1.Einleitung
Radiofrequenz (RF) Energy Harvesting (RFEH) und radiative Wireless Power Transfer (WPT) haben als Methoden zum Aufbau batterieloser, nachhaltiger drahtloser Netzwerke großes Interesse geweckt. Rectennas sind die Eckpfeiler von WPT- und RFEH-Systemen und haben einen erheblichen Einfluss auf die an die Last gelieferte Gleichstromleistung. Die Antennenelemente der Rectenna wirken sich direkt auf die Ernteeffizienz aus, wodurch die geerntete Leistung um mehrere Größenordnungen variieren kann. In diesem Artikel werden die Antennendesigns untersucht, die in WPT- und Umgebungs-RFEH-Anwendungen verwendet werden. Die gemeldeten Rectennas werden nach zwei Hauptkriterien klassifiziert: der Bandbreite der Gleichrichtungsimpedanz der Antenne und den Strahlungseigenschaften der Antenne. Für jedes Kriterium wird der Figure of Merit (FoM) für verschiedene Anwendungen ermittelt und vergleichend überprüft.
WPT wurde Anfang des 20. Jahrhunderts von Tesla als Methode zur Übertragung von Tausenden von PS vorgeschlagen. Der Begriff Rectenna, der eine an einen Gleichrichter angeschlossene Antenne zur Gewinnung von HF-Energie beschreibt, wurde in den 1950er Jahren für Anwendungen zur Mikrowellenenergieübertragung im Weltraum und zur Stromversorgung autonomer Drohnen eingeführt. Omnidirektionale WPT mit großer Reichweite werden durch die physikalischen Eigenschaften des Ausbreitungsmediums (Luft) eingeschränkt. Daher beschränkt sich kommerzielle WPT hauptsächlich auf die strahlungslose Nahfeld-Energieübertragung für das drahtlose Laden von Unterhaltungselektronik oder RFID.
Da der Stromverbrauch von Halbleitergeräten und drahtlosen Sensorknoten weiter sinkt, wird es immer praktikabler, Sensorknoten über Umgebungs-RFEH oder verteilte omnidirektionale Sender mit geringem Stromverbrauch mit Strom zu versorgen. Drahtlose Stromversorgungssysteme mit extrem geringem Stromverbrauch bestehen normalerweise aus einem HF-Erfassungs-Frontend, Gleichstrom- und Speicherverwaltung sowie einem Mikroprozessor und Transceiver mit geringem Stromverbrauch.
Abbildung 1 zeigt die Architektur eines RFEH-Funkknotens und die häufig gemeldeten RF-Front-End-Implementierungen. Die End-to-End-Effizienz des drahtlosen Energiesystems und der Architektur des synchronisierten drahtlosen Informations- und Energieübertragungsnetzwerks hängt von der Leistung einzelner Komponenten wie Antennen, Gleichrichter und Energieverwaltungsschaltungen ab. Für verschiedene Teile des Systems wurden mehrere Literaturrecherchen durchgeführt. Tabelle 1 fasst die Leistungsumwandlungsstufe, Schlüsselkomponenten für eine effiziente Leistungsumwandlung und entsprechende Literaturübersichten für jeden Teil zusammen. Die aktuelle Literatur konzentriert sich auf Energieumwandlungstechnologie, Gleichrichtertopologien oder netzwerkbewusstes RFEH.
Abbildung 1
Allerdings wird das Antennendesign bei RFEH nicht als kritische Komponente betrachtet. Obwohl einige Fachliteratur die Antennenbandbreite und -effizienz aus einer Gesamtperspektive oder aus einer bestimmten Perspektive des Antennendesigns betrachtet, beispielsweise bei miniaturisierten oder tragbaren Antennen, wird der Einfluss bestimmter Antennenparameter auf den Leistungsempfang und die Umwandlungseffizienz nicht im Detail analysiert.
In diesem Artikel werden Antennenentwurfstechniken in Rectennas untersucht, mit dem Ziel, RFEH- und WPT-spezifische Herausforderungen beim Antennenentwurf vom Standard-Kommunikationsantennenentwurf zu unterscheiden. Antennen werden aus zwei Perspektiven verglichen: End-to-End-Impedanzanpassung und Strahlungseigenschaften; In jedem Fall wird der FoM in den State-of-the-Art-Antennen (SoA) identifiziert und überprüft.
2. Bandbreite und Anpassung: Nicht-50-Ω-HF-Netzwerke
Die charakteristische Impedanz von 50 Ω ist eine frühe Betrachtung des Kompromisses zwischen Dämpfung und Leistung in mikrowellentechnischen Anwendungen. Bei Antennen wird die Impedanzbandbreite als der Frequenzbereich definiert, in dem die reflektierte Leistung weniger als 10 % beträgt (S11< − 10 dB). Da rauscharme Verstärker (LNAs), Leistungsverstärker und Detektoren typischerweise mit einer Eingangsimpedanzanpassung von 50 Ω ausgelegt sind, wird traditionell auf eine 50 Ω-Quelle verwiesen.
Bei einer Rectenna wird der Ausgang der Antenne direkt in den Gleichrichter eingespeist, und die Nichtlinearität der Diode verursacht eine große Variation der Eingangsimpedanz, wobei die kapazitive Komponente dominiert. Geht man von einer 50-Ω-Antenne aus, besteht die größte Herausforderung darin, ein zusätzliches HF-Anpassungsnetzwerk zu entwerfen, um die Eingangsimpedanz in die Impedanz des Gleichrichters bei der interessierenden Frequenz umzuwandeln und sie für einen bestimmten Leistungspegel zu optimieren. In diesem Fall ist eine durchgehende Impedanzbandbreite erforderlich, um eine effiziente HF-DC-Umwandlung sicherzustellen. Obwohl Antennen mit periodischen Elementen oder selbstkomplementärer Geometrie theoretisch eine unendliche oder ultrabreite Bandbreite erreichen können, wird die Bandbreite der Rectenna durch das Gleichrichter-Anpassnetzwerk begrenzt.
Es wurden mehrere Rectenna-Topologien vorgeschlagen, um Single-Band- und Multi-Band-Harvesting oder WPT durch Minimierung von Reflexionen und Maximierung der Leistungsübertragung zwischen der Antenne und dem Gleichrichter zu erreichen. Abbildung 2 zeigt die Strukturen der gemeldeten Rectenna-Topologien, kategorisiert nach ihrer Impedanzanpassungsarchitektur. Tabelle 2 zeigt Beispiele für Hochleistungs-Rectennas in Bezug auf die End-to-End-Bandbreite (in diesem Fall FoM) für jede Kategorie.
Abbildung 2 Rectenna-Topologien aus der Perspektive der Bandbreiten- und Impedanzanpassung. (a) Einband-Rectenna mit Standardantenne. (b) Multiband-Rectenna (bestehend aus mehreren miteinander gekoppelten Antennen) mit einem Gleichrichter und einem Anpassungsnetzwerk pro Band. (c) Breitband-Rectenna mit mehreren HF-Ports und separaten Anpassungsnetzwerken für jedes Band. (d) Breitband-Rectenna mit Breitbandantenne und Breitband-Anpassungsnetzwerk. (e) Einband-Gleichrichterantenne mit elektrisch kleiner Antenne, die direkt an den Gleichrichter angepasst ist. (f) Einbandige, elektrisch große Antenne mit komplexer Impedanz zur Verbindung mit dem Gleichrichter. (g) Breitband-Gleichrichterantenne mit komplexer Impedanz zur Konjugation mit dem Gleichrichter über einen Frequenzbereich.
Während WPT und Umgebungs-RFEH aus dedizierter Einspeisung unterschiedliche Rectenna-Anwendungen sind, ist die Erzielung einer End-to-End-Anpassung zwischen Antenne, Gleichrichter und Last von grundlegender Bedeutung, um aus Sicht der Bandbreite eine hohe Leistungsumwandlungseffizienz (PCE) zu erreichen. Dennoch konzentrieren sich WPT-Rectennas mehr auf die Erzielung einer höheren Qualitätsfaktoranpassung (niedrigerer S11), um die Einzelband-PCE bei bestimmten Leistungsniveaus (Topologien a, e und f) zu verbessern. Die große Bandbreite des Single-Band-WPT verbessert die Immunität des Systems gegenüber Verstimmungen, Herstellungsfehlern und Verpackungsparasiten. Andererseits priorisieren RFEH-Rectennas den Mehrbandbetrieb und gehören zu den Topologien bd und g, da die spektrale Leistungsdichte (PSD) eines einzelnen Bandes im Allgemeinen niedriger ist.
3. Rechteckiges Antennendesign
1. Einzelfrequenz-Rectenna
Das Antennendesign der Einzelfrequenz-Rectenna (Topologie A) basiert hauptsächlich auf dem Standardantennendesign, wie z. B. einem strahlenden Patch mit linearer Polarisation (LP) oder zirkularer Polarisation (CP) auf der Grundebene, einer Dipolantenne und einer invertierten F-Antenne. Die Differentialband-Rectenna basiert auf einem DC-Kombinationsarray, das mit mehreren Antenneneinheiten oder einer gemischten DC- und RF-Kombination aus mehreren Patcheinheiten konfiguriert ist.
Da viele der vorgeschlagenen Antennen Einzelfrequenzantennen sind und die Anforderungen von Einzelfrequenz-WPT erfüllen, werden bei der Suche nach umweltfreundlichem Mehrfrequenz-RFEH mehrere Einzelfrequenzantennen zu Mehrband-Rectennas (Topologie B) mit gegenseitiger Kopplungsunterdrückung kombiniert unabhängige DC-Kombination nach der Energieverwaltungsschaltung, um sie vollständig von der HF-Erfassungs- und Umwandlungsschaltung zu isolieren. Dies erfordert mehrere Energieverwaltungsschaltungen für jedes Band, was die Effizienz des Aufwärtswandlers verringern kann, da die Gleichstromleistung eines einzelnen Bandes niedrig ist.
2. Multiband- und Breitband-RFEH-Antennen
Umwelt-RFEH wird oft mit der Multiband-Erfassung in Verbindung gebracht; Daher wurden verschiedene Techniken zur Verbesserung der Bandbreite von Standardantennendesigns und Verfahren zur Bildung von Dualband- oder Bandantennenarrays vorgeschlagen. In diesem Abschnitt besprechen wir kundenspezifische Antennendesigns für RFEHs sowie klassische Multibandantennen mit der Möglichkeit, als Rectennas verwendet zu werden.
Monopolantennen mit koplanaren Wellenleitern (CPW) beanspruchen bei gleicher Frequenz weniger Fläche als Mikrostreifen-Patchantennen und erzeugen LP- oder CP-Wellen. Sie werden häufig für Breitband-Umweltantennen verwendet. Reflexionsebenen werden verwendet, um die Isolation zu erhöhen und den Gewinn zu verbessern, was zu Strahlungsmustern führt, die denen von Patchantennen ähneln. Geschlitzte koplanare Wellenleiterantennen werden verwendet, um die Impedanzbandbreite für mehrere Frequenzbänder wie 1,8–2,7 GHz oder 1–3 GHz zu verbessern. Gekoppelte Schlitzantennen und Patchantennen werden auch häufig in Multiband-Rectenna-Designs verwendet. Abbildung 3 zeigt einige gemeldete Multiband-Antennen, die mehr als eine Technik zur Bandbreitenverbesserung nutzen.
Abbildung 3
Anpassung der Antennen-Gleichrichter-Impedanz
Die Anpassung einer 50-Ω-Antenne an einen nichtlinearen Gleichrichter ist eine Herausforderung, da ihre Eingangsimpedanz stark mit der Frequenz variiert. In den Topologien A und B (Abbildung 2) ist das gemeinsame Matching-Netzwerk ein LC-Match mit konzentrierten Elementen. Allerdings ist die relative Bandbreite normalerweise geringer als bei den meisten Kommunikationsbändern. Single-Band-Stub-Matching wird üblicherweise in Mikrowellen- und Millimeterwellenbändern unter 6 GHz verwendet, und die gemeldeten Millimeterwellen-Rectennas haben von Natur aus eine schmale Bandbreite, da ihre PCE-Bandbreite durch die Unterdrückung von Ausgangsharmonischen eingeschränkt wird, wodurch sie sich besonders für Single-Band-Stub-Anpassungen eignen. Band-WPT-Anwendungen im 24-GHz-Freiband.
Die Rectennas in den Topologien C und D verfügen über komplexere Anpassungsnetzwerke. Für die Breitbandanpassung wurden vollständig verteilte Leitungsanpassungsnetzwerke mit einem HF-Block/Gleichstrom-Kurzschluss (Passfilter) am Ausgangsanschluss oder einem Gleichstrom-Sperrkondensator als Rückweg für Diodenoberschwingungen vorgeschlagen. Die Gleichrichterkomponenten können durch ineinandergreifende Kondensatoren auf Leiterplatten (PCB) ersetzt werden, die mit kommerziellen Automatisierungstools für elektronisches Design synthetisiert werden. Andere gemeldete Breitband-Rectenna-Anpassungsnetzwerke kombinieren konzentrierte Elemente zur Anpassung an niedrigere Frequenzen und verteilte Elemente zur Erzeugung eines HF-Kurzschlusses am Eingang.
Durch Variieren der von der Last beobachteten Eingangsimpedanz durch eine Quelle (bekannt als Source-Pull-Technik) wurde ein Breitbandgleichrichter mit 57 % relativer Bandbreite (1,25–2,25 GHz) und 10 % höherem PCE im Vergleich zu konzentrierten oder verteilten Schaltkreisen entwickelt . Obwohl Anpassungsnetzwerke in der Regel darauf ausgelegt sind, Antennen über die gesamte 50-Ω-Bandbreite anzupassen, gibt es in der Literatur Berichte, in denen Breitbandantennen mit Schmalbandgleichrichtern verbunden wurden.
In den Topologien C und D sind hybride Anpassungsnetzwerke mit konzentrierten und verteilten Elementen weit verbreitet, wobei Reiheninduktivitäten und -kondensatoren die am häufigsten verwendeten konzentrierten Elemente sind. Dadurch werden komplexe Strukturen wie ineinandergreifende Kondensatoren vermieden, die eine genauere Modellierung und Herstellung erfordern als Standard-Mikrostreifenleitungen.
Die Eingangsleistung des Gleichrichters beeinflusst aufgrund der Nichtlinearität der Diode die Eingangsimpedanz. Daher ist die Rectenna so konzipiert, dass sie den PCE für einen bestimmten Eingangsleistungspegel und eine bestimmte Lastimpedanz maximiert. Da Dioden bei Frequenzen unter 3 GHz in erster Linie kapazitiv hochohmig sind, wurden Breitband-Gleichantennen, die Anpassungsnetzwerke überflüssig machen oder vereinfachte Anpassungsschaltungen minimieren, auf Frequenzen Prf > 0 dBm und über 1 GHz konzentriert, da die Dioden eine niedrige kapazitive Impedanz haben und gut angepasst werden können zur Antenne, wodurch die Konstruktion von Antennen mit Eingangsreaktanzen >1.000 Ω vermieden wird.
Adaptive oder rekonfigurierbare Impedanzanpassung wurde bei CMOS-Rectennas beobachtet, bei denen das Anpassungsnetzwerk aus Kondensatorbänken und Induktivitäten auf dem Chip besteht. Statische CMOS-Anpassungsnetzwerke wurden auch für Standard-50-Ω-Antennen sowie mitentwickelte Rahmenantennen vorgeschlagen. Es wurde berichtet, dass passive CMOS-Leistungsdetektoren zur Steuerung von Schaltern verwendet werden, die den Ausgang der Antenne abhängig von der verfügbaren Leistung an verschiedene Gleichrichter und Anpassungsnetzwerke leiten. Es wurde ein rekonfigurierbares Anpassungsnetzwerk mit konzentrierten abstimmbaren Kondensatoren vorgeschlagen, das durch Feinabstimmung abgestimmt wird, während die Eingangsimpedanz mithilfe eines Vektornetzwerkanalysators gemessen wird. In rekonfigurierbaren Mikrostreifen-Anpassungsnetzwerken wurden Feldeffekttransistorschalter verwendet, um die Anpassungsstichleitungen anzupassen, um Dualband-Eigenschaften zu erreichen.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 09.08.2024
