per trasformare l'impedenza di ingresso nell'impedenza del raddrizzatore alla frequenza di interesse e ottimizzarla per uno specifico livello di potenza. In questo caso, è necessaria una larghezza di banda di impedenza end-to-end per garantire un'efficiente conversione da RF a CC. Pertanto, sebbene le antenne possano raggiungere una larghezza di banda teoricamente infinita o ultra-ampia utilizzando elementi periodici o geometrie autocomplementari, la larghezza di banda della rectenna sarà limitata dalla rete di adattamento del raddrizzatore.
Sono state proposte diverse topologie di rectenna per ottenere la raccolta (WPT) a banda singola e multibanda, minimizzando le riflessioni e massimizzando il trasferimento di potenza tra l'antenna e il raddrizzatore. La Figura 2 mostra le strutture delle topologie di rectenna riportate, classificate in base alla loro architettura di adattamento di impedenza. La Tabella 2 mostra esempi di rectenna ad alte prestazioni in termini di larghezza di banda end-to-end (in questo caso, FoM) per ciascuna categoria.
Figura 2 Topologie di rectenna dal punto di vista dell'adattamento di larghezza di banda e impedenza. (a) Rectenna a banda singola con antenna standard. (b) Rectenna multibanda (composta da più antenne reciprocamente accoppiate) con un raddrizzatore e una rete di adattamento per banda. (c) Rectenna a banda larga con più porte RF e reti di adattamento separate per ciascuna banda. (d) Rectenna a banda larga con antenna a banda larga e rete di adattamento a banda larga. (e) Rectenna a banda singola che utilizza un'antenna elettricamente piccola direttamente accoppiata al raddrizzatore. (f) Antenna a banda singola, elettricamente grande con impedenza complessa da coniugare con il raddrizzatore. (g) Rectenna a banda larga con impedenza complessa da coniugare con il raddrizzatore su un intervallo di frequenze.
Sebbene WPT e RFEH ambientale da feed dedicato siano applicazioni diverse per le rectenne, ottenere un adattamento end-to-end tra antenna, raddrizzatore e carico è fondamentale per ottenere un'elevata efficienza di conversione di potenza (PCE) in termini di larghezza di banda. Tuttavia, le rectenne WPT si concentrano maggiormente sul raggiungimento di un adattamento con fattore di qualità più elevato (S11 inferiore) per migliorare la PCE a banda singola a determinati livelli di potenza (topologie a, e ed f). L'ampia larghezza di banda del WPT a banda singola migliora l'immunità del sistema a detuning, difetti di fabbricazione e parassiti di packaging. D'altra parte, le rectenne RFEH danno priorità al funzionamento multibanda e appartengono alle topologie bd e g, poiché la densità spettrale di potenza (PSD) di una singola banda è generalmente inferiore.
3. Design dell'antenna rettangolare
1. Rectenna a frequenza singola
Il design dell'antenna della rectenna a frequenza singola (topologia A) si basa principalmente su design di antenne standard, come antenne a polarizzazione lineare (LP) o circolare (CP) con patch radiante sul piano di terra, antenne dipolo e antenne a F invertita. La rectenna a banda differenziale si basa su array di combinazione CC configurati con più unità antenna o su una combinazione mista CC e RF di più unità patch.
Poiché molte delle antenne proposte sono a singola frequenza e soddisfano i requisiti del WPT a singola frequenza, quando si cerca un RFEH multifrequenza ambientale, più antenne a singola frequenza vengono combinate in rectenne multibanda (topologia B) con soppressione dell'accoppiamento reciproco e combinazione di corrente continua indipendente a valle del circuito di gestione dell'alimentazione per isolarle completamente dal circuito di acquisizione e conversione RF. Ciò richiede più circuiti di gestione dell'alimentazione per ciascuna banda, il che potrebbe ridurre l'efficienza del convertitore boost poiché la potenza continua di una singola banda è bassa.
2. Antenne RFEH multibanda e a banda larga
L'RFEH ambientale è spesso associato all'acquisizione multibanda; pertanto, sono state proposte diverse tecniche per migliorare la larghezza di banda di progetti di antenne standard e metodi per la formazione di array di antenne a doppia banda o a più bande. In questa sezione, esamineremo progetti di antenne personalizzate per RFEH, nonché antenne multibanda classiche potenzialmente utilizzabili come rectenne.
Le antenne monopolari a guida d'onda coplanare (CPW) occupano un'area inferiore rispetto alle antenne patch a microstrip alla stessa frequenza e producono onde LP o CP, e sono spesso utilizzate per rectenne ambientali a banda larga. I piani di riflessione vengono utilizzati per aumentare l'isolamento e migliorare il guadagno, con conseguenti diagrammi di radiazione simili a quelli delle antenne patch. Le antenne a guida d'onda coplanare a fessura vengono utilizzate per migliorare le larghezze di banda dell'impedenza per più bande di frequenza, come 1,8-2,7 GHz o 1-3 GHz. Anche le antenne a fessura ad alimentazione accoppiata e le antenne patch sono comunemente utilizzate nei progetti di rectenne multibanda. La Figura 3 mostra alcune antenne multibanda segnalate che utilizzano più di una tecnica di miglioramento della larghezza di banda.
Figura 3
Adattamento di impedenza antenna-raddrizzatore
L'adattamento di un'antenna da 50 Ω a un raddrizzatore non lineare è impegnativo perché la sua impedenza di ingresso varia notevolmente con la frequenza. Nelle topologie A e B (Figura 2), la rete di adattamento comune è un adattamento LC che utilizza elementi concentrati; tuttavia, la larghezza di banda relativa è solitamente inferiore alla maggior parte delle bande di comunicazione. L'adattamento di stub a banda singola è comunemente utilizzato nelle bande a microonde e a onde millimetriche inferiori a 6 GHz, e le rectenne a onde millimetriche segnalate presentano una larghezza di banda intrinsecamente stretta perché la loro larghezza di banda PCE è limitata dalla soppressione delle armoniche in uscita, il che le rende particolarmente adatte per applicazioni WPT a banda singola nella banda non licenziata a 24 GHz.
Le rectenne nelle topologie C e D presentano reti di adattamento più complesse. Sono state proposte reti di adattamento di linea completamente distribuite per l'adattamento a banda larga, con un blocco RF/cortocircuito CC (filtro passante) sulla porta di uscita o un condensatore di blocco CC come percorso di ritorno per le armoniche del diodo. I componenti del raddrizzatore possono essere sostituiti da condensatori interdigitati su circuito stampato (PCB), sintetizzati utilizzando strumenti commerciali di automazione della progettazione elettronica. Altre reti di adattamento a rectenna a banda larga segnalate combinano elementi concentrati per l'adattamento a frequenze più basse ed elementi distribuiti per creare un cortocircuito RF in ingresso.
La variazione dell'impedenza di ingresso osservata dal carico attraverso una sorgente (nota come tecnica source-pull) è stata utilizzata per progettare un raddrizzatore a banda larga con una larghezza di banda relativa del 57% (1,25-2,25 GHz) e un PCE superiore del 10% rispetto ai circuiti concentrati o distribuiti. Sebbene le reti di adattamento siano in genere progettate per adattare le antenne sull'intera larghezza di banda di 50 Ω, in letteratura sono riportati casi in cui antenne a banda larga sono state collegate a raddrizzatori a banda stretta.
Le reti di adattamento ibride a elementi concentrati e distribuiti sono state ampiamente utilizzate nelle topologie C e D, con induttori e condensatori in serie come elementi concentrati più comunemente utilizzati. Queste reti evitano strutture complesse come i condensatori interdigitati, che richiedono una modellazione e una fabbricazione più accurate rispetto alle linee a microstriscia standard.
La potenza in ingresso al raddrizzatore influenza l'impedenza di ingresso a causa della non linearità del diodo. Pertanto, la rectenna è progettata per massimizzare la PCE per uno specifico livello di potenza in ingresso e impedenza di carico. Poiché i diodi sono principalmente capacitivi ad alta impedenza a frequenze inferiori a 3 GHz, le rectenne a banda larga che eliminano le reti di adattamento o riducono al minimo i circuiti di adattamento semplificati si sono concentrate sulle frequenze Prf>0 dBm e superiori a 1 GHz, poiché i diodi hanno una bassa impedenza capacitiva e possono essere ben adattati all'antenna, evitando così la progettazione di antenne con reattanze di ingresso >1.000 Ω.
L'adattamento di impedenza adattivo o riconfigurabile è stato osservato nelle rectenne CMOS, dove la rete di adattamento è costituita da banchi di condensatori e induttori integrati nel chip. Reti di adattamento CMOS statiche sono state proposte anche per antenne standard da 50 Ω e per antenne a loop co-progettate. È stato riportato che i rivelatori di potenza CMOS passivi vengono utilizzati per controllare gli interruttori che indirizzano l'uscita dell'antenna verso diversi raddrizzatori e reti di adattamento a seconda della potenza disponibile. È stata proposta una rete di adattamento riconfigurabile che utilizza condensatori sintonizzabili concentrati, la cui sintonizzazione avviene tramite una regolazione fine durante la misurazione dell'impedenza di ingresso mediante un analizzatore di reti vettoriali. Nelle reti di adattamento a microstrip riconfigurabili, sono stati utilizzati interruttori a transistor a effetto di campo per regolare gli stub di adattamento e ottenere caratteristiche a doppia banda.
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Data di pubblicazione: 09-08-2024
