1.Introduzione
La raccolta di energia 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 rettangoli sono la pietra angolare dei sistemi WPT e RFEH e hanno un impatto significativo sulla potenza CC erogata al carico. Gli elementi dell'antenna della rectenna influenzano direttamente l'efficienza di raccolta, che può variare la potenza raccolta di diversi ordini di grandezza. Questo documento esamina i progetti di antenne utilizzati nelle applicazioni WPT e RFEH ambientali. Le antenne riportate sono classificate secondo due criteri principali: la larghezza di banda dell'impedenza raddrizzatrice dell'antenna e le caratteristiche di radiazione dell'antenna. Per ciascun criterio, la figura di merito (FoM) per le diverse candidature viene determinata e rivista comparativamente.
Il WPT è stato proposto da Tesla all'inizio del XX secolo come metodo per trasmettere migliaia di cavalli. Il termine rectenna, che descrive un'antenna collegata a un raddrizzatore per raccogliere energia RF, è emerso negli anni '50 per applicazioni di trasmissione di potenza a microonde spaziali 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.
Poiché il consumo energetico dei dispositivi a semiconduttore e dei nodi di sensori wireless continua a diminuire, diventa più fattibile alimentare i nodi di sensori utilizzando RFEH ambientale o utilizzando trasmettitori omnidirezionali distribuiti a bassa potenza. I sistemi di alimentazione wireless a bassissimo consumo sono generalmente costituiti da un front-end di acquisizione RF, alimentazione CC e gestione della memoria, nonché da un microprocessore e un ricetrasmettitore a basso consumo.
La Figura 1 mostra l'architettura di un nodo wireless RFEH e le implementazioni front-end RF comunemente riportate. L'efficienza end-to-end del sistema di alimentazione wireless e l'architettura della rete di trasferimento di energia e informazioni wireless sincronizzata dipendono dalle prestazioni dei singoli componenti, come antenne, raddrizzatori e circuiti di gestione dell'alimentazione. Sono state condotte numerose indagini bibliografiche per diverse parti del sistema. La tabella 1 riassume la fase di conversione della potenza, i componenti chiave per una conversione efficiente della potenza e le relative indagini bibliografiche per ciascuna parte. La letteratura recente si concentra sulla tecnologia di conversione di potenza, sulle topologie dei raddrizzatori o sugli RFEH sensibili alla rete.
Figura 1
Tuttavia, la progettazione dell'antenna non è considerata una componente critica in 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 antenne miniaturizzate o indossabili, l’impatto di alcuni parametri dell’antenna sulla ricezione di 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 di progettazione specifiche delle antenne RFEH e WPT dalla progettazione delle antenne di comunicazione standard. Le antenne vengono confrontate da due prospettive: adattamento dell'impedenza end-to-end e caratteristiche di radiazione; in ogni caso, il FoM viene identificato e rivisto nelle antenne allo stato dell'arte (SoA).
2. Larghezza di banda e adattamento: reti RF non 50Ω
L'impedenza caratteristica di 50 Ω è una prima considerazione del compromesso tra attenuazione e potenza nelle applicazioni di ingegneria delle 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 rilevatori sono generalmente 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 nel raddrizzatore e la non linearità del diodo provoca una grande variazione nell'impedenza di ingresso, con la componente capacitiva dominante. Supponendo un'antenna da 50Ω, la sfida principale è progettare un'ulteriore rete di adattamento RF per trasformare l'impedenza di ingresso nell'impedenza del raddrizzatore alla frequenza di interesse e ottimizzarla per un livello di potenza specifico. 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 geometria auto-complementare, 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 a banda singola e multibanda o WPT riducendo al minimo 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 dell'impedenza. La tabella 2 mostra esempi di rectenne ad alte prestazioni rispetto alla larghezza di banda end-to-end (in questo caso, FoM) per ciascuna categoria.
Figura 2 Topologie di rectenna dal punto di vista della larghezza di banda e dell'adattamento di impedenza. (a) Antenna rectenna a banda singola con antenna standard. (b) Antenna multibanda (composta da più antenne reciprocamente accoppiate) con un raddrizzatore e rete di adattamento per banda. (c) Antenna a banda larga con più porte RF e reti di abbinamento separate per ciascuna banda. (d) Antenna a banda larga con antenna a banda larga e rete di adattamento a banda larga. (e) Antenna 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) Antenna a banda larga con impedenza complessa da coniugare con il raddrizzatore su una gamma di frequenze.
Sebbene WPT e RFEH ambientale da alimentazione dedicata siano applicazioni rectenna diverse, ottenere la corrispondenza end-to-end tra antenna, raddrizzatore e carico è fondamentale per ottenere un'elevata efficienza di conversione di potenza (PCE) dal punto di vista della larghezza di banda. Tuttavia, le rectenne WPT si concentrano maggiormente sul raggiungimento di una corrispondenza dei fattori di qualità superiore (S11 inferiore) per migliorare il 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 alla desintonizzazione, ai difetti di fabbricazione e ai parassiti di imballaggio. D'altra parte, le rectenne RFEH danno priorità al funzionamento multi-banda 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. Ricetta a frequenza singola
Il design dell'antenna della rectenna a frequenza singola (topologia A) si basa principalmente sul design dell'antenna standard, come la zona radiante a polarizzazione lineare (LP) o polarizzazione circolare (CP) sul piano di terra, antenna a dipolo e antenna F invertita. La rectenna a banda differenziale si basa su un array combinato CC configurato con più unità antenna o una combinazione mista CC e RF di più unità patch.
Poiché molte delle antenne proposte sono antenne a frequenza singola e soddisfano i requisiti del WPT a frequenza singola, quando si cerca RFEH multifrequenza ambientale, più antenne a frequenza singola vengono combinate in antenne multibanda (topologia B) con soppressione dell'accoppiamento reciproco e combinazione DC indipendente dopo il circuito di gestione dell'alimentazione per isolarli completamente dal circuito di acquisizione e conversione RF. Ciò richiede più circuiti di gestione della potenza per ciascuna banda, il che potrebbe ridurre l'efficienza del convertitore boost perché la potenza CC di una singola banda è bassa.
2. Antenne RFEH multibanda e banda larga
La RFEH ambientale è spesso associata all'acquisizione multibanda; pertanto, sono state proposte una varietà di tecniche per migliorare la larghezza di banda di progetti di antenne standard e metodi per formare schiere di antenne a doppia banda o a banda. In questa sezione esaminiamo i progetti di antenne personalizzate per RFEH, nonché le classiche antenne multibanda con il potenziale per essere utilizzate come rectenne.
Le antenne unipolare a guida d'onda complanare (CPW) occupano meno area rispetto alle antenne patch a microstriscia 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, risultando in schemi di radiazione simili alle antenne patch. Le antenne a guida d'onda complanari scanalate vengono utilizzate per migliorare le larghezze di banda di impedenza per più bande di frequenza, come 1,8–2,7 GHz o 1–3 GHz. Anche le antenne slot e le antenne patch con alimentazione accoppiata sono comunemente utilizzate nei progetti di rectenna multibanda. La Figura 3 mostra alcune antenne multibanda segnalate che utilizzano più di una tecnica di miglioramento della larghezza di banda.
Figura 3
Corrispondenza di impedenza antenna-raddrizzatore
Abbinare un'antenna da 50Ω 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 corrispondenza comune è una corrispondenza LC che utilizza elementi concentrati; tuttavia, la larghezza di banda relativa è solitamente inferiore alla maggior parte delle bande di comunicazione. L'adattamento stub a banda singola è comunemente usato nelle bande delle microonde e delle onde millimetriche inferiori a 6 GHz, e le rectenne a onde millimetriche riportate hanno una larghezza di banda intrinsecamente stretta perché la loro larghezza di banda PCE è limitata dalla soppressione armonica in uscita, che le rende particolarmente adatte per applicazioni WPT in banda 24 GHz senza licenza.
Le rectenne nelle topologie C e D hanno reti di abbinamento 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 dei diodi. I componenti del raddrizzatore possono essere sostituiti da condensatori interdigitati su scheda a circuito stampato (PCB), che vengono sintetizzati utilizzando strumenti commerciali di automazione della progettazione elettronica. Altre reti di abbinamento rectenna a banda larga segnalate combinano elementi concentrati per l'adattamento a frequenze più basse ed elementi distribuiti per creare un cortocircuito RF all'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 larghezza di banda relativa del 57% (1,25–2,25 GHz) e PCE superiore del 10% rispetto ai circuiti concentrati o distribuiti . Sebbene le reti di adattamento siano tipicamente progettate per abbinare le antenne sull'intera larghezza di banda di 50Ω, in letteratura sono presenti rapporti in cui le antenne a banda larga sono state collegate a raddrizzatori a banda stretta.
Le reti di adattamento ibride a elementi concentrati e a elementi distribuiti sono state ampiamente utilizzate nelle topologie C e D, con induttori e condensatori in serie che sono gli elementi concentrati più comunemente usati. Questi 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 influisce sull'impedenza di ingresso a causa della non linearità del diodo. Pertanto, la rectenna è progettata per massimizzare il 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 antenne 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 accoppiati all'antenna, evitando così la progettazione di antenne con reattanze di ingresso > 1.000Ω.
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 su chip. Sono state proposte anche reti di adattamento CMOS statiche per antenne standard da 50 Ω e antenne a telaio co-progettate. È stato riportato che i rilevatori di potenza CMOS passivi vengono utilizzati per controllare gli interruttori che dirigono 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, che viene sintonizzata mediante messa a punto mentre si misura l'impedenza di ingresso utilizzando un analizzatore di rete vettoriale. Nelle reti di adattamento a microstriscia riconfigurabili, gli interruttori a transistor ad effetto di campo sono stati utilizzati per regolare gli stub di corrispondenza per ottenere caratteristiche a doppia banda.
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Orario di pubblicazione: 09 agosto 2024
