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