1.Einleitung
Radiofrequenz-Energiegewinnung (RF) (RFEH) und radiative drahtlose Energieübertragung (WPT) haben als Methoden zur Realisierung batterieloser, nachhaltiger drahtloser Netzwerke großes Interesse geweckt. Rectennas bilden die Grundlage von WPT- und RFEH-Systemen und beeinflussen maßgeblich die an die Last gelieferte Gleichstromleistung. Die Antennenelemente der Rectenna wirken sich direkt auf die Energiegewinnungseffizienz aus, wodurch die gewonnene Leistung um mehrere Größenordnungen variieren kann. Dieser Artikel untersucht die in WPT- und Umgebungs-RFEH-Anwendungen eingesetzten Antennendesigns. Die beschriebenen Rectennas werden nach zwei Hauptkriterien klassifiziert: der Bandbreite der Antennengleichrichterimpedanz und den Strahlungseigenschaften der Antenne. Für jedes Kriterium wird die Gütezahl (FoM) für verschiedene Anwendungen ermittelt und vergleichend betrachtet.
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, entstand in den 1950er Jahren für Anwendungen zur Mikrowellenenergieübertragung im Weltraum und zur Stromversorgung autonomer Drohnen. Omnidirektionale WPT mit großer Reichweite wird durch die physikalischen Eigenschaften des Ausbreitungsmediums (Luft) eingeschränkt. Daher beschränkt sich kommerzielle WPT hauptsächlich auf die strahlungslose Energieübertragung im Nahfeld für das drahtlose Laden von Unterhaltungselektronik oder RFID.
Da der Stromverbrauch von Halbleiterbauelementen und drahtlosen Sensorknoten kontinuierlich sinkt, wird es immer sinnvoller, Sensorknoten über Umgebungs-HFEH oder verteilte omnidirektionale Sender mit geringem Stromverbrauch mit Strom zu versorgen. Drahtlose Stromversorgungssysteme mit extrem geringem Stromverbrauch bestehen in der Regel aus einem HF-Erfassungs-Frontend, Gleichstromversorgung und Speicherverwaltung sowie einem Mikroprozessor und Transceiver mit geringem Stromverbrauch.
Abbildung 1 zeigt die Architektur eines drahtlosen RFEH-Knotens und die gängigen RF-Frontend-Implementierungen. Die Gesamteffizienz des drahtlosen Energiesystems und die Architektur des synchronisierten drahtlosen Informations- und Energieübertragungsnetzwerks hängen von der Leistung einzelner Komponenten wie Antennen, Gleichrichtern und Energiemanagementschaltungen ab. Für verschiedene Systemteile wurden mehrere Literaturrecherchen durchgeführt. Tabelle 1 fasst die Energieumwandlungsstufe, die wichtigsten Komponenten für eine effiziente Energieumwandlung und die zugehörigen Literaturrecherchen für jeden Teil zusammen. Die aktuelle Literatur konzentriert sich auf Energieumwandlungstechnologie, Gleichrichtertopologien und netzwerkfähiges RFEH.
Abbildung 1
Das Antennendesign wird jedoch nicht als kritische Komponente bei RFEH betrachtet. Obwohl in der Literatur die Bandbreite und Effizienz von Antennen aus einer allgemeinen Perspektive oder aus der Perspektive eines spezifischen Antennendesigns, wie beispielsweise miniaturisierten oder tragbaren Antennen, betrachtet wird, wird der Einfluss bestimmter Antennenparameter auf den Leistungsempfang und die Umwandlungseffizienz nicht im Detail analysiert.
Dieser Artikel untersucht Antennendesigntechniken für Rectennas mit dem Ziel, die spezifischen Herausforderungen des RFEH- und WPT-Antennendesigns von denen für Standardkommunikationsantennen zu unterscheiden. Antennen werden aus zwei Perspektiven verglichen: End-to-End-Impedanzanpassung und Strahlungseigenschaften. In jedem Fall wird das FoM (FoM) der modernsten Antennen (SoA) ermittelt und überprüft.
2. Bandbreite und Anpassung: Nicht-50Ω-HF-Netzwerke
Die charakteristische Impedanz von 50 Ω ist eine frühe Überlegung zum Kompromiss zwischen Dämpfung und Leistung in Mikrowellenanwendungen. Bei Antennen ist 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 üblicherweise eine 50-Ω-Quelle verwendet.
Bei einer Rectenna wird der Antennenausgang direkt in den Gleichrichter eingespeist. Die Nichtlinearität der Diode führt zu einer starken Schwankung der Eingangsimpedanz, wobei die kapazitive Komponente dominiert. Bei einer 50-Ω-Antenne besteht die größte Herausforderung darin, ein zusätzliches HF-Anpassnetzwerk zu entwickeln, um die Eingangsimpedanz auf die Impedanz des Gleichrichters bei der gewünschten Frequenz umzuwandeln und für einen bestimmten Leistungspegel zu optimieren. In diesem Fall ist eine durchgehende Impedanzbandbreite erforderlich, um eine effiziente HF-Gleichstrom-Wandlung zu gewährleisten. Obwohl Antennen mithilfe periodischer Elemente oder selbstkomplementärer Geometrie theoretisch eine unendliche oder ultrabreite Bandbreite erreichen können, wird die Bandbreite der Rectenna durch das Gleichrichter-Anpassnetzwerk begrenzt.
Es wurden verschiedene Rectenna-Topologien vorgeschlagen, um Single- und Multiband-Harvesting (WPT) durch Minimierung von Reflexionen und Maximierung der Leistungsübertragung zwischen Antenne und Gleichrichter zu erreichen. Abbildung 2 zeigt die Strukturen der berichteten Rectenna-Topologien, kategorisiert nach ihrer Impedanzanpassungsarchitektur. Tabelle 2 zeigt Beispiele für Hochleistungs-Rectennas hinsichtlich der 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) Mehrband-Rectenna (bestehend aus mehreren miteinander gekoppelten Antennen) mit einem Gleichrichter und Anpassungsnetzwerk pro Band. (c) Breitband-Rectenna mit mehreren HF-Anschlüssen und separaten Anpassungsnetzwerken für jedes Band. (d) Breitband-Rectenna mit Breitbandantenne und Breitband-Anpassungsnetzwerk. (e) Einband-Rectenna mit elektrisch kleiner Antenne, die direkt an den Gleichrichter angepasst ist. (f) Einband-Rectenna mit elektrisch großer Antenne und komplexer Impedanz zur Konjugation mit dem Gleichrichter. (g) Breitband-Rectenna mit komplexer Impedanz zur Konjugation mit dem Gleichrichter über einen Frequenzbereich.
Obwohl WPT und Umgebungs-RFEH mit dedizierter Einspeisung unterschiedliche Anwendungen für Gleichrichterantennen sind, ist die vollständige Anpassung von Antenne, Gleichrichter und Last grundlegend für eine hohe Leistungsumwandlungseffizienz (PCE) aus Bandbreitensicht. WPT-Gleichrichterantennen konzentrieren sich jedoch stärker auf eine höhere Gütefaktoranpassung (niedrigerer S11-Wert), um die Einzelband-PCE bei bestimmten Leistungsstufen (Topologien a, e und f) zu verbessern. Die große Bandbreite von Einzelband-WPT verbessert die Systemimmunität gegen Verstimmung, Herstellungsfehler und parasitäre Gehäuseeffekte. RFEH-Gleichrichterantennen hingegen priorisieren den Mehrbandbetrieb und gehören zu den Topologien bd und g, da die Leistungsspektraldichte (PSD) eines Einzelbands im Allgemeinen geringer ist.
3. Rechteckiges Antennendesign
1. Einfrequenz-Rectenna
Das Antennendesign der Einfrequenz-Rectenna (Topologie A) basiert hauptsächlich auf dem Standardantennendesign, wie z. B. einem strahlenden Patch mit linearer Polarisation (LP) oder zirkularer Polarisation (CP) auf der Grundfläche, einer Dipolantenne und einer invertierten F-Antenne. Die Rectenna mit dem Differenzband basiert auf einem DC-Kombinationsarray, das mit mehreren Antenneneinheiten konfiguriert ist, oder einer gemischten DC- und HF-Kombination mehrerer Patcheinheiten.
Da viele der vorgeschlagenen Antennen Einfrequenzantennen sind und die Anforderungen eines Einfrequenz-WPT erfüllen, werden bei der Suche nach umgebungsgerechtem Mehrfrequenz-HFEH mehrere Einfrequenzantennen zu Mehrband-Rectennas (Topologie B) mit gegenseitiger Kopplungsunterdrückung und unabhängiger DC-Kombination nach der Leistungsmanagementschaltung kombiniert, um sie vollständig von der HF-Erfassungs- und -Konvertierungsschaltung zu isolieren. Dies erfordert mehrere Leistungsmanagementschaltungen für jedes Band, was die Effizienz des Aufwärtswandlers verringern kann, da die Gleichstromleistung eines einzelnen Bandes gering ist.
2. Multiband- und Breitband-RFEH-Antennen
Umweltbedingte RFEHs werden oft mit Mehrbandempfang in Verbindung gebracht. Daher wurden verschiedene Techniken zur Verbesserung der Bandbreite von Standardantennendesigns und zur Bildung von Dualband- oder Bandantennenarrays vorgeschlagen. In diesem Abschnitt untersuchen wir kundenspezifische Antennendesigns für RFEHs sowie klassische Mehrbandantennen mit dem Potenzial für den Einsatz als Rectennas.
Koplanar-Wellenleiter-Monopolantennen (CPW) benötigen bei gleicher Frequenz weniger Fläche als Mikrostreifen-Patchantennen und erzeugen LP- oder CP-Wellen. Sie werden häufig für breitbandige, umgebungstaugliche Gleichrichterantennen eingesetzt. Reflexionsflächen erhöhen die Isolation und verbessern die Verstärkung, wodurch Strahlungsmuster ähnlich denen von Patchantennen entstehen. Schlitzantennen mit koplanaren Wellenleitern verbessern die Impedanzbandbreite für mehrere Frequenzbänder, z. B. 1,8–2,7 GHz oder 1–3 GHz. Gekoppelt gespeiste Schlitzantennen und Patchantennen werden auch häufig in Mehrband-Gleichrichterantennen eingesetzt. Abbildung 3 zeigt einige gemeldete Mehrbandantennen, die mehr als eine Bandbreitenverbesserungstechnik nutzen.
Abbildung 3
Antennengleichrichter-Impedanzanpassung
Die Anpassung einer 50-Ω-Antenne an einen nichtlinearen Gleichrichter ist eine Herausforderung, da die Eingangsimpedanz stark mit der Frequenz variiert. In den Topologien A und B (Abbildung 2) ist das übliche Anpassungsnetzwerk eine LC-Anpassung mit konzentrierten Elementen; die relative Bandbreite ist jedoch in der Regel geringer als in den meisten Kommunikationsbändern. Single-Band-Stub-Anpassung wird häufig in Mikrowellen- und Millimeterwellenbändern unter 6 GHz eingesetzt. Die berichteten Millimeterwellen-Gleichrichterantennen haben eine von Natur aus schmale Bandbreite, da ihre PCE-Bandbreite durch die Unterdrückung von Ausgangsoberwellen eingeschränkt ist. Daher eignen sie sich besonders für Single-Band-WPT-Anwendungen im lizenzfreien 24-GHz-Band.
Die Gleichrichterantennen in den Topologien C und D verfügen über komplexere Anpassungsnetzwerke. Für die Breitbandanpassung wurden vollständig verteilte Leitungsanpassungsnetzwerke vorgeschlagen, mit einem HF-Block/Gleichstromkurzschluss (Passfilter) am Ausgangsport oder einem Gleichstromsperrkondensator als Rückleitung für Diodenoberwellen. Die Gleichrichterkomponenten können durch Leiterplatten-Interdigitalkondensatoren ersetzt werden, die mit handelsüblichen Tools zur Automatisierung des elektronischen Designs synthetisiert werden. Andere gemeldete Breitband-Gleichrichterantennen-Anpassungsnetzwerke kombinieren konzentrierte Elemente zur Anpassung an niedrigere Frequenzen und verteilte Elemente zur Erzeugung eines HF-Kurzschlusses am Eingang.
Durch Variation der Eingangsimpedanz der Last über 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 Schaltungen entwickelt. Obwohl Anpassungsnetzwerke typischerweise so ausgelegt sind, dass sie Antennen über die gesamte 50-Ω-Bandbreite anpassen, gibt es in der Literatur Berichte über den Anschluss von Breitbandantennen an Schmalbandgleichrichter.
Hybride Anpassungsnetzwerke mit konzentrierten und verteilten Elementen werden häufig in den Topologien C und D eingesetzt, wobei Reiheninduktivitäten und -kondensatoren die am häufigsten verwendeten konzentrierten Elemente sind. Diese vermeiden komplexe Strukturen wie interdigitale Kondensatoren, die eine genauere Modellierung und Herstellung erfordern als herkömmliche Mikrostreifenleitungen.
Die Eingangsleistung des Gleichrichters beeinflusst aufgrund der Nichtlinearität der Diode die Eingangsimpedanz. Daher ist die Gleichrichterantenne so ausgelegt, dass sie den PCE für einen bestimmten Eingangsleistungspegel und eine bestimmte Lastimpedanz maximiert. Da Dioden bei Frequenzen unter 3 GHz hauptsächlich kapazitiv hochohmig sind, konzentrieren sich Breitband-Gleichrichterantennen, die Anpassungsnetzwerke eliminieren oder vereinfachte Anpassungsschaltungen minimieren, auf Frequenzen Prf > 0 dBm und über 1 GHz, da die Dioden eine niedrige kapazitive Impedanz aufweisen und gut an die Antenne angepasst werden können. Dadurch wird die Entwicklung von Antennen mit Eingangsreaktanzen > 1.000 Ω vermieden.
Adaptive oder rekonfigurierbare Impedanzanpassung wurde bei CMOS-Gleichrichterantennen beobachtet, bei denen das Anpassungsnetzwerk aus integrierten Kondensatorbänken und Induktivitäten besteht. Statische CMOS-Anpassungsnetzwerke wurden auch für Standard-50-Ω-Antennen sowie gemeinsam entwickelte Rahmenantennen vorgeschlagen. Es wurde berichtet, dass passive CMOS-Leistungsdetektoren zur Steuerung von Schaltern verwendet werden, die den Antennenausgang je nach verfügbarer Leistung an verschiedene Gleichrichter und Anpassungsnetzwerke weiterleiten. Ein rekonfigurierbares Anpassungsnetzwerk mit konzentrierten, abstimmbaren Kondensatoren wurde vorgeschlagen, dessen Feinabstimmung während der Messung der Eingangsimpedanz mit einem Vektornetzwerkanalysator erfolgt. In rekonfigurierbaren Mikrostreifen-Anpassungsnetzwerken wurden Feldeffekttransistorschalter verwendet, um die Anpassungsstichleitungen anzupassen und so Dualband-Eigenschaften zu erreichen.
Um mehr über Antennen zu erfahren, besuchen Sie bitte:
Beitragszeit: 09.08.2024
