1. מבוא
קצירת אנרגיה בתדרי רדיו (RF) (RFEH) והעברת הספק אלחוטית קרינה (WPT) משכו עניין רב כשיטות להשגת רשתות אלחוטיות בנות-קיימא ללא סוללות. אנטנות מרובעות (rectennas) הן אבן הפינה של מערכות WPT ו-RFEH ויש להן השפעה משמעותית על הספק הישר המסופק לעומס. רכיבי האנטנה של הרקטנה משפיעים ישירות על יעילות הקציר, שיכולה לשנות את ההספק הקציר בכמה סדרי גודל. מאמר זה סוקר את עיצובי האנטנות המועסקים ביישומי WPT ו-RFEH סביבתי. הרקטנות המדווחות מסווגות לפי שני קריטריונים עיקריים: רוחב פס עכבת יישור האנטנה ומאפייני הקרינה של האנטנה. עבור כל קריטריון, נקבע נתון היתרון (FoM) עבור יישומים שונים ונבדק באופן השוואתי.
טסלה הציע את שיטת ה-WPT בתחילת המאה ה-20 כשיטה להעברת אלפי כוחות סוס. המונח rectenna, המתאר אנטנה המחוברת למיישר כדי לאסוף הספק RF, הופיע בשנות ה-50 עבור יישומי העברת הספק במיקרוגל בחלל ולהפעלת רחפנים אוטונומיים. העברת הספק רב-כיוונית וארוכת טווח מוגבלת על ידי התכונות הפיזיקליות של תווך ההתפשטות (אוויר). לכן, העברת הספק מסחרית מוגבלת בעיקר להעברת הספק לא-קרינתית בשדה קרוב עבור טעינה אלחוטית של מוצרי אלקטרוניקה צרכנית או RFID.
ככל שצריכת החשמל של התקני מוליכים למחצה וצמתי חיישנים אלחוטיים ממשיכה לרדת, הופך להיות בר ביצוע יותר להפעיל צמתי חיישנים באמצעות RFEH סביבתי או באמצעות משדרים רב-כיווניים מבוזרים בעלי צריכת חשמל נמוכה. מערכות חשמל אלחוטיות בעלות צריכת חשמל נמוכה במיוחד מורכבות בדרך כלל מקצה קדמי לקליטת RF, ניהול חשמל וזיכרון DC, ומיקרו-מעבד ומשדר-מקלט בעלי צריכת חשמל נמוכה.
איור 1 מציג את הארכיטקטורה של צומת אלחוטי RFEH ואת מימושי ה-RF הקדמיים המדווחים באופן נפוץ. היעילות מקצה לקצה של מערכת החשמל האלחוטית והארכיטקטורה של רשת המידע וההעברת החשמל האלחוטית המסונכרנת תלויות בביצועי הרכיבים הבודדים, כגון אנטנות, מיישרים ומעגלי ניהול צריכת חשמל. מספר סקרי ספרות נערכו עבור חלקים שונים של המערכת. טבלה 1 מסכמת את שלב המרת ההספק, רכיבים מרכזיים להמרת חשמל יעילה וסקרי ספרות קשורים עבור כל חלק. הספרות האחרונה מתמקדת בטכנולוגיית המרת הספק, טופולוגיות מיישרות או RFEH מודעת לרשת.
איור 1
עם זאת, תכנון אנטנה אינו נחשב למרכיב קריטי ב-RFEH. למרות שחלק מהספרות בוחנת את רוחב הפס והיעילות של האנטנה מנקודת מבט כוללת או מנקודת מבט ספציפית של תכנון אנטנה, כגון אנטנות ממוזערות או לבישות, ההשפעה של פרמטרים מסוימים של אנטנה על קליטת הספק ויעילות ההמרה אינה מנותחת בפירוט.
מאמר זה סוקר טכניקות לתכנון אנטנות באנטנות משולבות (rectennas) במטרה להבחין בין אתגרי תכנון אנטנות ספציפיים ל-RFEH ול-WPT לבין תכנון אנטנות תקשורת סטנדרטיות. אנטנות מושוות משתי נקודות מבט: התאמת עכבה מקצה לקצה ומאפייני קרינה; בכל מקרה, מזוהה ונבדק ה-FoM באנטנות המתקדמות (SoA).
2. רוחב פס והתאמה: רשתות RF שאינן 50Ω
עכבה אופיינית של 50Ω היא שיקול מוקדם של הפשרה בין הנחתה להספק ביישומי הנדסת מיקרוגל. באנטנות, רוחב הפס של העכבה מוגדר כטווח התדרים שבו ההספק המוחזר נמוך מ-10% (S11< − 10 dB). מכיוון שמגברי רעש נמוך (LNA), מגברי הספק וגלאים מתוכננים בדרך כלל עם התאמת עכבת כניסה של 50Ω, מקור קלט של 50Ω משמש באופן מסורתי כמקור.
בממיר משולש, הפלט של האנטנה מוזן ישירות למיישר, ואי-הלינאריות של הדיודה גורמת לשינוי גדול בעכבת הקלט, כאשר הרכיב הקיבולי שולט. בהנחה של אנטנה של 50Ω, האתגר העיקרי הוא לתכנן רשת התאמת RF נוספת כדי להמיר את עכבת הקלט לעכבת המיישר בתדר הרצוי ולמטב אותה לרמת הספק ספציפית. במקרה זה, נדרש רוחב פס עכבה מקצה לקצה כדי להבטיח המרה יעילה מ-RF ל-DC. לכן, למרות שאנטנות יכולות להשיג רוחב פס תיאורטי אינסופי או רחב במיוחד באמצעות אלמנטים מחזוריים או גיאומטריה משלימה-עצמית, רוחב הפס של הממיר יהיה חסום על ידי רשת התאמת המיישר.
מספר טופולוגיות של rectennas הוצעו כדי להשיג קצירת פס יחיד ורב-פסים, או WPT, על ידי מזעור החזרות ומקסום העברת הספק בין האנטנה למיישר. איור 2 מציג את המבנים של טופולוגיות rectennas שדווחו, מסווגות לפי ארכיטקטורת התאמת העכבה שלהן. טבלה 2 מציגה דוגמאות של rectennas בעלי ביצועים גבוהים ביחס לרוחב פס מקצה לקצה (במקרה זה, FoM) עבור כל קטגוריה.
איור 2 טופולוגיות של משטחי רקטה מנקודת מבט של התאמת רוחב פס ועכבה. (א) משטח רקטה חד-פסי עם אנטנה סטנדרטית. (ב) משטח רקטה רב-פסי (מורכב ממספר אנטנות מצומדות זו לזו) עם מיישר אחד ורשת התאמה לכל פס. (ג) משטח רקטה רחב פס עם מספר יציאות RF ורשתות התאמה נפרדות לכל פס. (ד) משטח רקטה רחב פס עם אנטנת רחב פס ורשת התאמה רחב פס. (ה) משטח רקטה חד-פסי המשתמש באנטנה קטנה מבחינה חשמלית המותאמת ישירות למיישר. (ו) אנטנה חד-פסי, גדולה מבחינה חשמלית עם עכבה מורכבת לצמידות למיישר. (ז) משטח רקטה רחב פס עם עכבה מורכבת לצמידות למיישר על פני טווח תדרים.
בעוד ש-WPT ו-RFEH סביבתי מהזנה ייעודית הם יישומי rectenna שונים, השגת התאמה מקצה לקצה בין אנטנה, מיישר ועומס היא בסיסית להשגת יעילות המרת הספק (PCE) גבוהה מנקודת מבט של רוחב פס. אף על פי כן, rectennas של WPT מתמקדים יותר בהשגת התאמת גורמי איכות גבוהה יותר (S11 נמוך יותר) כדי לשפר את PCE בפס יחיד ברמות הספק מסוימות (טופולוגיות a, e ו-f). רוחב הפס הרחב של WPT בפס יחיד משפר את חסינות המערכת בפני כוונון לא נכון, פגמי ייצור וטפילי אריזה. מצד שני, rectennas של RFEH נותנים עדיפות לפעולה רב-פסית ומשתייכים לטופולוגיות bd ו-g, מכיוון שצפיפות ההספק הספקטרלית (PSD) של פס יחיד נמוכה יותר בדרך כלל.
3. עיצוב אנטנה מלבנית
1. משולש חד-תדרי
תכנון האנטנה של אנטנה משולבת בתדר יחיד (טופולוגיה A) מבוסס בעיקר על תכנון אנטנה סטנדרטי, כגון קיטוב ליניארי (LP) או קיטוב מעגלי (CP) המקרין טלאי על מישור הקרקע, אנטנה דיפולרית ואנטנה F הפוכה. אנטנה משולבת בפס דיפרנציאלי מבוססת על מערך משולב של DC שתצורתו מוגדרת עם יחידות אנטנה מרובות או שילוב מעורב של DC ו-RF של יחידות טלאי מרובות.
מכיוון שרבות מהאנטנות המוצעות הן אנטנות בתדר יחיד ועומדות בדרישות של WPT בתדר יחיד, כאשר מחפשים RFEH רב-תדר סביבתי, אנטנות מרובות בתדר יחיד משולבות לאנטנות מרובות-תדרים (רנטנות) רב-תדרים (טופולוגיה B) עם דיכוי צימוד הדדי ושילוב DC עצמאי לאחר מעגל ניהול ההספק כדי לבודד אותן לחלוטין ממעגל רכישת והמרת RF. זה דורש מעגלי ניהול הספק מרובים עבור כל פס, מה שעשוי להפחית את יעילות ממיר ה-boost מכיוון שהספק ה-DC של פס יחיד נמוך.
2. אנטנות RFEH רב-פס ופס רחב
RFEH סביבתי מקושר לעיתים קרובות לרכישה רב-תדרים; לכן, הוצעו מגוון טכניקות לשיפור רוחב הפס של תכנוני אנטנות סטנדרטיים ושיטות ליצירת מערכי אנטנות דו-תדרים או תדרים. בסעיף זה, נסקור תכנוני אנטנות מותאמים אישית עבור RFEHs, כמו גם אנטנות רב-תדרים קלאסיות עם פוטנציאל לשימוש כאנטנות משולבות (rectennas).
אנטנות מוליכי גל קופלריות (CPW) מונופול תופסות שטח קטן יותר מאשר אנטנות טלאי מיקרוסטריפ באותו תדר ומייצרות גלי LP או CP, ומשמשות לעתים קרובות עבור אנטנות מלבניות סביבתיות בפס רחב. מישורי החזרה משמשים להגברת הבידוד ולשיפור ההגבר, וכתוצאה מכך דפוסי קרינה דומים לאנטנות טלאי. אנטנות מוליכי גל קופלריות מחורצות משמשות לשיפור רוחבי פס עכבה עבור תחומי תדרים מרובים, כגון 1.8-2.7 GHz או 1-3 GHz. אנטנות חריץ מוזנות מצומדות ואנטנות טלאי משמשות בדרך כלל גם בתכנוני מלבניות מרובות-תדרים. איור 3 מציג כמה אנטנות מרובות-תדרים שדווחו המשתמשות ביותר מטכניקת שיפור רוחב פס אחת.
איור 3
התאמת עכבה בין אנטנה למיישר
התאמת אנטנה של 50Ω למיישר לא ליניארי היא מאתגרת מכיוון שעכבת הקלט שלה משתנה מאוד עם התדר. בטופולוגיות A ו-B (איור 2), רשת ההתאמה הנפוצה היא התאמת LC המשתמשת באלמנטים מקובצים; עם זאת, רוחב הפס היחסי בדרך כלל נמוך יותר מרוב פסי התקשורת. התאמת סטוב-פס יחיד משמשת בדרך כלל בפסי מיקרוגל וגלי מילימטר מתחת ל-6 GHz, ולמלבני הגל המילימטר שדווחו יש רוחב פס צר מטבעו מכיוון שרוחב הפס של ה-PCE שלהם מוגבל על ידי דיכוי הרמוניות בפלט, מה שהופך אותם למתאימים במיוחד ליישומי WPT פס יחיד בפס הלא מורשה של 24 GHz.
למרקטנות בטופולוגיות C ו-D יש רשתות התאמה מורכבות יותר. רשתות התאמה מקוונות מבוזרות במלואן הוצעו להתאמת פס רחב, עם קצר חשמלי של בלוק RF/DC (מסנן מעביר) ביציאת המוצא או קבל חסימה של DC כנתיב חזרה להרמוניות של דיודות. ניתן להחליף את רכיבי המיישר בקבלים משולבים של מעגלים מודפסים (PCB), המסונתזים באמצעות כלי אוטומציה מסחריים לתכנון אלקטרוני. רשתות התאמה אחרות של מרקטנות בפס רחב משלבות אלמנטים מקובצים להתאמה לתדרים נמוכים יותר ואלמנטים מבוזרים ליצירת קצר RF בכניסה.
שינוי עכבת הקלט הנצפית על ידי העומס דרך מקור (הידועה כטכניקת משיכת מקור) שימש לתכנון מיישר פס רחב עם רוחב פס יחסי של 57% (1.25-2.25 גיגה-הרץ) ו-PCE גבוה ב-10% בהשוואה למעגלים מקובצים או מבוזרים. למרות שרשתות התאמה מתוכננות בדרך כלל להתאים אנטנות על פני כל רוחב הפס של 50Ω, ישנם דיווחים בספרות שבהם אנטנות פס רחב חוברו למיישרים צרי פס.
רשתות התאמה היברידיות של אלמנטים מגושמים ואלמנטים מבוזרים נמצאות בשימוש נרחב בטופולוגיות C ו-D, כאשר סלילים וקבלים טוריים הם האלמנטים המגושמים הנפוצים ביותר. אלה נמנעים ממבנים מורכבים כמו קבלים משולבים, הדורשים מידול וייצור מדויקים יותר מאשר קווי מיקרוסטריפ סטנדרטיים.
הספק הקלט למיישר משפיע על עכבת הקלט עקב אי-הלינאריות של הדיודה. לכן, המיקרטנה מתוכננת למקסם את ה-PCE עבור רמת הספק קלט ועכבת עומס ספציפיים. מכיוון שדיודות הן בעיקר בעלות עכבה גבוהה קיבולית בתדרים מתחת ל-3 גיגה-הרץ, מיקרטנות רחבות פס המבטלות רשתות התאמה או ממזערות מעגלי התאמה פשוטים התמקדו בתדרים Prf>0 dBm ומעל 1 גיגה-הרץ, מכיוון שלדיודות עכבה קיבולית נמוכה וניתן להתאים אותן היטב לאנטנה, ובכך להימנע מתכנון אנטנות עם ריאקטאנס קלט >1,000Ω.
התאמת עכבה אדפטיבית או ניתנת להגדרה מחדש נצפתה ברשתות CMOS מרובעות, שבהן רשת ההתאמה מורכבת מבנקי קבלים ומסלנים על השבב. רשתות התאמה CMOS סטטיות הוצעו גם עבור אנטנות סטנדרטיות של 50Ω, כמו גם עבור אנטנות לולאה שתוכננו במשותף. דווח כי גלאי הספק CMOS פסיביים משמשים לשליטה במתגים המכוונים את הפלט של האנטנה למיישרים שונים ולרשתות התאמה בהתאם להספק הזמין. הוצעה רשת התאמה ניתנת להגדרה מחדש באמצעות קבלים ניתנים להגדרה משולבת, אשר מכווננת על ידי כוונון עדין תוך מדידת עכבת הקלט באמצעות מנתח רשת וקטורית. ברשתות התאמה של מיקרוסטריפ ניתנות להגדרה מחדש, נעשה שימוש במתגי טרנזיסטור אפקט שדה כדי להתאים את קטעי ההתאמה כדי להשיג מאפיינים דו-פסיים.
למידע נוסף על אנטנות, אנא בקרו באתר:
זמן פרסום: 09 באוגוסט 2024
