1. Ro-ràdh
Tha buain lùtha tricead rèidio (RF) (RFEH) agus gluasad cumhachd gun uèir rèididheach (WPT) air ùidh mhòr a tharraing mar dhòighean air lìonraidhean gun uèir seasmhach gun bataraidh a choileanadh. Is e ceart-cheàrnan clach-oisinn shiostaman WPT agus RFEH agus tha buaidh mhòr aca air a’ chumhachd DC a thèid a lìbhrigeadh don luchd. Bidh eileamaidean antenna an ceart-cheàrnach a’ toirt buaidh dhìreach air èifeachdas an t-sruthain, agus faodaidh seo an cumhachd a thèid a bhuain atharrachadh grunn thursan. Tha am pàipear seo a’ dèanamh ath-sgrùdadh air dealbhaidhean antenna a thathas a’ cleachdadh ann an tagraidhean WPT agus RFEH àrainneachdail. Tha na ceart-cheàrnan a chaidh aithris air an seòrsachadh a rèir dà phrìomh shlat-tomhais: leud-bann impedance ceartachaidh antenna agus feartan rèididheachd an antenna. Airson gach slatan-tomhais, tha am figear airidheachd (FoM) airson diofar thagraidhean air a dhearbhadh agus air ath-sgrùdadh gu coimeasach.
Chaidh WPT a mholadh le Tesla tràth san 20mh linn mar dhòigh air mìltean de each-chumhachd a thar-chur. Nochd an teirm rectenna, a tha a’ toirt cunntas air antenna ceangailte ri ceartaiche gus cumhachd RF a bhuain, anns na 1950n airson tagraidhean tar-chuir cumhachd meanbh-tonn fànais agus gus cumhachd a thoirt do dhrònaichean fèin-riaghlaidh. Tha WPT uile-stiùiridh, fad-raoin air a chuingealachadh le feartan fiosaigeach a’ mheadhain iomadachaidh (adhair). Mar sin, tha WPT malairteach air a chuingealachadh sa mhòr-chuid ri gluasad cumhachd neo-rèididh faisg air raon airson cosgais electronics luchd-cleachdaidh gun uèir no RFID.
Mar a bhios caitheamh cumhachd innealan leth-chonnsachaidh agus nodan mothachaidh gun uèir a’ sìor dhol sìos, tha e nas fhasa nodan mothachaidh a chumhachdachadh le bhith a’ cleachdadh RFEH àrainneachdail no a’ cleachdadh luchd-sgaoilidh uile-stiùiridh cumhachd ìosal sgaoilte. Mar as trice bidh siostaman cumhachd gun uèir cumhachd ìosal a’ toirt a-steach aghaidh togail RF, riaghladh cumhachd DC agus cuimhne, agus meanbh-phròiseasar agus tar-chuir cumhachd ìosal.
Tha Figear 1 a’ sealltainn ailtireachd nód gun uèir RFEH agus na buileachadh aghaidh-deireadh RF a thathas ag aithris gu cumanta. Tha èifeachdas deireadh-gu-deireadh an t-siostam cumhachd gun uèir agus ailtireachd an lìonra fiosrachaidh is gluasaid cumhachd gun uèir sioncronaichte an urra ri coileanadh phàirtean fa leth, leithid antennas, ceartadairean, agus cuairtean riaghlaidh cumhachd. Chaidh grunn sgrùdaidhean litreachas a dhèanamh airson diofar phàirtean den t-siostam. Tha Clàr 1 a’ toirt geàrr-chunntas air ìre tionndaidh cumhachd, prìomh phàirtean airson tionndadh cumhachd èifeachdach, agus sgrùdaidhean litreachas co-cheangailte airson gach pàirt. Tha litreachas o chionn ghoirid a’ cur fòcas air teicneòlas tionndaidh cumhachd, topologaidhean ceartadairean, no RFEH mothachail air lìonra.
Figear 1
Ach chan eilear a’ meas dealbhadh antenna mar phàirt chudromach ann an RFEH. Ged a tha cuid de litreachas a’ beachdachadh air leud-bann agus èifeachdas antenna bho shealladh iomlan no bho shealladh sònraichte air dealbhadh antenna, leithid antennas beaga bìodach no antennas so-ghiùlain, chan eil buaidh paramadairean antenna sònraichte air gabhail cumhachd agus èifeachdas tionndaidh air a sgrùdadh gu mionaideach.
Tha am pàipear seo a’ dèanamh ath-sgrùdadh air dòighean dealbhaidh antenna ann an rectennas leis an amas dùbhlain dealbhaidh antenna sònraichte do RFEH agus WPT a dhealachadh bho dhealbhadh antenna conaltraidh àbhaisteach. Tha antennas air an coimeas bho dhà shealladh: maidseadh impedance deireadh-gu-deireadh agus feartan rèididheachd; anns gach cùis, tha an FoM air a chomharrachadh agus air ath-sgrùdadh anns na antennas ùr-nodha (SoA).
2. Leud-bann agus Maidseadh: Lìonraidhean RF Neo-50Ω
’S e beachdachadh tràth air a’ cho-rèiteachadh eadar lughdachadh agus cumhachd ann an tagraidhean innleadaireachd meanbh-thonn a th’ anns an impedance àbhaisteach de 50Ω. Ann an antennas, tha an leud-bann impedance air a mhìneachadh mar an raon tricead far a bheil an cumhachd ath-fhillte nas lugha na 10% (S11< − 10 dB). Leis gu bheil amplifiers fuaim ìosal (LNAn), amplifiers cumhachd, agus lorgairean mar as trice air an dealbhadh le maids impedance cuir a-steach 50Ω, thathas a’ toirt iomradh air stòr 50Ω gu traidiseanta.
Ann an rectenna, tha toradh an antenna air a bhiadhadh gu dìreach a-steach don rectifier, agus tha neo-loidhneachd an diode ag adhbhrachadh atharrachadh mòr anns an impedance cuir a-steach, leis a’ phàirt comasach a’ faighinn làmh an uachdair. A’ gabhail ris antenna 50Ω, is e am prìomh dhùbhlan lìonra maidseadh RF a bharrachd a dhealbhadh gus an impedance cuir a-steach atharrachadh gu impedance an rectifier aig tricead an ùidh agus a bharrachadh airson ìre cumhachd sònraichte. Anns a’ chùis seo, tha feum air leud-bann impedance deireadh-gu-deireadh gus dèanamh cinnteach à tionndadh RF gu DC èifeachdach. Mar sin, ged as urrainn dha antennas leud-bann neo-chrìochnach no ultra-fharsaing a choileanadh gu teòiridheach a’ cleachdadh eileamaidean ùineil no geoimeatraidh fèin-cho-phàirteach, bidh leud-bann an rectenna air a bhacadh leis an lìonra maidseadh rectifier.
Chaidh grunn thopailean rectenna a mholadh gus buain aon-chòmhlan agus ioma-chòmhlan no WPT a choileanadh le bhith a’ lughdachadh meòrachadh agus a’ meudachadh gluasad cumhachd eadar an antenna agus an ceartaiche. Tha Figear 2 a’ sealltainn structaran nan topailean rectenna a chaidh aithris, air an seòrsachadh a rèir an ailtireachd maidseadh impedance. Tha Clàr 2 a’ sealltainn eisimpleirean de rectennas àrd-choileanaidh a thaobh leud-bann deireadh-gu-deireadh (sa chùis seo, FoM) airson gach roinn.
Figear 2: Topologaidhean rectenna bho shealladh maidseadh leud-bann agus bacadh. (a) Rectenna aon-chòmhlan le antenna àbhaisteach. (b) Rectenna ioma-chòmhlan (air a dhèanamh suas de iomadh antenna ceangailte ri chèile) le aon cheartaichear agus lìonra maidseadh gach còmhlan. (c) Rectenna leathann-bann le iomadh port RF agus lìonraidhean maidseadh fa leth airson gach còmhlan. (d) Rectenna leathann-bann le antenna leathann-bann agus lìonra maidseadh leathann-bann. (e) Rectenna aon-chòmhlan a’ cleachdadh antenna beag gu dealain air a mhaidseadh gu dìreach ris an cheartaichear. (f) Antenna aon-chòmhlan, mòr gu dealain le bacadh iom-fhillte gus a cheangal ris an cheartaichear. (g) Rectenna leathann-bann le bacadh iom-fhillte gus a cheangal ris an cheartaichear thairis air raon de triceadan.
Ged a tha WPT agus RFEH àrainneachdail bho bhiadhadh sònraichte nan tagraidhean rectenna eadar-dhealaichte, tha e deatamach maidseadh deireadh-gu-deireadh a choileanadh eadar antenna, an ceartaichear agus an luchd gus èifeachdas tionndaidh cumhachd àrd (PCE) a choileanadh bho shealladh leud-bann. A dh’ aindeoin sin, tha rectennaichean WPT a’ cur barrachd fòcas air maidseadh factaran càileachd nas àirde (S11 nas ìsle) a choileanadh gus PCE aon-chòmhlan a leasachadh aig ìrean cumhachd sònraichte (topologies a, e agus f). Bidh leud-bann farsaing WPT aon-chòmhlan a’ leasachadh dìonachd an t-siostaim an aghaidh dì-thionndadh, lochdan saothrachaidh agus dìosganach pacaidh. Air an làimh eile, tha rectennaichean RFEH a’ toirt prìomhachas do obrachadh ioma-chòmhlan agus buinidh iad do topologies bd agus g, leis gu bheil dùmhlachd speactram cumhachd (PSD) aon chòmhlan nas ìsle san fharsaingeachd.
3. Dealbhadh antenna ceart-cheàrnach
1. Rectenna aon-tricead
Tha dealbhadh antenna rectenna aon-tricead (topology A) stèidhichte sa mhòr-chuid air dealbhadh antenna àbhaisteach, leithid poilearachd loidhneach (LP) no poilearachd chruinn (CP) le paiste rèididh air a’ phlèana talmhainn, antenna dipole agus antenna F inverted. Tha rectenna còmhlan eadar-dhealaichte stèidhichte air sreath measgachadh DC air a rèiteachadh le iomadh aonad antenna no measgachadh measgaichte DC agus RF de iomadh aonad paiste.
Leis gu bheil mòran de na h-antennaichean a thathar a’ moladh nan antennaichean aon-tricead agus a’ coinneachadh ri riatanasan WPT aon-tricead, nuair a thathar a’ sireadh RFEH ioma-tricead àrainneachdail, thèid iomadh antenna aon-tricead a chur còmhla ann an ceart-cheàrnan ioma-chòmhlan (topology B) le casg ceangail dha chèile agus cothlamadh DC neo-eisimeileach às deidh a’ chuairt riaghlaidh cumhachd gus an dealachadh gu tur bhon chuairt togail is tionndaidh RF. Feumaidh seo iomadh cuairt riaghlaidh cumhachd airson gach còmhlan, a dh’ fhaodadh èifeachdas an inneal-tionndaidh àrdachadh a lughdachadh leis gu bheil cumhachd DC aon chòmhlan ìosal.
2. Antennas RFEH ioma-chòmhlan agus leathan-bann
Bidh RFEH àrainneachdail gu tric co-cheangailte ri togail ioma-chòmhlan; mar sin, chaidh grunn dhòighean a mholadh airson leud-bann dhealbhaidhean antenna àbhaisteach a leasachadh agus dòighean airson sreathan antenna dà-chòmhlan no còmhlan a chruthachadh. Anns an earrainn seo, bidh sinn a’ dèanamh ath-sgrùdadh air dealbhaidhean antenna gnàthaichte airson RFEHan, a bharrachd air antennas ioma-chòmhlan clasaigeach leis a’ chomas a bhith air an cleachdadh mar rectennas.
Bidh antennas monopole treòraiche-tonn coplanar (CPW) a’ gabhail nas lugha de dh’àite na antennas paiste microstrip aig an aon tricead agus a’ toirt a-mach tonnan LP no CP, agus gu tric bidh iad air an cleachdadh airson rectennas àrainneachdail leathann-bann. Bithear a’ cleachdadh plèanaichean meòrachaidh gus aonaranachd a mheudachadh agus buannachd a leasachadh, agus mar thoradh air sin bidh pàtrain rèididheachd coltach ri antennas paiste. Bithear a’ cleachdadh antennas treòraiche-tonn coplanar slot gus leudan-bann impedance a leasachadh airson iomadh còmhlan tricead, leithid 1.8–2.7 GHz no 1–3 GHz. Bithear cuideachd a’ cleachdadh antennas slot le biadhadh ceangailte agus antennas paiste ann an dealbhadh rectenna ioma-chòmhlan. Tha Figear 3 a’ sealltainn cuid de na antennas ioma-chòmhlan a chaidh aithris a bhios a’ cleachdadh barrachd air aon dòigh leasachaidh leud-bann.
Figear 3
Maidseadh Impedance Antenna-Reactifier
Tha e dùbhlanach antenna 50Ω a mhaidseadh ri ceartaiche neo-loidhneach leis gu bheil an impedance cuir a-steach aige ag atharrachadh gu mòr a rèir tricead. Ann an topologaidhean A agus B (Figear 2), is e maids LC a th’ anns an lìonra maidseadh cumanta a’ cleachdadh eileamaidean cnapach; ge-tà, mar as trice bidh an leud-bann coimeasach nas ìsle na a’ mhòr-chuid de chòmhlain conaltraidh. Bithear a’ cleachdadh maidseadh stub aon-chòmhlan gu cumanta ann am còmhlain meanbh-thonn agus tonn-mìlemeatair fo 6 GHz, agus tha leud-bann cumhang aig na ceartaichean tonn-mìlemeatair a chaidh aithris leis gu bheil an leud-bann PCE aca air a bhacadh le casg harmonic toraidh, a tha gan dèanamh gu sònraichte freagarrach airson tagraidhean WPT aon-chòmhlan anns a’ chòmhlan gun chead 24 GHz.
Tha lìonraidhean maidseadh nas iom-fhillte aig na rectennas ann an topologaidhean C agus D. Chaidh lìonraidhean maidseadh loidhne làn-sgaoilte a mholadh airson maidseadh leathann-bann, le cuairt ghoirid bloc RF / DC (criathrag pas) aig a’ phort toraidh no capacitor bloc DC mar shlighe tilleadh airson harmonics diode. Faodar na co-phàirtean rectifier a chur an àite le capacitors eadar-fhighte bòrd cuairte clò-bhuailte (PCB), a tha air an co-chur a’ cleachdadh innealan fèin-ghluasaid dealbhaidh dealanach malairteach. Bidh lìonraidhean maidseadh rectenna leathann-bann eile a chaidh aithris a’ cothlamadh eileamaidean cnapach airson maidseadh ri triceadan nas ìsle agus eileamaidean sgaoilte airson goirid RF a chruthachadh aig an ionchur.
Chaidh atharrachadh a dhèanamh air an impedance cuir a-steach a chithear leis an luchd tro thùs (ris an canar an dòigh tarraing-tùs) gus ceartaichear leathann-bann a dhealbhadh le leud-bann coimeasach de 57% (1.25–2.25 GHz) agus PCE 10% nas àirde an taca ri cuairtean cnapach no sgaoilte. Ged a bhios lìonraidhean maidseadh air an dealbhadh mar as trice gus antennas a mhaidseadh thairis air an leud-bann 50Ω gu lèir, tha aithisgean anns an litreachas far an deach antennas leathann-bann a cheangal ri ceartaichean caol-bann.
Tha lìonraidhean maidseadh eileamaidean cnapach measgaichte agus eileamaidean sgaoilte air an cleachdadh gu farsaing ann an topologaidhean C agus D, le inductors sreath agus capacitors mar na h-eileamaidean cnapach as cumanta. Bidh iad sin a’ seachnadh structaran iom-fhillte leithid capacitors eadar-fhighte, a dh’ fheumas modaladh agus saothrachadh nas cruinne na loidhnichean microstrip àbhaisteach.
Bidh cumhachd cuir-a-steach an neach-ceartachaidh a’ toirt buaidh air an impedance cuir-a-steach air sgàth neo-loidhneachd an diode. Mar sin, tha an rectenna air a dhealbhadh gus an PCE a mheudachadh airson ìre cumhachd cuir-a-steach sònraichte agus impedance luchdan. Leis gu bheil diodes sa mhòr-chuid capacitive le impedance àrd aig triceadan fo 3 GHz, tha rectennas leathann-bann a chuireas às do lìonraidhean maidseadh no a lughdaicheas cuairtean maidseadh sìmplidh air a bhith ag amas air triceadan Prf>0 dBm agus os cionn 1 GHz, leis gu bheil impedance capacitive ìosal aig na diodes agus faodar an maidseadh gu math ris an antenna, agus mar sin a’ seachnadh dealbhadh antennas le ath-bhualadh cuir-a-steach >1,000Ω.
Chaidh maidseadh impedance atharrachail no ath-rèiteachaidh fhaicinn ann an rectennas CMOS, far a bheil an lìonra maidseadh air a dhèanamh suas de bhancaichean capacitor agus inductors air-chip. Chaidh lìonraidhean maidseadh CMOS statach a mholadh cuideachd airson antennas àbhaisteach 50Ω a bharrachd air antennas lùb co-dhealbhaichte. Chaidh aithris gu bheilear a’ cleachdadh lorgairean cumhachd CMOS fulangach gus smachd a chumail air suidsichean a bhios a’ stiùireadh toradh an antenna gu diofar rectifiers agus lìonraidhean maidseadh a rèir na cumhachd a tha ri fhaighinn. Chaidh lìonra maidseadh ath-rèiteachaidh a mholadh a’ cleachdadh capacitors atharrachail cnapach, a thèid a ghleusadh le bhith a’ gleusadh gu grinn fhad ‘s a tha an impedance cuir a-steach ga thomhas a’ cleachdadh anailisiche lìonra vectar. Ann an lìonraidhean maidseadh microstrip ath-rèiteachaidh, chaidh suidsichean transistor buaidh achaidh a chleachdadh gus na stubs maidseadh atharrachadh gus feartan dà-chòmhlan a choileanadh.
Gus barrachd ionnsachadh mu dheidhinn antennas, tadhail air:
Àm puist: 9 Lùnastal 2024
