1. Giới thiệu
Thu năng lượng tần số vô tuyến (RF) (RFEH) và truyền năng lượng không dây bức xạ (WPT) đã thu hút sự quan tâm lớn như là các phương pháp để đạt được mạng không dây bền vững không cần pin. Rectenna là nền tảng của hệ thống WPT và RFEH và có tác động đáng kể đến công suất DC cung cấp cho tải. Các thành phần ăng-ten của rectenna ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất thu, có thể làm thay đổi công suất thu được theo nhiều cấp độ. Bài báo này đánh giá các thiết kế ăng-ten được sử dụng trong các ứng dụng WPT và RFEH xung quanh. Các rectenna được báo cáo được phân loại theo hai tiêu chí chính: băng thông trở kháng chỉnh lưu ăng-ten và các đặc tính bức xạ của ăng-ten. Đối với mỗi tiêu chí, hệ số công trạng (FoM) cho các ứng dụng khác nhau được xác định và xem xét so sánh.
WPT được Tesla đề xuất vào đầu thế kỷ 20 như một phương pháp truyền tải hàng nghìn mã lực. Thuật ngữ rectenna, dùng để chỉ 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 tải năng lượng vi sóng không gian và cung cấp năng lượng cho máy bay không người lái tự động. WPT 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 năng lượng không bức xạ trường gần cho sạc 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 bằng RFEH môi trường xung quanh hoặc sử dụng các máy phát đa hướng phân tán công suất thấp trở nên khả thi hơn. Hệ thống nguồn điện không dây công suất cực thấp thường bao gồm một đầu thu RF, quản lý nguồn DC và bộ nhớ, cùng một bộ vi xử lý và bộ thu phát công suất thấp.
Hình 1 cho thấy kiến trúc của một nút không dây RFEH và các triển khai RF front-end thường được báo cáo. Hiệu suất đầu cuối của hệ thống điện không dây và kiến trúc của mạng lưới truyền tải điện năng và thông tin không dây đồng bộ phụ thuộc vào hiệu suất của từng thành phần, chẳng hạn như ăng-ten, bộ chỉnh lưu và mạch quản lý điện năng. Một số khảo sát tài liệu đã được thực hiện cho các bộ phận khác nhau của hệ thống. Bảng 1 tóm tắt giai đoạn chuyển đổi điện năng, các thành phần chính để chuyển đổi điện năng hiệu quả và các khảo sát tài liệu liên quan cho từng bộ phận. Các tài liệu gần đây tập trung vào công nghệ chuyển đổi điện năng, cấu trúc liên kết bộ chỉnh lưu hoặc RFEH nhận biết mạng.
Hình 1
Tuy nhiên, thiết kế ăng-ten không được coi là một thành phần quan trọng trong RFEH. Mặc dù một số tài liệu xem xét băng thông và hiệu suất 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 ăng-ten đeo được, nhưng tác động của một số thông số ăng-ten đến hiệu suất thu và chuyển đổi công suất không được phân tích chi tiết.
Bài báo này đánh giá các kỹ thuật thiết kế ăng-ten trong rectenna với mục tiêu phân biệt các thách thức thiết kế ăng-ten đặc thù RFEH và WPT với thiết kế ăng-ten truyền thông tiêu chuẩn. Ăng-ten được so sánh từ hai góc độ: phối 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 tiên tiến (SoA).
2. Băng thông và khả năng khớp nối: Mạng RF không phải 50Ω
Trở kháng đặc trưng 50Ω là một yếu tố cần xem xét ban đầu về sự cân bằng giữa suy hao và công suất trong các ứng dụng kỹ thuật vi sóng. Trong ăng-ten, băng thông trở kháng được định nghĩa là dải tần số mà công suất phản xạ nhỏ hơn 10% (S11 < − 10 dB). Vì bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA), bộ khuếch đại công suất và bộ tách sóng thường được thiết kế với trở kháng đầu vào 50Ω, nên nguồn 50Ω thường được tham chiếu.
Trong rectenna, 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 trong trở kháng đầu vào, với thành phần điện dung chiếm ưu thế. Giả sử một ăng-ten 50Ω, thách thức chính là thiết kế một mạng lưới phối hợp RF bổ sung để biến đổi trở kháng đầu vào thành trở kháng của bộ chỉnh lưu ở tần số mong muốn 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 về mặt lý thuyết, ăng-ten có thể đạt được băng thông vô hạn hoặc cực rộng bằng cách sử dụng các phần tử tuần hoàn hoặc hình học tự bù, băng thông của rectenna sẽ bị thắt cổ chai bởi mạng lưới phối hợp chỉnh lưu.
Một số cấu trúc rectenna đã được đề xuất để đạt được khả năng thu thập tín hiệu đơn băng tần và đa băng tần (WPT) bằng cách giảm thiểu phản xạ và tối đa hóa truyền tải công suất giữa ăng-ten và bộ chỉnh lưu. Hình 2 cho thấy cấu trúc của các cấu trúc rectenna được báo cáo, được phân loại theo kiến trúc phối hợp trở kháng. Bảng 2 cho thấy các ví dụ về rectenna hiệu suất cao xét về băng thông đầu cuối (trong trường hợp này là FoM) cho từng loại.
Hình 2 Cấu trúc rectenna theo góc nhìn của sự kết hợp băng thông và trở kháng. (a) Rectenna băng tần đơn với ăng-ten tiêu chuẩn. (b) Rectenna đa băng tần (gồm nhiều ăng-ten ghép nối lẫn nhau) với một bộ chỉnh lưu và mạng kết hợp trên mỗi băng tần. (c) Rectenna băng thông rộng với nhiều cổng RF và mạng kết hợp riêng biệt cho mỗi băng tần. (d) Rectenna băng thông rộng với ăng-ten băng thông rộng và mạng kết hợp băng thông rộng. (e) Rectenna băng tần đơn sử dụng ăng-ten nhỏ về mặt điện được kết hợp trực tiếp với bộ chỉnh lưu. (f) Ăng-ten lớn về mặt điện, băng tần đơn với trở kháng phức tạp để kết hợp với bộ chỉnh lưu. (g) Rectenna băng thông rộng với trở kháng phức tạp để kết 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 rectenna khác nhau, việc đạt được sự khớp nối đầu cuối giữa ăng-ten, bộ chỉnh lưu và tải là điều cơ bản để đạt được hiệu suất chuyển đổi công suất (PCE) cao xét về mặt băng thông. Tuy nhiên, rectenna WPT tập trung nhiều hơn vào việc đạt được sự khớp nối hệ số chất lượng cao hơn (S11 thấp hơn) để cải thiện PCE băng tần đơn ở một số mức công suất nhất định (cấu trúc a, e và f). Băng thông rộng của WPT băng tần đơn giúp hệ thống miễn nhiễm với hiện tượng lệch pha, lỗi sản xuất và nhiễu đóng gói. Mặt khác, rectenna RFEH ưu tiên hoạt động đa băng tần và thuộc cấu trúc bd và g, vì mật độ phổ công suất (PSD) của một băng tần đơn thường thấp hơn.
3. Thiết kế ăng-ten hình chữ nhật
1. Rectenna tần số đơn
Thiết kế ăng-ten rectenna đơn tần (cấu trúc A) chủ yếu dựa trên thiết kế ăng-ten tiêu chuẩn, chẳng hạn như mảng bức xạ phân cực tuyến tính (LP) hoặc phân cực tròn (CP) trên mặt đất, ăng-ten lưỡng cực và ăng-ten F ngược. Rectenna băng tần vi sai dựa trên mảng kết hợp DC được cấu hình với nhiều đơn vị ăng-ten hoặc kết hợp DC và RF hỗn hợp của nhiều đơn vị vá.
Do nhiều ăng-ten được đề xuất là ăng-ten đơn tần và đáp ứng các yêu cầu của WPT đơn tần, khi tìm kiếm RFEH đa tần trong môi trường, nhiều ăng-ten đơn tần được kết hợp thành các rectenna đa băng tần (topo B) với cơ chế triệt nhiễu tương hỗ và kết hợp DC độc lập sau mạch quản lý công suất để cô lập hoàn toàn chúng khỏi mạch thu và chuyển đổi RF. Điều này đòi hỏi nhiều mạch quản lý công suất cho mỗi băng tần, điều này có thể làm giảm hiệu suất của bộ chuyển đổi tăng áp do công suất DC của một băng tần đơn thấp.
2. Ăng-ten RFEH đa băng tần và băng thông rộng
RFEH môi trường thường gắn liền với việc thu thập đa băng tần; do đó, nhiều kỹ thuật khác nhau 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 kép. 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 rectenna.
Ăng-ten đơn cực ống dẫn sóng đồng phẳng (CPW) chiếm ít diện tích hơn ăng-ten vá vi dải ở cùng tần số và tạo ra sóng LP hoặc CP, và thường được sử dụng cho các rectenna môi trường băng thông rộng. Các mặt phẳng phản xạ được sử dụng để tăng khả năng cách ly và cải thiện độ lợi, tạo ra các mẫu bức xạ tương tự như ăng-ten vá. Ăng-ten ống dẫn sóng đồng phẳng có khe 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 ghép nối và ăng-ten vá cũng thường được sử dụng trong các thiết kế rectenna 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
Phù hợp trở kháng ăng-ten-bộ chỉnh lưu
Việc kết hợp ăng-ten 50Ω với bộ chỉnh lưu phi tuyến tính 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 kết hợp phổ biến là kết hợp LC sử dụng các phần tử tập trung; tuy nhiên, băng thông tương đối thường thấp hơn hầu hết các băng tần truyền thông. Kết hợp stub đơn băng tần thường được sử dụng trong các băng tần vi sóng và sóng milimet dưới 6 GHz, và các rectenna sóng milimet được báo cáo có băng thông vốn đã hẹp do băng thông PCE của chúng bị nghẽn do triệt sóng hài đầu ra, khiến chúng đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng WPT đơn băng tần trong băng tần không cấp phép 24 GHz.
Các rectenna trong cấu trúc C và D có mạng lưới phối hợp phức tạp hơn. Các mạng lưới phối hợp đường dây phân tán hoàn toàn đã được đề xuất cho việc phối hợp băng thông rộng, với một khối RF/ngắn mạch DC (bộ lọc thông) ở cổng ra hoặc một tụ điện chặn DC làm đường hồi lưu cho sóng hài 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 lưới phối hợp rectenna 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 tán để tạo ra ngắn mạch RF ở đầu vào.
Việc thay đổi trở kháng đầu vào quan sát được bởi tải thông qua nguồn (được gọi là kỹ thuật kéo nguồn) đã được sử dụng để thiết kế một 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 tập trung hoặc phân tán. Mặc dù các mạng lưới phối hợp thường được thiết kế để phối hợp các ăng-ten trên toàn bộ băng thông 50Ω, nhưng có những báo cáo trong tài liệu cho thấy ăng-ten băng thông rộng đã được kết nối với các bộ chỉnh lưu băng hẹp.
Mạng lưới kết hợp phần tử tập trung và phần tử phân tán lai đã được sử dụng rộng rãi trong các cấu trúc C và D, với các cuộn cảm và tụ điện nối tiếp là các phần tử tập trung được sử dụng phổ biến nhất. Điều này tránh được các cấu trúc phức tạp như tụ điện đan xen, vốn đòi hỏi mô hình hóa và chế tạo chính xác hơn so với các đường 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, rectenna được thiết kế để tối đa hóa PCE cho một mức công suất đầu vào và trở kháng tải cụ thể. Vì diode chủ yếu là trở kháng điện dung cao ở tần số dưới 3 GHz, rectenna băng thông rộng loại bỏ mạng phối hợp hoặc giảm thiểu mạch phối hợp đơn giản đã tập trung vào các tần số Prf>0 dBm và trên 1 GHz, vì diode có trở kháng điện dung thấp và có thể 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 bộ chỉnh lưu CMOS, trong đó mạng phối hợp bao gồm các dãy tụ điện và cuộn cảm trên chip. Các mạng phối hợp CMOS tĩnh cũng đã được đề xuất cho các ăng-ten 50Ω tiêu chuẩn cũng như các ăng-ten vòng được thiết kế chung. 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 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 có thể điều chỉnh tập trung đã được đề xuất, được điều chỉnh bằng cách tinh chỉnh trong khi đo trở kháng đầu vào bằng bộ 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 nhánh phối hợp để 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
