1. מבוא
קצירת אנרגיה בתדר רדיו (RFEH) והעברת כוח אלחוטית קרינה (WPT) משכו עניין רב כשיטות להשגת רשתות אלחוטיות ברות קיימא נטולות סוללה. רקטנים הם אבן הפינה של מערכות WPT ו-RFEH ויש להם השפעה משמעותית על הספק ה-DC הנמסר לעומס. מרכיבי האנטנה של הרקטנה משפיעים ישירות על יעילות הקציר, מה שיכול לשנות את הספק הקצר במספר סדרי גודל. מאמר זה סוקר את עיצובי האנטנות המופעלים ביישומי WPT ו-RFEH סביבתיים. הרקטנות המדווחות מסווגות לפי שני קריטריונים עיקריים: רוחב הפס המיישר עכבה של האנטנה ומאפייני הקרינה של האנטנה. עבור כל קריטריון, נתון הכשרון (FoM) עבור יישומים שונים נקבע ונבדק באופן השוואתי.
WPT הוצעה על ידי טסלה בתחילת המאה ה-20 כשיטה להעברת אלפי כוחות סוס. המונח rectenna, המתאר אנטנה המחוברת למיישר כדי לקצור כוח RF, הופיע בשנות ה-50 עבור יישומי העברת כוח במיקרוגל בחלל ולהנעת מל"טים אוטונומיים. WPT רב-כיווני, לטווח ארוך, מוגבל על ידי התכונות הפיזיקליות של מדיום ההתפשטות (אוויר). לכן, WPT מסחרי מוגבל בעיקר להעברת כוח לא-קרינה בשדה הקרוב לטעינת מוצרי אלקטרוניקה אלחוטית או RFID.
ככל שצריכת החשמל של התקני מוליכים למחצה וצמתי חיישנים אלחוטיים ממשיכה לרדת, זה הופך לאפשרי יותר להפעיל צמתי חיישן באמצעות RFEH סביבתי או שימוש במשדרים כל-כיווניים מבוזרים בהספק נמוך. מערכות חשמל אלחוטיות בעלות הספק נמוך במיוחד מורכבות בדרך כלל מקצה קצה של רכישת RF, ניהול מתח DC וזיכרון, ומיקרו-מעבד ומקלט משדר בעלי הספק נמוך.
איור 1 מציג את הארכיטקטורה של צומת אלחוטי RFEH ואת יישומי הקצה הקדמיים של RF המדווחים בדרך כלל. היעילות מקצה לקצה של מערכת החשמל האלחוטית והארכיטקטורה של רשת המידע האלחוטי והעברת הכוח המסונכרנת תלויה בביצועים של רכיבים בודדים, כגון אנטנות, מיישרים ומעגלי ניהול חשמל. מספר סקרי ספרות נערכו עבור חלקים שונים של המערכת. טבלה 1 מסכמת את שלב המרת ההספק, מרכיבי מפתח להמרת הספק יעילה וסקרי ספרות קשורים לכל חלק. ספרות עדכנית מתמקדת בטכנולוגיית המרת הספק, טופולוגיות מיישרים או RFEH מודע לרשת.
איור 1
עם זאת, עיצוב האנטנה אינו נחשב כמרכיב קריטי ב-RFEH. למרות שספרות מסוימת מתייחסת לרוחב הפס והיעילות של האנטנה מנקודת מבט כוללת או מנקודת מבט ספציפית של עיצוב אנטנה, כגון אנטנות ממוזערות או לבישות, ההשפעה של פרמטרים מסוימים של אנטנה על קליטת הספק ויעילות ההמרה אינה מנותחת בפירוט.
מאמר זה סוקר טכניקות עיצוב אנטנות ברקטנות במטרה להבחין בין אתגרי עיצוב אנטנות ספציפיים ל-RFEH ו-WPT מעיצוב אנטנות תקשורת סטנדרטיות. אנטנות מושוות משתי נקודות מבט: התאמת עכבה מקצה לקצה ומאפייני קרינה; בכל מקרה, ה-FoM מזוהה ונבדק באנטנות המתקדמות ביותר (SoA).
2. רוחב פס והתאמה: רשתות RF שאינן 50Ω
העכבה האופיינית של 50Ω היא שיקול מוקדם של הפשרה בין הנחתה והספק ביישומים הנדסיים של 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 50Ω מקבל התייחסות מסורתית.
ברקטנה, הפלט של האנטנה מוזן ישירות למיישר, והאי-ליניאריות של הדיודה גורמת לשונות גדולה בעכבת הכניסה, כאשר הרכיב הקיבולי שולט. בהנחה שאנטנה של 50Ω, האתגר העיקרי הוא לתכנן רשת התאמת RF נוספת כדי להפוך את עכבת הכניסה לעכבה של המיישר בתדר העניין ולמטב אותה לרמת הספק ספציפית. במקרה זה, נדרש רוחב פס עכבה מקצה לקצה כדי להבטיח המרת RF ל-DC יעילה. לכן, למרות שאנטנות יכולות להשיג רוחב פס אינסופי או רחב במיוחד באמצעות אלמנטים תקופתיים או גיאומטריה משלימה עצמית, רוחב הפס של הרקטנה יהיה צוואר בקבוק על ידי רשת התאמת המיישר.
הוצעו מספר טופולוגיות רקטננה להשגת קצירת פס יחיד ורב פס או WPT על ידי מזעור השתקפויות ומקסום העברת הכוח בין האנטנה למיישר. איור 2 מציג את המבנים של טופולוגיות הרקטננה המדווחות, מסווגות לפי ארכיטקטורת התאמת העכבות שלהן. טבלה 2 מציגה דוגמאות לרקטנות בעלות ביצועים גבוהים ביחס לרוחב הפס מקצה לקצה (במקרה זה, FoM) עבור כל קטגוריה.
איור 2 טופולוגיות Rectenna מנקודת המבט של התאמת רוחב פס ועכבה. (א) רקטננה חד-פסית עם אנטנה סטנדרטית. (ב) ריקטנה רב-פסית (מורכבת ממספר אנטנות מצמידות הדדית) עם מיישר אחד ורשת תואמת לכל פס. (ג) רקמת פס רחב עם יציאות RF מרובות ורשתות תואמות נפרדות עבור כל פס. (ד) רשת פס רחב עם אנטנת פס רחב ורשת תואמת פס רחב. (ה) רקטננה חד-פסית באמצעות אנטנה קטנה חשמלית המותאמת ישירות למיישר. (ו) אנטנה חד-פסית, גדולה חשמלית עם עכבה מורכבת להצמדה למיישר. (ז) רקטננה בפס רחב עם עכבה מורכבת לצמוד למיישר בטווח של תדרים.
בעוד ש-WPT ו-ambient RFEH מהזנה ייעודית הם יישומי rectenna שונים, השגת התאמה מקצה לקצה בין האנטנה, המיישר והעומס היא בסיסית להשגת יעילות המרת הספק גבוהה (PCE) מנקודת מבט של רוחב הפס. עם זאת, רשתות WPT מתמקדות יותר בהשגת התאמת גורמים באיכות גבוהה יותר (S11 נמוך יותר) כדי לשפר את ה-PCE של פס יחיד ברמות הספק מסוימות (טופולוגיות a, e ו-f). רוחב הפס הרחב של WPT בפס יחיד משפר את חסינות המערכת בפני ניתוק, פגמי ייצור וטפילי אריזה. מצד שני, רקטנות RFEH מתעדפות פעולה מרובת פסים והן שייכות לטופולוגיות bd ו-g, מכיוון שצפיפות הספקטרלית ההספק (PSD) של פס בודד היא בדרך כלל נמוכה יותר.
3. עיצוב אנטנה מלבנית
1. רקטנה בת תדר בודד
עיצוב האנטנה של רקטננה חד-תדרית (טופולוגיה A) מבוסס בעיקר על עיצוב אנטנה סטנדרטי, כגון קיטוב ליניארי (LP) או קיטוב מעגלי (CP) המקרין תיקון על מישור ההארקה, אנטנת דיפול ואנטנת F הפוכה. רקטנת פס דיפרנציאלית מבוססת על מערך שילוב DC המוגדר עם מספר יחידות אנטנה או שילוב DC ו-RF מעורב של יחידות תיקון מרובות.
מכיוון שרבות מהאנטנות המוצעות הן אנטנות חד-תדריות ועומדות בדרישות של WPT חד-תדר, כאשר מחפשים RFEH סביבתי רב-תדרים, אנטנות מרובות תדרים בודדים משולבות לרקטנות רב-פסיות (טופולוגיה B) עם דיכוי צימוד הדדי ו שילוב DC עצמאי לאחר מעגל ניהול החשמל כדי לבודד אותם לחלוטין ממעגל הרכישה וההמרה של RF. זה מצריך מספר מעגלי ניהול צריכת חשמל עבור כל פס, מה שעשוי להפחית את היעילות של ממיר החיזוק מכיוון שהספק DC של פס בודד נמוך.
2. אנטנות RFEH רב-פס ובפס רחב
RFEH סביבתי מזוהה לעתים קרובות עם רכישה מרובת פסים; לפיכך, הוצעו מגוון טכניקות לשיפור רוחב הפס של עיצובים סטנדרטיים של אנטנות ושיטות ליצירת מערכי אנטנות דו-פס או פס. בסעיף זה, אנו סוקרים עיצובי אנטנות מותאמים אישית עבור RFEHs, כמו גם אנטנות מרובות פס קלאסיות עם פוטנציאל לשמש כרקטננות.
אנטנות מונופוליות מונופוליות של מוליך גל קו-פלארי (CPW) תופסות פחות שטח מאשר אנטנות טלאי מיקרו-סטריפ באותו תדר ומייצרות גלי LP או CP, והן משמשות לעתים קרובות עבור רקטנות סביבתיות רחבות פס. מישורי השתקפות משמשים להגברת הבידוד ולשיפור ההגברה, וכתוצאה מכך דפוסי קרינה דומים לאנטנות מדבקות. אנטנות מוליכי גל משותפות מחורצות משמשות לשיפור רוחבי פס עכבה עבור פסי תדר מרובים, כגון 1.8–2.7 GHz או 1–3 GHz. אנטנות חריצים מוזנות מצמדות ואנטנות תיקון נמצאות בשימוש נפוץ גם בעיצובי רקטננות מרובות פס. איור 3 מציג כמה אנטנות מרובות פס המדווחות המשתמשות ביותר מטכניקת שיפור רוחב פס אחת.
איור 3
התאמת עכבת אנטנה-מיישר
התאמת אנטנה של 50Ω למיישר לא ליניארי היא מאתגרת מכיוון שעכבת הכניסה שלה משתנה מאוד עם התדר. בטופולוגיות A ו-B (איור 2), רשת ההתאמה המשותפת היא התאמה LC באמצעות אלמנטים משובצים; עם זאת, רוחב הפס היחסי בדרך כלל נמוך מרוב פסי התקשורת. התאמת סטאב-פס בודד משמשת בדרך כלל ברצועות מיקרוגל וגלי מילימטר מתחת ל-6 גיגה-הרץ, ולמשטחי גל המילימטרים המדווחים יש רוחב פס צר מטבעו, מכיוון שרוחב הפס ה-PCE שלהם מוגבל על ידי דיכוי הרמוני פלט, מה שהופך אותם למתאימים במיוחד עבור יחיד יישומי פס WPT בפס 24 GHz ללא רישיון.
לשרשראות בטופולוגיות C ו-D יש רשתות התאמה מורכבות יותר. רשתות התאמת קווים מבוזרות במלואן הוצעו להתאמת פס רחב, עם קצר בלוק RF/DC (מסנן מעבר) ביציאת היציאה או קבל חוסם DC כנתיב חזרה להרמוניות דיודות. ניתן להחליף את רכיבי המיישר על ידי קבלים משולבים במעגלים מודפסים (PCB), אשר מסונתזים באמצעות כלי אוטומציה של עיצוב אלקטרוני מסחרי. רשתות התאמת רקטנה רחבות פס אחרות מדווחות משלבות אלמנטים מקובצים להתאמה לתדרים נמוכים יותר ואלמנטים מבוזרים ליצירת קצר RF בכניסה.
שינוי עכבת הקלט שנצפה על ידי העומס דרך מקור (המכונה טכניקת המשיכה של המקור) שימש לתכנון מיישר פס רחב עם רוחב פס יחסי של 57% (1.25-2.25 GHz) ו-PCE גבוה ב-10% בהשוואה למעגלים מקובצים או מבוזרים. . למרות שרשתות תואמות מתוכננות בדרך כלל להתאים אנטנות על כל רוחב הפס של 50Ω, ישנם דיווחים בספרות שבהם אנטנות פס רחב חוברו למיישרים פס צר.
רשתות התאמת אלמנטים היברידיים ואלמנטים מבוזרים היו בשימוש נרחב בטופולוגיות C ו-D, כאשר משרנים וקבלים מסדרה הם האלמנטים הגושיים הנפוצים ביותר. אלה נמנעים ממבנים מורכבים כגון קבלים משולבים, הדורשים מידול וייצור מדויקים יותר מקווי מיקרו-סטריפ סטנדרטיים.
הספק המבוא למיישר משפיע על עכבת הכניסה עקב חוסר הלינאריות של הדיודה. לכן, הרקטנה מתוכננת למקסם את ה-PCE עבור רמת הספק כניסה ועכבת עומס ספציפיים. מכיוון שדיודות הן בעיקר עכבה גבוהה קיבולית בתדרים מתחת ל-3 GHz, רשתות פס רחב המבטלות רשתות תואמות או ממזערות מעגלי התאמה פשוטים התמקדו בתדרים Prf>0 dBm ומעל 1 GHz, מאחר שלדיודות יש עכבה קיבולית נמוכה וניתן להתאים אותן היטב. לאנטנה, ובכך להימנע מתכנון של אנטנות עם תגובת כניסה >1,000Ω.
התאמת עכבות אדפטיבית או ניתנת להגדרה מחדש נראתה ברקטנות CMOS, שבהן הרשת המתאימה מורכבת מבנקי קבלים על-שבב ומשרנים. רשתות התאמת CMOS סטטיות הוצעו גם עבור אנטנות סטנדרטיות של 50Ω וכן אנטנות לולאה בתכנון משותף. דווח כי גלאי הספק CMOS פסיביים משמשים לשליטה במתגים המכוונים את הפלט של האנטנה למיישרים שונים ולרשתות תואמות בהתאם להספק הזמין. הוצעה רשת התאמה הניתנת להגדרה מחדש באמצעות קבלים ניתנים לכוונון בגוש, אשר מכווננת על ידי כוונון עדין תוך מדידת עכבת הכניסה באמצעות מנתח רשת וקטור. ברשתות התאמת מיקרו-סטריפ הניתנות להגדרה מחדש, נעשה שימוש במתגי טרנזיסטורי אפקט שדה כדי להתאים את התאים המתאימים להשגת מאפיינים דו-פסיים.
למידע נוסף על אנטנות, בקר בכתובת:
זמן פרסום: אוגוסט-09-2024
