1. Einleitung
Die Energiegewinnung mittels Hochfrequenz (RF) (RFEH) und die drahtlose Strahlungsenergieübertragung (WPT) haben großes Interesse als Methoden zur Realisierung batterieloser, nachhaltiger drahtloser Netzwerke geweckt. Gleichrichterantennen (Rectennas) bilden die Grundlage von WPT- und RFEH-Systemen und haben einen signifikanten Einfluss auf die an die Last abgegebene Gleichstromleistung. Die Antennenelemente der Rectenna beeinflussen direkt die Energiegewinnungseffizienz, wodurch die gewonnene Leistung um mehrere Größenordnungen variieren kann. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die in WPT- und Umgebungs-RFEH-Anwendungen eingesetzten Antennendesigns. Die vorgestellten Rectennas werden anhand zweier Hauptkriterien klassifiziert: der Bandbreite der Gleichrichterimpedanz und den Strahlungseigenschaften der Antenne. Für jedes Kriterium wird die Gütezahl (FoM) für verschiedene Anwendungen ermittelt und vergleichend dargestellt.
Die drahtlose Energieübertragung (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 Hochfrequenzenergie beschreibt, entstand in den 1950er-Jahren für Anwendungen in der Mikrowellen-Energieübertragung im Weltraum und zur Stromversorgung autonomer Drohnen. Die omnidirektionale, weitreichende WPT ist durch die physikalischen Eigenschaften des Ausbreitungsmediums (Luft) begrenzt. Daher beschränkt sich die kommerzielle WPT hauptsächlich auf die nicht-radiative Energieübertragung im Nahfeld für das drahtlose Laden von Unterhaltungselektronik oder RFID.
Da der Stromverbrauch von Halbleiterbauelementen und drahtlosen Sensorknoten stetig sinkt, wird die Stromversorgung von Sensorknoten mittels Umgebungs-RFEH oder verteilter, energiesparender Rundstrahlsender immer praktikabler. Ultra-Low-Power-Systeme für die drahtlose Stromversorgung bestehen üblicherweise aus einer HF-Datenerfassungseinheit, Gleichstromversorgung und Speichermanagement sowie einem energiesparenden Mikroprozessor und Transceiver.
Abbildung 1 zeigt die Architektur eines RFEH-Funkknotens und die gängigen Implementierungen des HF-Frontends. 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 Leistungswandlungsstufe, die wichtigsten Komponenten für eine effiziente Leistungswandlung und die zugehörigen Literaturrecherchen für jeden Teil zusammen. Aktuelle Literatur konzentriert sich auf Leistungswandlungstechnologien, Gleichrichtertopologien oder netzwerkfähige RFEH.
Abbildung 1
Die Antennenkonstruktion wird bei RFEH jedoch nicht als kritische Komponente betrachtet. Obwohl in der Literatur Antennenbandbreite und -effizienz aus einer allgemeinen Perspektive oder aus der Perspektive spezifischer Antennenkonstruktionen, wie z. B. miniaturisierter oder tragbarer Antennen, untersucht werden, wird der Einfluss bestimmter Antennenparameter auf den Leistungsempfang und die Umwandlungseffizienz nicht detailliert analysiert.
Diese Arbeit untersucht Antennendesigntechniken für Gleichrichterantennen mit dem Ziel, die spezifischen Herausforderungen des Antennendesigns für RFEH und WPT von denen für Standard-Kommunikationsantennen abzugrenzen. Die Antennen werden unter zwei Gesichtspunkten verglichen: Impedanzanpassung und Strahlungseigenschaften. In jedem Fall wird das Gütekriterium (FoM) der modernsten Antennen ermittelt und bewertet.
2. Bandbreite und Anpassung: Nicht-50-Ω-HF-Netzwerke
Die charakteristische Impedanz von 50 Ω ist ein frühes Beispiel für den 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 als Referenz verwendet.
Bei einer Gleichrichterantenne wird das Antennensignal direkt in den Gleichrichter eingespeist. Die Nichtlinearität der Diode führt zu einer starken Variation der Eingangsimpedanz, wobei der kapazitive Anteil dominiert. Bei einer 50-Ω-Antenne besteht die größte Herausforderung darin, ein zusätzliches HF-Anpassungsnetzwerk zu entwerfen, das die Eingangsimpedanz an die Impedanz des Gleichrichters bei der gewünschten Frequenz anpasst und für eine bestimmte Leistung optimiert. In diesem Fall ist eine ausreichende Impedanzbandbreite erforderlich, um eine effiziente HF-Gleichstrom-Wandlung zu gewährleisten. Obwohl Antennen theoretisch unendliche oder extrem große Bandbreiten durch periodische Elemente oder selbstkomplementäre Geometrie erreichen können, wird die Bandbreite der Gleichrichterantenne durch das Anpassungsnetzwerk des Gleichrichters begrenzt.
Zur Erzielung von Ein- und Mehrband-Energiegewinnung bzw. drahtloser Energieübertragung (WPT) wurden verschiedene Rectenna-Topologien vorgeschlagen, die Reflexionen minimieren und die Leistungsübertragung zwischen Antenne und Gleichrichter maximieren. Abbildung 2 zeigt die Strukturen der beschriebenen Rectenna-Topologien, kategorisiert nach ihrer Impedanzanpassungsarchitektur. Tabelle 2 enthält Beispiele für leistungsstarke Rectennas hinsichtlich ihrer Gesamtbandbreite (in diesem Fall Gütefaktor) für jede Kategorie.
Abbildung 2: Rectenna-Topologien hinsichtlich Bandbreite und Impedanzanpassung. (a) Einband-Rectenna mit Standardantenne. (b) Mehrband-Rectenna (bestehend aus mehreren gekoppelten Antennen) mit einem Gleichrichter und einem 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, direkt an den Gleichrichter angepasster Antenne. (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 RFEH mit dedizierter Speisung unterschiedliche Anwendungen von Gleichrichterantennen darstellen, ist die vollständige Anpassung von Antenne, Gleichrichter und Last grundlegend für eine hohe Leistungsumwandlungseffizienz (PCE) über die gesamte Bandbreite. WPT-Gleichrichterantennen konzentrieren sich jedoch stärker auf eine höhere Gütefaktoranpassung (niedrigeres S11), um die PCE im Einzelbandbetrieb bei bestimmten Leistungspegeln zu verbessern (Topologien a, e und f). Die große Bandbreite von Einzelband-WPT verbessert die Systemimmunität gegenüber Verstimmungen, Fertigungsfehlern und parasitären Effekten im Gehäuse. RFEH-Gleichrichterantennen hingegen priorisieren den Mehrbandbetrieb und gehören zu den Topologien bd und g, da die spektrale Leistungsdichte (PSD) eines einzelnen Bandes im Allgemeinen geringer ist.
3. Rechteckige Antennenkonstruktion
1. Einzelfrequenz-Rectenna
Das Antennendesign einer Einzelfrequenz-Rectenna (Topologie A) basiert hauptsächlich auf Standardantennendesigns wie linear polarisierten (LP) oder zirkular polarisierten (CP) Patchantennen auf der Grundebene, Dipolantennen und invertierten F-Antennen. Differenzielle Band-Rectennas basieren auf einem DC-Kombinationsarray mit mehreren Antenneneinheiten oder einer gemischten DC- und HF-Kombination mehrerer Patchantennen.
Da viele der vorgeschlagenen Antennen Einzelfrequenzantennen sind und die Anforderungen der Einzelfrequenz-WPT erfüllen, werden für die Umgebungs-Mehrfrequenz-RFEH mehrere Einzelfrequenzantennen zu Mehrband-Rectennas (Topologie B) kombiniert. Dabei werden gegenseitige Kopplung unterdrückt und nach der Leistungsmanagementschaltung eine unabhängige Gleichstromkombination realisiert, um die Antennen vollständig vom HF-Erfassungs- und -Wandlungsschaltkreis zu isolieren. Dies erfordert für jedes Band mehrere Leistungsmanagementschaltungen, was die Effizienz des Aufwärtswandlers aufgrund der geringen Gleichstromleistung eines einzelnen Bandes beeinträchtigen kann.
2. Multiband- und Breitband-RFEH-Antennen
Umwelt-RFEH wird häufig mit Mehrband-Datenerfassung in Verbindung gebracht; daher wurden verschiedene Techniken zur Verbesserung der Bandbreite von Standardantennendesigns und Methoden zur Bildung von Dualband- oder Bandantennenarrays vorgeschlagen. In diesem Abschnitt geben wir einen Überblick über kundenspezifische Antennendesigns für RFEHs sowie über klassische Mehrbandantennen, die potenziell als Gleichrichterantennen eingesetzt werden können.
Koplanare Wellenleiter-Monopolantennen (CPW-Monopolantennen) benötigen bei gleicher Frequenz weniger Fläche als Mikrostreifen-Patchantennen und erzeugen linear polarisierte (LP) oder zirkular polarisierte (CP) Wellen. Sie werden häufig für Breitband-Umwelt-Rectennas eingesetzt. Reflexionsflächen erhöhen die Isolation und verbessern die Verstärkung, wodurch sich ähnliche Strahlungsmuster wie bei Patchantennen ergeben. Geschlitzte CPW-Antennen verbessern die Impedanzbandbreite für mehrere Frequenzbänder, beispielsweise 1,8–2,7 GHz oder 1–3 GHz. Gekoppelte Schlitzantennen und Patchantennen werden ebenfalls häufig in Mehrband-Rectenna-Designs verwendet. Abbildung 3 zeigt einige beschriebene Mehrbandantennen, die mehrere Techniken zur Bandbreitenverbesserung nutzen.
Abbildung 3
Impedanzanpassung zwischen Antenne und Gleichrichter
Die Anpassung einer 50-Ω-Antenne an einen nichtlinearen Gleichrichter ist anspruchsvoll, da sich ihre Eingangsimpedanz stark mit der Frequenz ändert. In den Topologien A und B (Abbildung 2) wird üblicherweise ein LC-Glied mit konzentrierten Bauelementen als Anpassungsnetzwerk verwendet; die relative Bandbreite ist jedoch in der Regel geringer als in den meisten Kommunikationsbändern. In Mikrowellen- und Millimeterwellenbändern unterhalb von 6 GHz wird häufig eine Einband-Stichleitungsanpassung eingesetzt. Die beschriebenen Millimeterwellen-Rectennas weisen eine inhärent geringe Bandbreite auf, da ihre PCE-Bandbreite durch die Unterdrückung von Ausgangsharmonischen begrenzt wird. Dies macht sie besonders geeignet für Einband-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, die am Ausgang einen HF-Sperrkreis/DC-Kurzschluss (Passfilter) oder einen DC-Sperrkondensator als Rückweg für Diodenoberwellen verwenden. Die Gleichrichterbauteile können durch in Leiterplatten integrierte Kondensatoren ersetzt werden, die mithilfe kommerzieller EDA-Software (Electronic Design Automation) synthetisiert werden. Andere beschriebene Breitband-Gleichrichterantennen kombinieren konzentrierte Elemente zur Anpassung an niedrigere Frequenzen mit verteilten Elementen zur Erzeugung eines HF-Kurzschlusses am Eingang.
Durch Variation der Eingangsimpedanz, die von der Last über eine Quelle erfasst wird (bekannt als Source-Pull-Technik), konnte ein Breitbandgleichrichter mit 57 % relativer Bandbreite (1,25–2,25 GHz) und 10 % höherem Wirkungsgrad im Vergleich zu konzentrierten oder verteilten Schaltungen entwickelt werden. Obwohl Anpassungsnetzwerke typischerweise für die Anpassung von Antennen über die gesamte 50-Ω-Bandbreite ausgelegt sind, gibt es in der Literatur Berichte über den Anschluss von Breitbandantennen an Schmalbandgleichrichter.
Hybride Anpassungsnetzwerke mit konzentrierten und verteilten Elementen finden in den Topologien C und D breite Anwendung, wobei Reiheninduktivitäten und -kondensatoren die gebräuchlichsten konzentrierten Elemente darstellen. Dadurch werden komplexe Strukturen wie Interdigital-Kondensatoren vermieden, die eine präzisere Modellierung und Fertigung erfordern als Standard-Mikrostreifenleitungen.
Die Eingangsleistung des Gleichrichters beeinflusst die Eingangsimpedanz aufgrund der Nichtlinearität der Diode. Daher ist die Gleichrichterantenne so ausgelegt, dass der Wirkungsgrad (PCE) für eine bestimmte Eingangsleistung und Lastimpedanz maximiert wird. Da Dioden bei Frequenzen unter 3 GHz primär kapazitiv und hochohmig sind, konzentriert man sich bei Breitband-Gleichrichterantennen, die auf Anpassungsnetzwerke verzichten oder vereinfachte Anpassungsschaltungen minimieren, auf Frequenzen Prf > 0 dBm und über 1 GHz. In diesem Bereich weisen die Dioden eine niedrige kapazitive Impedanz auf und lassen sich gut an die Antenne anpassen, wodurch die Entwicklung von Antennen mit Eingangsreaktanzen > 1000 Ω vermieden wird.
Adaptive oder rekonfigurierbare Impedanzanpassung wurde bei CMOS-Rectennas beobachtet, deren Anpassungsnetzwerk aus integrierten Kondensatorbänken und Induktivitäten besteht. Statische CMOS-Anpassungsnetzwerke wurden sowohl für Standard-50-Ω-Antennen als auch für gemeinsam entwickelte Schleifenantennen vorgeschlagen. Es wurde berichtet, dass passive CMOS-Leistungsdetektoren zur Ansteuerung von Schaltern verwendet werden, die den Antennenausgang je nach verfügbarer Leistung verschiedenen Gleichrichtern und Anpassungsnetzwerken zuweisen. Ein rekonfigurierbares Anpassungsnetzwerk mit diskreten, abstimmbaren Kondensatoren wurde vorgeschlagen, dessen Feinabstimmung durch Messung der Eingangsimpedanz mittels eines Vektornetzwerkanalysators erfolgt. In rekonfigurierbaren Mikrostreifen-Anpassungsnetzwerken werden Feldeffekttransistor-Schalter eingesetzt, um die Anpassungsstubs für Dualband-Eigenschaften anzupassen.
Um mehr über Antennen zu erfahren, besuchen Sie bitte:
Veröffentlichungsdatum: 09.08.2024
