1.Introduction
Tha buain lùth tricead rèidio (RF) (RFEH) agus gluasad cumhachd gun uèir radiative (WPT) air ùidh mhòr a tharraing mar dhòighean gus lìonraidhean uèirleas seasmhach gun bataraidh a choileanadh. Tha Rectennas mar chlach-oisinn de shiostaman WPT agus RFEH agus tha buaidh mhòr aca air a’ chumhachd DC a thèid a lìbhrigeadh don luchd. Bidh na h-eileamaidean antenna den rectenna a ’toirt buaidh dhìreach air èifeachdas buain, a dh’ fhaodas an cumhachd buain atharrachadh le grunn òrdughan meudachd. Bidh am pàipear seo a’ dèanamh lèirmheas air na dealbhaidhean antenna a thathas a’ cleachdadh ann an tagraidhean WPT agus RFEH mun cuairt. Tha na rectennas a chaidh aithris air an seòrsachadh a rèir dà phrìomh shlat-tomhais: an antenna a’ ceartachadh leud-bann bacaidh agus feartan rèididheachd an antenna. Airson gach slat-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 chumhachd eich a tharraing. 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 microwave fànais agus gus cumhachd a thoirt do dhrones fèin-riaghailteach. Omndirectional, fad-raon WPT air a chuingealachadh le feartan fiosaigeach a 'mheadhan iomadachaidh (adhair). Mar sin, tha WPT malairteach gu ìre mhòr air a chuingealachadh ri gluasad cumhachd neo-rèididh faisg air raon airson cosgais electronics luchd-cleachdaidh gun uèir no RFID.
Mar a bhios caitheamh cumhachd innealan semiconductor agus nodan mothachaidh gun uèir a ’dol sìos, bidh e nas so-dhèanta cumhachd a thoirt do nodan mothachaidh a’ cleachdadh RFEH àrainneachdail no a bhith a ’cleachdadh tar-chuir omnidirectional cumhachd ìosal sgaoilte. Mar as trice bidh siostaman cumhachd gun uèir ultra-ìosal a’ toirt a-steach ceann aghaidh togail RF, cumhachd DC agus riaghladh cuimhne, agus microprocessor cumhachd ìosal agus transceiver.
Tha Figear 1 a’ sealltainn ailtireachd nód gun uèir RFEH agus na gnìomhan aghaidh aghaidh RF a thathas ag aithris gu cumanta. Tha èifeachdas deireadh-gu-deireadh an t-siostam cumhachd gun uèir agus ailtireachd an lìonra fiosrachaidh gun uèir sioncronaich agus gluasad cumhachd an urra ri coileanadh phàirtean fa leth, leithid antennas, ceartachaidhean, agus cuairtean riaghlaidh cumhachd. Chaidh grunn sgrùdaidhean litreachais 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 litreachais co-cheangailte airson gach pàirt. Tha litreachas o chionn ghoirid ag amas air teicneòlas tionndaidh cumhachd, topologies ceartachaidh, no RFEH a tha mothachail air lìonra.
Figear 1
Ach, chan eilear a’ beachdachadh air dealbhadh antenna mar phàirt riatanach de RFEH. Ged a tha cuid de litreachas a’ beachdachadh air leud-bann antenna agus èifeachdas bho shealladh iomlan no bho shealladh dealbhadh antenna sònraichte, leithid antennas miniaturized no wearable, chan eilear a’ sgrùdadh gu mionaideach air buaidh cuid de pharamadairean antenna air fàilteachadh cumhachd agus èifeachdas tionndaidh.
Bidh am pàipear seo a’ dèanamh lèirmheas air dòighean dealbhaidh antenna ann an rectennas leis an amas dùbhlain dealbhaidh antenna sònraichte RFEH agus WPT a chomharrachadh bho dhealbhadh antenna conaltraidh àbhaisteach. Thathas a’ dèanamh coimeas eadar antennas bho dhà shealladh: maidseadh bacaidh deireadh-gu-deireadh agus feartan rèididheachd; anns gach cùis, tha am FoM air a chomharrachadh agus air ath-sgrùdadh anns na antennas as ùire (SoA).
2. Bandwidth agus Maids: Neo-50Ω RF Lìonraidhean
Tha bacadh sònraichte 50Ω na bheachdachadh tràth air a’ cho-rèiteachadh eadar lasachadh agus cumhachd ann an tagraidhean innleadaireachd microwave. Ann an antennas, tha an leud-bann bacaidh air a mhìneachadh mar an raon tricead far a bheil an cumhachd a tha air a nochdadh 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 bacadh cuir a-steach 50Ω, thathas gu traidiseanta a’ toirt iomradh air stòr 50Ω.
Ann an rectenna, tha toradh an antenna air a bhiathadh gu dìreach a-steach don cheartaiche, agus tha neo-loidhneachd an diode ag adhbhrachadh atharrachadh mòr anns a’ bhacadh cuir a-steach, leis a ’phàirt capacitive a’ faighinn làmh an uachdair. Le bhith a’ gabhail ri antenna 50Ω, is e am prìomh dhùbhlan lìonra maidsidh RF a bharrachd a dhealbhadh gus a’ bhacadh cuir a-steach atharrachadh gu bacadh an neach-ceartachaidh aig tricead ùidh agus a mheudachadh airson ìre cumhachd sònraichte. Anns a ’chùis seo, tha feum air leud-bann bacaidh deireadh-gu-deireadh gus dèanamh cinnteach à tionndadh RF gu DC èifeachdach. Mar sin, ged as urrainn dha antennas leud-bann teòiridheach neo-chrìochnach no ultra-leathann a choileanadh a’ cleachdadh eileamaidean bho àm gu àm no geoimeatraidh fèin-cho-phàirteach, bidh leud-bann an rectenna air a bhotail leis an lìonra maidsidh ceartachaidh.
Chaidh grunn topologies rectenna a mholadh gus buain aon-chòmhlan agus ioma-chòmhlan no WPT a choileanadh le bhith a’ lughdachadh faileasan agus a’ meudachadh gluasad cumhachd eadar an antenna agus an ceartaiche. Tha Figear 2 a’ sealltainn structaran nan topologies rectenna a chaidh aithris, air an seòrsachadh a rèir an ailtireachd co-ionnanachd bacadh aca. Tha Clàr 2 a’ sealltainn eisimpleirean de rectennas àrd-choileanaidh a thaobh leud-bann ceann-gu-deireadh (sa chùis seo, FoM) airson gach roinn.
Figear 2 topologies rectenna bho shealladh leud-bann agus maidseadh bacadh. (a) Retenna còmhlan singilte le antenna àbhaisteach. (b) Multiband rectenna (air a dhèanamh suas de ioma antennas ceangailte ri chèile) le aon ceartaiche agus lìonra maidsidh gach còmhlan. (c) Retenna bann-leathann le grunn phuirt RF agus lìonraidhean maidsidh fa leth airson gach còmhlan. (d) Retenna bann-leathann le antenna bann-leathann agus lìonra maidsidh bann-leathann. (e) Rectena còmhlan singilte a’ cleachdadh antenna beag dealain a tha air a mhaidseadh gu dìreach ris an neach-ceartachaidh. (f) Antenna bann singilte, mòr le dealan le cnap-starra iom-fhillte gus a dhol còmhla ris an inneal ceartachaidh. (g) Retenna bann-leathann le cnap-starra iom-fhillte gus a dhol còmhla ris an neach-ceartachaidh thairis air raon tricead.
Fhad ‘s a tha WPT agus RFEH àrainneachdail bho bhiadhadh sònraichte nan diofar thagraidhean rectenna, tha a bhith a’ coileanadh maidseadh deireadh-gu-deireadh eadar antenna, ceartaiche agus luchd bunaiteach gus èifeachdas tionndaidh cumhachd àrd (PCE) a choileanadh bho shealladh leud-bann. Ach a dh’ aindeoin sin, tha rectennas WPT a’ cuimseachadh barrachd air a bhith a’ coileanadh maids càileachd nas àirde (S11 nas ìsle) gus PCE aon-chòmhlan a leasachadh aig ìrean cumhachd sònraichte (topologies a, e agus f). Tha an leud-bann farsaing de WPT aon-chòmhlan a’ leasachadh dìonachd an t-siostaim gu bhith a’ lorg, a’ dèanamh lochdan agus a’ pacadh dìosganaich. Air an làimh eile, tha rectennas RFEH a’ toirt prìomhachas do obrachadh ioma-chòmhlan agus buinidh iad do thopologies bd agus g, leis gu bheil dùmhlachd speactram cumhachd (PSD) de chòmhlan singilte nas ìsle sa chumantas.
3. Dealbhadh antenna ceart-cheàrnach
1. Singilte-tricead rectenna
Tha dealbhadh antenna de rectenna aon-tricead (topology A) gu ìre mhòr stèidhichte air dealbhadh antenna àbhaisteach, leithid polarachadh sreathach (LP) no pìos rèididheachd polarization cruinn (CP) air an itealan talmhainn, antenna dipole agus antenna F inverted. Tha rectenna còmhlan eadar-dhealaichte stèidhichte air sreath measgachadh DC air a rèiteachadh le grunn aonadan antenna no measgachadh DC agus RF measgaichte de dh'aonadan paiste ioma-fhillte.
Leis gur e antennas aon-tricead a th’ ann am mòran de na h-antennas a thathar a’ moladh agus a’ coinneachadh ri riatanasan WPT aon-tricead, nuair a thathar a’ sireadh RFEH ioma-tricead àrainneachd, tha ioma antennas aon-tricead air an cur còmhla ann an rectennas ioma-chòmhlan (topology B) le casg air a chèile agus measgachadh DC neo-eisimeileach às deidh a’ chuairt riaghlaidh cumhachd gus an dealachadh gu tur bhon chuairt togail is tionndaidh RF. Feumaidh seo grunn chuairtean 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 bann-leathann
Tha RFEH àrainneachd gu tric co-cheangailte ri togail ioma-chòmhlan; Mar sin, chaidh grunn dhòighean a mholadh airson leud-bann dealbhadh àbhaisteach antenna a leasachadh agus dòighean airson arrays antenna dà-chòmhlan no còmhlan a chruthachadh. Anns an earrainn seo, bidh sinn ag ath-sgrùdadh dealbhadh antenna àbhaisteach airson RFEHn, a bharrachd air antennas ioma-chòmhlan clasaigeach le comas a bhith air an cleachdadh mar rectennas.
Bidh antennas monopole tonn-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 bidh iad gu tric air an cleachdadh airson rectennas àrainneachd bann-leathann. Bithear a’ cleachdadh plèanaichean meòrachaidh gus aonaranachd àrdachadh agus buannachd a leasachadh, a’ leantainn gu pàtrain rèididheachd coltach ri antennas paiste. Thathas a’ cleachdadh antennas tonn-tonn coplanar slotte gus leud-bann bacaidh a leasachadh airson bannan ioma-tricead, leithid 1.8–2.7 GHz no 1–3 GHz. Bithear cuideachd a’ cleachdadh antennas slot le biadhadh càraid agus antennas paiste ann an dealbhadh rectenna ioma-chòmhlan. Tha Figear 3 a’ sealltainn cuid de antennas ioma-chòmhlan a chaidh aithris a bhios a’ cleachdadh barrachd air aon dòigh leasachaidh leud-bann.
Figear 3
Co-fhreagairt bacadh Antenna-Rectifier
Tha e dùbhlanach a bhith a’ maidseadh antenna 50Ω ri ceartaiche neo-loidhneach leis gu bheil a bhacadh cuir a-steach ag atharrachadh gu mòr a rèir tricead. Ann an topologies A agus B (Figear 2), tha an lìonra maidsidh cumanta na gheama LC a’ cleachdadh eileamaidean cnapach; ge-tà, tha an leud-bann càirdeach mar as trice nas ìsle na a’ mhòr-chuid de chòmhlain conaltraidh. Bithear a’ cleachdadh maids stub còmhlan singilte gu cumanta ann am bannan tonn microwave agus millimeter fo 6 GHz, agus tha leud-bann caol gu ìre mhòr aig na rectennas tonn millimeter a chaidh aithris leis gu bheil an leud-bann PCE aca air a bhotal le bhith a’ cuir às do harmonic toraidh, a tha gan dèanamh gu sònraichte freagarrach airson aon-. tagraidhean WPT bann anns a’ chòmhlan 24 GHz gun chead.
Tha lìonraidhean maidsidh nas iom-fhillte aig na rectennas ann an topologies C agus D. Chaidh lìonraidhean maidsidh loidhne làn-sgaoileadh a mholadh airson maidseadh bann-leathann, le bloc RF / cuairt ghoirid DC (criathrag pas) aig a’ phort toraidh no inneal bacaidh DC mar shlighe tilleadh airson harmonics diode. Faodar capacitors eadar-dhidseatach bòrd cuairteachaidh clò-bhuailte (PCB) a chuir an àite na pàirtean ceartachaidh, a tha air an co-chur le bhith a’ cleachdadh innealan fèin-ghluasaid dealbhaidh dealanach malairteach. Bidh lìonraidhean maidsidh rectenna bann-leathann eile a chaidh aithris a’ cothlamadh eileamaidean cnapach airson a bhith a’ maidseadh triceadan nas ìsle agus eileamaidean sgaoilte airson RF goirid a chruthachadh aig an cuir a-steach.
Thathas air a bhith ag atharrachadh a’ bhacadh cuir a-steach a chunnaic an luchd tro stòr (ris an canar an dòigh tarraing stòr) gus ceartaiche bann-leathann a dhealbhadh le leud-bann 57% (1.25–2.25 GHz) agus 10% PCE nas àirde an coimeas ri cuairtean cnapach no sgaoilte. . Ged a tha lìonraidhean maidsidh mar as trice air an dealbhadh gus antennas a mhaidseadh thairis air an leud-bann 50Ω gu lèir, tha aithrisean anns an litreachas far an deach antennas bann-leathann a cheangal ri ceartadairean bann caol.
Thathas air lìonraidhean maidsidh eileamaid chnap-chinealach agus eileamaidean sgaoilte a chleachdadh gu farsaing ann an topologies 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-dhidseatach, a dh’ fheumas modaladh agus saothrachadh nas cruinne na loidhnichean microstrip àbhaisteach.
Tha an cumhachd cuir a-steach don cheartaiche a’ toirt buaidh air a’ bhacadh cuir a-steach air sgàth neo-loidhneachd an diode. Mar sin, tha an rectenna air a dhealbhadh gus am PCE a mheudachadh airson ìre cumhachd cuir a-steach sònraichte agus bacadh luchdan. Leis gu bheil diodes sa mhòr-chuid mar bhacadh àrd capacitive aig triceadan fo 3 GHz, tha rectennas bann-leathann a chuireas às do lìonraidhean maidsidh no a lughdaicheas cuairtean maidsidh nas sìmplidhe air a bhith ag amas air triceadan Prf> 0 dBm agus os cionn 1 GHz, leis gu bheil cnap-starra capacitive ìosal aig na diodes agus faodar a mhaidseadh gu math. don antenna, mar sin a’ seachnadh dealbhadh antennas le reactances cuir a-steach> 1,000Ω.
Tha maidseadh bacaidh atharrachail no ath-dhealbhaichte air fhaicinn ann an rectennas CMOS, far a bheil an lìonra maidsidh air a dhèanamh suas de bhancaichean capacitor air-chip agus inductors. Chaidh lìonraidhean co-fhreagarrach CMOS statach a mholadh cuideachd airson antennas àbhaisteach 50Ω a bharrachd air antennas lùb co-dhealbhaichte. Thathas air aithris gu bheil lorgairean cumhachd CMOS fulangach air an cleachdadh gus smachd a chumail air suidsichean a bhios a’ stiùireadh toradh an antenna gu diofar ceartadairean agus lìonraidhean maidsidh a rèir a’ chumhachd a tha ri fhaighinn. Thathas air moladh a dhèanamh air lìonra maidsidh ath-dhealbhaichte a’ cleachdadh capacitors tunable cnapach, a tha air a ghleusadh le gleusadh fhad ‘s a thathar a’ tomhas a’ bhacadh cuir a-steach a’ cleachdadh anailisiche lìonra vector. Ann an lìonraidhean maidsidh microstrip ath-dhealbhaichte, chaidh suidsichean transistor buaidh achaidh a chleachdadh gus na stocan maidsidh atharrachadh gus feartan dà-chòmhlan a choileanadh.
Airson tuilleadh fiosrachaidh mu antennas, tadhal air:
Ùine puist: Lùnastal-09-2024
