1. Introduzione
La raccolta di energia a radiofrequenza (RFEH) e il trasferimento di potenza wireless radiativo (WPT) hanno suscitato grande interesse come metodi per realizzare reti wireless sostenibili senza batterie. Le rectenna 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 articolo esamina i progetti di antenna impiegati nelle applicazioni WPT e RFEH ambientale. Le rectenna presentate sono classificate in base a due criteri principali: la larghezza di banda dell'impedenza di rettifica dell'antenna e le caratteristiche di radiazione dell'antenna. Per ciascun criterio, viene determinato e analizzato comparativamente il fattore di merito (FoM) per diverse applicazioni.
La trasmissione di potenza wireless (WPT) fu proposta 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 a radiofrequenza, emerse negli anni '50 per applicazioni di trasmissione di potenza a microonde nello spazio e per alimentare droni autonomi. La WPT omnidirezionale a lungo raggio è limitata dalle proprietà fisiche del mezzo di propagazione (aria). Pertanto, la WPT commerciale è principalmente limitata al trasferimento di potenza non radiativo in campo vicino per la ricarica wireless di dispositivi elettronici di consumo o per la tecnologia RFID.
Poiché il consumo energetico dei dispositivi a semiconduttore e dei nodi sensore wireless continua a diminuire, diventa più fattibile alimentare i nodi sensore utilizzando il recupero di energia RF ambientale o trasmettitori omnidirezionali a bassa potenza distribuiti. I sistemi di alimentazione wireless a bassissima potenza sono generalmente costituiti da un front-end di acquisizione RF, un sistema di gestione dell'alimentazione CC e della memoria, un microprocessore a basso consumo e un ricetrasmettitore.
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 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 della letteratura per le diverse parti del sistema. La Tabella 1 riassume la fase di conversione di potenza, i componenti chiave per una conversione di potenza efficiente e le relative analisi della letteratura per ciascuna parte. La letteratura recente si concentra sulla tecnologia di conversione di potenza, sulle topologie dei raddrizzatori o sull'RFEH consapevole della rete.
Figura 1
Tuttavia, la progettazione dell'antenna non è considerata una componente critica nella RFEH. Sebbene alcuni studi considerino la larghezza di banda e l'efficienza dell'antenna da una prospettiva generale o da una prospettiva di progettazione specifica, come le antenne miniaturizzate o indossabili, l'impatto di determinati 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 rectenna con l'obiettivo di distinguere le sfide di progettazione specifiche per RFEH e WPT dalla progettazione standard delle antenne di comunicazione. Le antenne vengono confrontate da due prospettive: adattamento di impedenza end-to-end e caratteristiche di radiazione; in entrambi i casi, il fattore di merito (FoM) viene identificato e analizzato nelle antenne all'avanguardia (SoA).
2. Larghezza di banda e adattamento: reti RF non a 50Ω
L'impedenza caratteristica di 50Ω è stata una delle prime considerazioni sul compromesso tra attenuazione e potenza nelle applicazioni di ingegneria a microonde. Nelle antenne, la larghezza di banda di 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 tipicamente progettati con un adattamento di impedenza di ingresso di 50Ω, tradizionalmente si utilizza come riferimento una sorgente di 50Ω.
In una rectenna, l'uscita dell'antenna viene alimentata direttamente al raddrizzatore e la non linearità del diodo causa un'ampia variazione dell'impedenza di ingresso, con la componente capacitiva dominante. Ipotizzando un'antenna da 50Ω, 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 teoricamente raggiungere una larghezza di banda infinita o ultra-ampia utilizzando elementi periodici o geometrie auto-complementari, 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 di energia a banda singola e multibanda o il trasferimento di potenza wireless (WPT) 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 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) Rectenna monobanda con antenna standard. (b) Rectenna multibanda (composta da più antenne accoppiate mutuamente) 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 monobanda che utilizza un'antenna elettricamente piccola adattata direttamente al raddrizzatore. (f) Antenna monobanda elettricamente grande con impedenza complessa da coniugare con il raddrizzatore. (g) Rectenna a banda larga con impedenza complessa da coniugare con il raddrizzatore su una gamma di frequenze.
Sebbene la trasmissione di potenza wireless (WPT) e il recupero di energia RF ambientale da alimentazione dedicata siano applicazioni di rectenna diverse, il raggiungimento di un adattamento 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 rectenna WPT si concentrano maggiormente sul raggiungimento di un fattore di qualità più elevato (S11 inferiore) per migliorare la PCE a banda singola a determinati livelli di potenza (topologie a, e e f). L'ampia larghezza di banda della WPT a banda singola migliora l'immunità del sistema a disallineamenti, difetti di fabbricazione e parassiti di incapsulamento. D'altra parte, le rectenna RFEH privilegiano il 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
La progettazione dell'antenna di una rectenna a frequenza singola (topologia A) si basa principalmente su progetti di antenne standard, come patch radianti a polarizzazione lineare (LP) o circolare (CP) sul piano di massa, antenne a dipolo e antenne a F invertita. La rectenna a banda differenziale si basa su un array di combinazione DC configurato con più unità di antenna o una combinazione mista DC 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 la raccolta di energia RF multifrequenza ambientale, più antenne a frequenza singola vengono combinate in rectenna multibanda (topologia B) con soppressione dell'accoppiamento mutuo e combinazione CC indipendente dopo il 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 può ridurre l'efficienza del convertitore boost poiché la potenza CC di una singola banda è bassa.
2. Antenne RFEH multibanda e a banda larga
La raccolta di segnali RFEH in campo ambientale è spesso associata all'acquisizione multibanda; pertanto, sono state proposte diverse tecniche per migliorare la larghezza di banda dei progetti di antenne standard e metodi per la formazione di array di antenne a doppia banda o a banda singola. In questa sezione, esaminiamo i progetti di antenne personalizzate per RFEH, nonché le classiche antenne multibanda potenzialmente utilizzabili come rectenna.
Le antenne monopolari a guida d'onda coplanare (CPW) occupano un'area inferiore rispetto alle antenne a patch 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, ottenendo diagrammi di radiazione simili a quelli delle antenne a patch. Le antenne a guida d'onda coplanare con fessura vengono utilizzate per migliorare la larghezza di banda di impedenza per più bande di frequenza, come 1,8–2,7 GHz o 1–3 GHz. Anche le antenne a fessura e le antenne a patch alimentate in modo accoppiato sono comunemente utilizzate nei progetti di rectenne multibanda. La Figura 3 mostra alcune antenne multibanda riportate in letteratura che utilizzano più di una tecnica per il miglioramento della larghezza di banda.
Figura 3
Adattamento di impedenza antenna-raddrizzatore
Adattare un'antenna da 50Ω a un raddrizzatore non lineare è una sfida, poiché 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 con elementi concentrati; tuttavia, la larghezza di banda relativa è solitamente inferiore a quella della maggior parte delle bande di comunicazione. L'adattamento a stub a banda singola è comunemente utilizzato nelle bande a microonde e a onde millimetriche al di sotto dei 6 GHz, e le rectenne a onde millimetriche riportate hanno una larghezza di banda intrinsecamente ristretta 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 rectenna 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 passa-banda) sulla porta di uscita o un condensatore di blocco CC come percorso di ritorno per le armoniche del diodo. I componenti raddrizzatori possono essere sostituiti da condensatori interdigitati su circuito stampato (PCB), sintetizzati utilizzando strumenti commerciali di automazione della progettazione elettronica. Altre reti di adattamento per rectenna a banda larga riportate in letteratura combinano elementi concentrati per l'adattamento alle basse frequenze 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 una larghezza di banda relativa del 57% (1,25–2,25 GHz) e un'efficienza di conversione di potenza (PCE) superiore del 10% rispetto ai circuiti concentrati o distribuiti. Sebbene le reti di adattamento siano tipicamente progettate per adattare le antenne sull'intera larghezza di banda di 50Ω, 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 ampiamente utilizzate nelle topologie C e D, con induttori e condensatori in serie come elementi concentrati più comunemente impiegati. Queste reti evitano strutture complesse come i condensatori interdigitati, che richiedono una modellazione e una fabbricazione più accurate rispetto alle linee microstrip 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 l'efficienza di conversione di potenza (PCE) per uno specifico livello di potenza in ingresso e impedenza di carico. Poiché i diodi presentano principalmente un'elevata impedenza capacitiva a frequenze inferiori a 3 GHz, le rectenna a banda larga che eliminano le reti di adattamento o minimizzano i circuiti di adattamento semplificati si sono concentrate su 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 on-chip. Sono state proposte anche reti di adattamento CMOS statiche per antenne standard da 50Ω e per antenne ad anello 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 regolazione fine misurando l'impedenza di ingresso con un analizzatore di rete vettoriale. Nelle reti di adattamento microstrip riconfigurabili, sono stati utilizzati interruttori a transistor a effetto di campo per regolare gli stub di adattamento al fine di ottenere caratteristiche a doppia banda.
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Data di pubblicazione: 9 agosto 2024
