1. Giới thiệu
Thu năng lượng tần số vô tuyến (RFEH) và truyền tải điện không dây bức xạ (WPT) đã thu hút sự quan tâm lớn như những phương pháp để đạt được mạng không dây bền vững không cần pin. Bộ chỉnh lưu (rectenna) là nền tảng của các hệ thống WPT và RFEH và có tác động đáng kể đến công suất DC cung cấp cho tải. Các phần tử anten của bộ chỉnh lưu ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất thu năng lượng, có thể làm thay đổi công suất thu được đến vài bậc độ lớn. Bài báo này xem xét các thiết kế anten được sử dụng trong các ứng dụng WPT và RFEH môi trường xung quanh. Các bộ chỉnh lưu được báo cáo được phân loại theo hai tiêu chí chính: băng thông trở kháng chỉnh lưu của anten và đặc tính bức xạ của anten. Đối với mỗi tiêu chí, chỉ số hiệu suất (FoM) cho các ứng dụng khác nhau được xác định và xem xét so sánh.
Công nghệ truyền tải điện không dây (WPT) được Tesla đề xuất vào đầu thế kỷ 20 như một phương pháp để truyền tải hàng nghìn mã lực. Thuật ngữ rectenna, mô tả một ăng-ten được kết nối với bộ chỉnh lưu để thu năng lượng tần số vô tuyến (RF), xuất hiện vào những năm 1950 cho các ứng dụng truyền tải điện vi sóng trong không gian và để cung cấp năng lượng cho máy bay không người lái tự hành. Truyền tải điện không dây đa hướng, tầm xa bị hạn chế bởi các đặc tính vật lý của môi trường truyền dẫn (không khí). Do đó, WPT thương mại chủ yếu giới hạn ở việc truyền tải điện không bức xạ tầm gần để sạc thiết bị điện tử tiêu dùng không dây hoặc RFID.
Khi mức tiêu thụ điện năng của các thiết bị bán dẫn và các nút cảm biến không dây tiếp tục giảm, việc cấp nguồn cho các nút cảm biến bằng cách sử dụng năng lượng tần số vô tuyến môi trường (ambient RFEH) hoặc sử dụng các bộ phát đa hướng công suất thấp phân tán trở nên khả thi hơn. Các hệ thống cấp nguồn không dây siêu tiết kiệm năng lượng thường bao gồm một giao diện thu nhận tần số vô tuyến (RF), nguồn DC và quản lý bộ nhớ, cùng với một bộ vi xử lý và bộ thu phát công suất thấp.
Hình 1 thể hiện kiến trúc của một nút không dây RFEH và các triển khai giao diện RF thường được báo cáo. Hiệu suất đầu cuối của hệ thống điện không dây và kiến trúc của mạng truyền tải thông tin và điện năng không dây đồng bộ phụ thuộc vào hiệu suất của các thành phần riêng lẻ, chẳng hạn như anten, bộ chỉnh lưu và mạch quản lý nguồn. Một số khảo sát tài liệu đã được thực hiện cho các phần khác nhau của hệ thống. Bảng 1 tóm tắt giai đoạn chuyển đổi năng lượng, các thành phần chính để chuyển đổi năng lượng hiệu quả và các khảo sát tài liệu liên quan cho từng phần. Các tài liệu gần đây tập trung vào công nghệ chuyển đổi năng lượng, cấu trúc bộ chỉnh lưu hoặc RFEH nhận biết mạng.
Hình 1
Tuy nhiên, thiết kế anten không được coi là một thành phần quan trọng trong RFEH. Mặc dù một số tài liệu xem xét băng thông và hiệu suất anten từ góc độ tổng thể hoặc từ góc độ thiết kế anten cụ thể, chẳng hạn như anten thu nhỏ hoặc anten đeo được, nhưng tác động của một số thông số anten nhất định đến khả năng thu nhận năng lượng và hiệu suất chuyển đổi lại không được phân tích chi tiết.
Bài báo này xem xét các kỹ thuật thiết kế anten trong các mạch chỉnh lưu với mục tiêu phân biệt những thách thức thiết kế anten đặc thù của RFEH và WPT so với thiết kế anten truyền thông tiêu chuẩn. Các anten được so sánh từ hai khía cạnh: khớp trở kháng đầu cuối và đặc tính bức xạ; trong mỗi trường hợp, chỉ số hiệu suất (FoM) được xác định và xem xét trong các anten tiên tiến nhất (SoA).
2. Băng thông và phối hợp trở kháng: Mạng RF không phải 50Ω
Trở kháng đặc trưng 50Ω là một yếu tố được xem xét ban đầu để cân bằng giữa suy hao và công suất trong các ứng dụng kỹ thuật vi sóng. Trong anten, băng thông trở kháng được định nghĩa là dải tần số mà công suất phản xạ nhỏ hơn 10% (S11 < − 10 dB). Vì các bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA), bộ khuếch đại công suất và bộ dò thường được thiết kế với trở kháng đầu vào phù hợp 50Ω, nên nguồn 50Ω thường được sử dụng làm nguồn tham chiếu.
Trong một rectenna, tín hiệu đầu ra của anten được đưa trực tiếp vào bộ chỉnh lưu, và tính phi tuyến của điốt gây ra sự biến thiên lớn trong trở kháng đầu vào, với thành phần điện dung chiếm ưu thế. Giả sử anten có trở kháng 50Ω, thách thức chính là thiết kế một mạng phối hợp RF bổ sung để chuyển đổi trở kháng đầu vào thành trở kháng của bộ chỉnh lưu ở tần số cần thiết và tối ưu hóa nó cho một mức công suất cụ thể. Trong trường hợp này, băng thông trở kháng đầu cuối là cần thiết để đảm bảo chuyển đổi RF sang DC hiệu quả. Do đó, mặc dù anten có thể đạt được băng thông vô hạn hoặc siêu rộng về mặt lý thuyết bằng cách sử dụng các phần tử tuần hoàn hoặc hình học tự bổ sung, băng thông của rectenna sẽ bị hạn chế bởi mạng phối hợp của bộ chỉnh lưu.
Một số cấu trúc rectenna đã được đề xuất để đạt được khả năng thu năng lượng đơn băng tần và đa băng tần hoặc truyền tải điện không dây (WPT) bằng cách giảm thiểu phản xạ và tối đa hóa truyền tải điện năng giữa anten và bộ chỉnh lưu. Hình 2 thể hiện cấu trúc của các cấu trúc rectenna đã được báo cáo, được phân loại theo kiến trúc phối hợp trở kháng của chúng. Bảng 2 đưa ra các ví dụ về rectenna hiệu suất cao về băng thông đầu cuối (trong trường hợp này là FoM) cho mỗi loại.
Hình 2. Các cấu trúc chỉnh lưu từ góc độ băng thông và phối hợp trở kháng. (a) Chỉnh lưu đơn băng tần với anten tiêu chuẩn. (b) Chỉnh lưu đa băng tần (bao gồm nhiều anten ghép nối với nhau) với một bộ chỉnh lưu và mạng phối hợp cho mỗi băng tần. (c) Chỉnh lưu băng rộng với nhiều cổng RF và mạng phối hợp riêng biệt cho mỗi băng tần. (d) Chỉnh lưu băng rộng với anten băng rộng và mạng phối hợp băng rộng. (e) Chỉnh lưu đơn băng tần sử dụng anten nhỏ về điện được phối hợp trực tiếp với bộ chỉnh lưu. (f) Anten đơn băng tần, lớn về điện với trở kháng phức để phối hợp với bộ chỉnh lưu. (g) Chỉnh lưu băng rộng với trở kháng phức để phối hợp với bộ chỉnh lưu trên một dải tần số.
Mặc dù WPT và RFEH môi trường từ nguồn cấp chuyên dụng là các ứng dụng chỉnh lưu khác nhau, việc đạt được sự phối hợp đầu cuối giữa anten, bộ chỉnh lưu và tải là điều cơ bản để đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) cao từ góc độ băng thông. Tuy nhiên, các chỉnh lưu WPT tập trung hơn vào việc đạt được hệ số chất lượng phối hợp cao hơn (S11 thấp hơn) để cải thiện PCE đơn băng tần ở một số mức công suất nhất định (các cấu trúc a, e và f). Băng thông rộng của WPT đơn băng tần giúp cải thiện khả năng chống lại sự lệch tần, lỗi sản xuất và các ký sinh trùng trong bao bì. Mặt khác, các chỉnh lưu RFEH ưu tiên hoạt động đa băng tần và thuộc các cấu trúc bd và g, vì mật độ phổ công suất (PSD) của một băng tần đơn thường thấp hơn.
3. Thiết kế anten hình chữ nhật
1. Ăng-ten chỉnh lưu đơn tần
Thiết kế anten của chỉnh lưu đơn tần (cấu trúc A) chủ yếu dựa trên thiết kế anten tiêu chuẩn, chẳng hạn như anten vá bức xạ phân cực tuyến tính (LP) hoặc phân cực tròn (CP) trên mặt phẳng tiếp đất, anten lưỡng cực và anten chữ F ngược. Chỉnh lưu băng tần vi sai dựa trên mảng kết hợp DC được cấu hình với nhiều đơn vị anten hoặc sự kết hợp hỗn hợp DC và RF của nhiều đơn vị vá.
Vì nhiều ăng-ten được đề xuất là ăng-ten đơn tần và đáp ứng các yêu cầu của truyền tải điện không dây đơn tần (WPT), khi tìm kiếm giải pháp thu năng lượng tần số vô tuyến đa tần (RFEH) thân thiện với môi trường, nhiều ăng-ten đơn tần được kết hợp thành các mạch chỉnh lưu đa băng tần (cấu trúc B) với khả năng triệt tiêu ghép nối tương hỗ và kết hợp DC độc lập sau mạch quản lý nguồn để cách ly hoàn toàn chúng khỏi mạch thu và chuyển đổi tần số vô tuyến. Điều này đòi hỏi nhiều mạch quản lý nguồn cho mỗi băng tần, có thể làm giảm hiệu suất của bộ chuyển đổi tăng áp vì công suất DC của một băng tần đơn thấp.
2. Ăng-ten RFEH đa băng tần và băng thông rộng
Thu phát sóng vô tuyến tần số vô tuyến môi trường (RFEH) thường liên quan đến việc thu nhận đa băng tần; do đó, nhiều kỹ thuật đã được đề xuất để cải thiện băng thông của các thiết kế anten tiêu chuẩn và các phương pháp tạo ra mảng anten hai băng tần hoặc nhiều băng tần. Trong phần này, chúng tôi xem xét các thiết kế anten tùy chỉnh cho RFEH, cũng như các anten đa băng tần cổ điển có tiềm năng được sử dụng làm anten chỉnh lưu.
Ăng-ten đơn cực dẫn sóng đồng phẳng (CPW) chiếm diện tích nhỏ hơn so với ăng-ten vá vi dải ở cùng tần số và tạo ra sóng LP hoặc CP, thường được sử dụng cho các ăng-ten chỉnh lưu môi trường băng thông rộng. Các mặt phẳng phản xạ được sử dụng để tăng độ cách ly và cải thiện độ lợi, dẫn đến các mẫu bức xạ tương tự như ăng-ten vá. Ăng-ten dẫn sóng đồng phẳng có khe được sử dụng để cải thiện băng thông trở kháng cho nhiều dải tần số, chẳng hạn như 1,8–2,7 GHz hoặc 1–3 GHz. Ăng-ten khe và ăng-ten vá được cấp nguồn ghép nối cũng thường được sử dụng trong thiết kế ăng-ten chỉnh lưu đa băng tần. Hình 3 cho thấy một số ăng-ten đa băng tần đã được báo cáo sử dụng nhiều hơn một kỹ thuật cải thiện băng thông.
Hình 3
Phối hợp trở kháng giữa ăng-ten và bộ chỉnh lưu
Việc ghép nối anten 50Ω với bộ chỉnh lưu phi tuyến rất khó khăn vì trở kháng đầu vào của nó thay đổi rất nhiều theo tần số. Trong các cấu trúc A và B (Hình 2), mạng ghép nối phổ biến là mạch LC sử dụng các phần tử tập trung; tuy nhiên, băng thông tương đối thường thấp hơn hầu hết các băng tần truyền thông. Ghép nối stub đơn băng tần thường được sử dụng trong các băng tần vi sóng và sóng milimét dưới 6 GHz, và các anten chỉnh lưu sóng milimét được báo cáo có băng thông hẹp vốn có vì băng thông PCE của chúng bị hạn chế bởi việc triệt tiêu hài đầu ra, điều này làm cho chúng đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng WPT đơn băng tần trong băng tần không cần giấy phép 24 GHz.
Các mạch chỉnh lưu trong cấu trúc C và D có mạng phối hợp trở kháng phức tạp hơn. Các mạng phối hợp đường truyền phân bố hoàn toàn đã được đề xuất cho việc phối hợp băng thông rộng, với mạch chặn RF/mạch ngắn DC (bộ lọc thông) ở cổng đầu ra hoặc tụ điện chặn DC làm đường dẫn trở về cho sóng hài của diode. Các thành phần chỉnh lưu có thể được thay thế bằng các tụ điện xen kẽ trên bảng mạch in (PCB), được tổng hợp bằng các công cụ tự động hóa thiết kế điện tử thương mại. Các mạng phối hợp mạch chỉnh lưu băng thông rộng khác được báo cáo kết hợp các phần tử tập trung để phối hợp với tần số thấp hơn và các phần tử phân bố để tạo ra mạch ngắn RF ở đầu vào.
Việc thay đổi trở kháng đầu vào mà tải quan sát được thông qua một nguồn (được gọi là kỹ thuật kéo nguồn) đã được sử dụng để thiết kế bộ chỉnh lưu băng rộng với băng thông tương đối 57% (1,25–2,25 GHz) và hiệu suất chuyển đổi quang điện (PCE) cao hơn 10% so với các mạch tập trung hoặc phân bố. Mặc dù các mạng phối hợp thường được thiết kế để phối hợp anten trên toàn bộ băng thông 50Ω, nhưng có những báo cáo trong tài liệu cho thấy anten băng rộng đã được kết nối với bộ chỉnh lưu băng hẹp.
Các mạng phối hợp hỗn hợp phần tử tập trung và phần tử phân bố đã được sử dụng rộng rãi trong các cấu trúc liên kết C và D, với cuộn cảm và tụ điện mắc nối tiếp là các phần tử tập trung được sử dụng phổ biến nhất. Chúng tránh được các cấu trúc phức tạp như tụ điện xen kẽ, vốn đòi hỏi mô hình hóa và chế tạo chính xác hơn so với các đường vi mạch tiêu chuẩn.
Công suất đầu vào của bộ chỉnh lưu ảnh hưởng đến trở kháng đầu vào do tính phi tuyến của điốt. Do đó, mạch chỉnh lưu-ăng-ten được thiết kế để tối đa hóa hiệu suất chuyển đổi quang điện (PCE) cho một mức công suất đầu vào và trở kháng tải cụ thể. Vì điốt chủ yếu có trở kháng cao dạng điện dung ở tần số dưới 3 GHz, nên các mạch chỉnh lưu-ăng-ten băng rộng loại bỏ các mạng phối hợp hoặc giảm thiểu các mạch phối hợp đơn giản đã tập trung vào các tần số Prf > 0 dBm và trên 1 GHz, vì điốt có trở kháng điện dung thấp và có thể được phối hợp tốt với ăng-ten, do đó tránh được việc thiết kế ăng-ten có điện kháng đầu vào > 1.000Ω.
Việc phối hợp trở kháng thích ứng hoặc có thể cấu hình lại đã được thấy trong các anten chỉnh lưu CMOS, trong đó mạng phối hợp bao gồm các dãy tụ điện và cuộn cảm tích hợp trên chip. Các mạng phối hợp CMOS tĩnh cũng đã được đề xuất cho các anten 50Ω tiêu chuẩn cũng như các anten vòng được thiết kế đồng bộ. Người ta đã báo cáo rằng các bộ dò công suất CMOS thụ động được sử dụng để điều khiển các công tắc hướng đầu ra của anten đến các bộ chỉnh lưu và mạng phối hợp khác nhau tùy thuộc vào công suất khả dụng. Một mạng phối hợp có thể cấu hình lại sử dụng các tụ điện điều chỉnh được đã được đề xuất, được điều chỉnh bằng cách tinh chỉnh trong khi đo trở kháng đầu vào bằng máy phân tích mạng vectơ. Trong các mạng phối hợp vi dải có thể cấu hình lại, các công tắc transistor hiệu ứng trường đã được sử dụng để điều chỉnh các đoạn mạch phối hợp nhằm đạt được đặc tính băng tần kép.
Để tìm hiểu thêm về ăng-ten, vui lòng truy cập:
Thời gian đăng bài: 09/08/2024
