1.Танилцуулга
Радио давтамж (RF) эрчим хүч цуглуулах (RFEH) болон цацрагийн утасгүй эрчим хүчний дамжуулалт (WPT) нь батерейгүй тогтвортой утасгүй сүлжээг бий болгох аргуудын хувьд ихээхэн сонирхол татсан. Rectenna нь WPT болон RFEH системийн тулгын чулуу бөгөөд ачаалалд хүргэх тогтмол гүйдлийн хүчд чухал нөлөө үзүүлдэг. Шулуун гэдэсний антенны элементүүд нь хураах үр ашигт шууд нөлөөлдөг бөгөөд энэ нь хураасан хүчийг хэд хэдэн дарааллаар өөрчилж болно. Энэхүү нийтлэлд WPT болон орчны RFEH програмуудад ашигласан антенны загварыг авч үзсэн. Мэдээлсэн шулуун тэнхлэгүүдийг хоёр үндсэн шалгуурын дагуу ангилдаг: антенны эсэргүүцлийн зурвасын өргөн ба антенны цацрагийн шинж чанар. Шалгуур бүрийн хувьд өөр өөр өргөдлийн үр ашгийн үзүүлэлтийг (FoM) тодорхойлж, харьцуулан шалгана.
WPT-ийг 20-р зууны эхээр Тесла олон мянган морины хүчийг дамжуулах арга болгон санал болгосон. RF-ийн хүчийг авахын тулд Шулуутгагчтай холбогдсон антенныг тодорхойлдог rectenna нэр томъёо нь 1950-иад онд сансрын богино долгионы цахилгаан дамжуулах хэрэглээ болон автономит нисгэгчгүй онгоцыг тэжээхэд зориулж гарч ирсэн. Бүх чиглэлтэй, урт хугацааны WPT нь тархалтын орчны (агаар) физик шинж чанараар хязгаарлагддаг. Тиймээс арилжааны WPT нь голчлон утасгүй хэрэглээний цахилгаан хэрэгслийг цэнэглэх эсвэл RFID-д зориулж ойрын талбайн цацрагийн бус эрчим хүчний дамжуулалтаар хязгаарлагддаг.
Хагас дамжуулагч төхөөрөмж болон утасгүй мэдрэгчийн зангилааны эрчим хүчний хэрэглээ буурах тусам мэдрэгчийн зангилааг орчны RFEH эсвэл хуваарилагдсан бага чадлын бүх чиглэлтэй дамжуулагч ашиглан тэжээх нь илүү боломжтой болж байна. Хэт бага чадлын утасгүй эрчим хүчний системүүд нь ихэвчлэн RF хүлээн авах урд хэсэг, тогтмол гүйдлийн хүч ба санах ойн удирдлага, бага чадлын микропроцессор болон дамжуулагчаас бүрддэг.
Зураг 1-д RFEH утасгүй зангилааны архитектур болон нийтлэг мэдээлэгдсэн RF-ийн урд талын хэрэгжилтийг харуулав. Утасгүй эрчим хүчний системийн төгсгөл хүртэлх үр ашиг, синхрон утасгүй мэдээлэл, эрчим хүч дамжуулах сүлжээний архитектур нь антен, шулуутгагч, тэжээлийн удирдлагын хэлхээ зэрэг бие даасан бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн гүйцэтгэлээс хамаарна. Системийн янз бүрийн хэсгүүдийн талаар хэд хэдэн ном зохиолын судалгаа явуулсан. Хүснэгт 1-д цахилгаан хувиргах үе шат, үр ашигтай эрчим хүчний хувиргалт хийх гол бүрэлдэхүүн хэсгүүд болон хэсэг тус бүрийн холбогдох ном зохиолын судалгааг нэгтгэн харуулав. Сүүлийн үеийн уран зохиолууд нь эрчим хүч хувиргах технологи, Шулуутгагч топологи эсвэл сүлжээг мэддэг RFEH-д анхаарлаа хандуулдаг.
Зураг 1
Гэсэн хэдий ч антенны дизайн нь RFEH-ийн чухал бүрэлдэхүүн хэсэг гэж тооцогддоггүй. Хэдийгээр зарим ном зохиолууд антенны зурвасын өргөн ба үр ашгийг ерөнхий өнцгөөс эсвэл антенны дизайны тодорхой өнцгөөс, тухайлбал жижигрүүлсэн эсвэл өмсөж болох антеннуудаас авч үздэг ч зарим антенны параметрүүдийн цахилгаан хүлээн авах болон хувиргах үр ашигт үзүүлэх нөлөөг нарийвчлан судлаагүй байна.
Энэхүү нийтлэлд RFEH болон WPT-ийн тусгай антенны дизайны сорилтуудыг стандарт холбооны антенны загвараас ялгах зорилгоор шулуун тэнхлэгт антенны дизайны техникийг авч үзсэн болно. Антеннуудыг хоёр талаас нь харьцуулдаг: төгсгөл хоорондын эсэргүүцэл ба цацрагийн шинж чанар; тохиолдол бүрт FoM-ийг хамгийн сүүлийн үеийн (SoA) антеннуудад тодорхойлж, хянаж үздэг.
2. зурвасын өргөн ба тохирох: 50Ω бус RF сүлжээ
50Ω-ийн онцлог эсэргүүцэл нь богино долгионы инженерчлэлийн хэрэглээнд унтрах болон хүч чадлын хоорондох буултыг эрт авч үзэх явдал юм. Антеннуудад эсэргүүцлийн зурвасын өргөнийг туссан хүч 10%-иас бага давтамжийн муж гэж тодорхойлдог (S11< - 10 дБ). Дуу чимээ багатай өсгөгч (LNA), цахилгаан өсгөгч болон детекторууд нь ихэвчлэн 50Ω оролтын эсэргүүцэлтэй тохирдог тул 50Ω-ийн эх үүсвэрийг ихэвчлэн ашигладаг.
Rectenna-д антенны гаралт нь Шулуутгагч руу шууд тэжээгддэг бөгөөд диодын шугаман бус байдал нь оролтын эсэргүүцлийн ихээхэн өөрчлөлтийг үүсгэдэг бөгөөд багтаамжийн бүрэлдэхүүн хэсэг давамгайлдаг. 50Ω антенн гэж үзвэл оролтын эсэргүүцэлийг шулуутгагчийн эсэргүүцлийн давтамж руу шилжүүлж, тодорхой чадлын түвшинд оновчтой болгох нэмэлт RF-ийн тохирох сүлжээг зохион бүтээх нь гол асуудал юм. Энэ тохиолдолд RF-ийг тогтмол гүйдлийн үр ашигтай хөрвүүлэхийн тулд төгсгөл хоорондын эсэргүүцлийн зурвасын өргөн шаардлагатай. Тиймээс, антеннууд нь үе үе элементүүд эсвэл өөрөө нэмэлт геометр ашиглан онолын хувьд хязгааргүй эсвэл хэт өргөн зурвасын өргөнийг олж авах боломжтой боловч шулуун шугамын зурвасын өргөнийг Шулуутгагч тохирох сүлжээгээр саатуулах болно.
Антенн ба Шулуутгагч хоёрын хооронд тусгалыг багасгаж, эрчим хүчний дамжуулалтыг нэмэгдүүлэх замаар нэг ба олон зурваст хураах буюу WPT-д хүрэхийн тулд хэд хэдэн rectenna топологийг санал болгосон. Зураг 2-т тайлагнасан шулууны топологийн бүтцийг тэдгээрийн импедант тохирох архитектураар нь ангилсныг харуулав. Хүснэгт 2-т ангилал тус бүрийн төгсгөл хоорондын зурвасын өргөн (энэ тохиолдолд FoM)-ын хувьд өндөр хүчин чадалтай ректеннауудын жишээг үзүүлэв.
Зураг 2 Дамжуулах зурвасын өргөн ба эсэргүүцлийн тохируулгын үүднээс авч үзвэл Rectenna топологи. (a) Стандарт антентай нэг зурвасын шулуун. (б) Олон зурвасын шулуун (олон харилцан холбогдсон антеннаас бүрдэх) нэг Шулуутгагч ба зурвас бүрт тохирох сүлжээтэй. (в) Олон RF порттой өргөн зурвасын ректенна, хамтлаг тус бүрт тохирох сүлжээнүүд. (г) Өргөн зурвасын антен болон өргөн зурвасын тохирох сүлжээ бүхий өргөн зурвасын шулуун. (д) Шулуутгагчтай шууд таарсан цахилгааны жижиг антенн бүхий нэг зурваст шулуун тенн. (е) Шулуутгагчтай холбох нарийн төвөгтэй эсэргүүцэл бүхий нэг зурваст цахилгаан том антен. (ж) Шулуутгагчтай хэд хэдэн давтамжтайгаар холбох нарийн төвөгтэй эсэргүүцэл бүхий өргөн зурвасын шулуун шугам.
Тусгай зориулалтын тэжээлийн WPT болон орчны RFEH нь өөр өөр ректенна програмууд боловч антен, Шулуутгагч болон ачааллын хооронд төгсгөл хоорондын уялдаа холбоог бий болгох нь зурвасын өргөний хэтийн төлөвөөс өндөр эрчим хүчний хувиргах үр ашигт (PCE) хүрэх үндэс суурь юм. Гэсэн хэдий ч WPT rectennas нь тодорхой чадлын түвшинд (a, e, f топологи) нэг зурвасын PCE-ийг сайжруулахын тулд илүү өндөр чанарын хүчин зүйлийн нийцэлд (доод S11) хүрэхэд илүү анхаардаг. Нэг зурваст WPT-ийн өргөн зурвасын өргөн нь системийг задлах, үйлдвэрлэлийн согог, сав баглаа боодлын паразитуудаас хамгаалах дархлааг сайжруулдаг. Нөгөөтэйгүүр, RFEH rectennas нь олон зурвасын ажиллагааг чухалчлан үздэг бөгөөд нэг зурвасын эрчим хүчний спектрийн нягтрал (PSD) нь ерөнхийдөө бага байдаг тул bd ба g топологиудад хамаарна.
3. Тэгш өнцөгт антенны загвар
1. Нэг давтамжийн ректенна
Нэг давтамжийн шулууны (топологи А) антенны загвар нь үндсэндээ газрын хавтгай дээрх шугаман туйлшрал (LP) эсвэл дугуй туйлшрал (CP) цацрагийн нөхөөс, диполь антен, урвуу F антен зэрэг стандарт антенны загварт суурилдаг. Дифференциал зурвасын шулуун гүйдэл нь олон антенны нэгжээр тохируулагдсан DC хосолсон массив эсвэл олон нөхөөсийн нэгжийн холимог DC ба RF хослол дээр суурилдаг.
Санал болгож буй антеннуудын ихэнх нь нэг давтамжийн антен бөгөөд нэг давтамжийн WPT-ийн шаардлагыг хангасан тул хүрээлэн буй орчны олон давтамжийн RFEH-ийг хайхдаа олон нэг давтамжийн антеннуудыг харилцан холболтыг дарах, олон зурваст шулуун тенн (топологи В) болгон нэгтгэдэг. RF-ийн хүлээн авах болон хувиргах хэлхээнээс тэдгээрийг бүрэн тусгаарлахын тулд эрчим хүчний удирдлагын хэлхээний дараа бие даасан тогтмол гүйдлийн хослол. Энэ нь зурвас бүрт олон тооны тэжээлийн удирдлагын хэлхээг шаарддаг бөгөөд энэ нь нэг зурвасын тогтмол гүйдлийн хүч бага тул өсгөгч хөрвүүлэгчийн үр ашгийг бууруулж болзошгүй юм.
2. Олон зурвасын болон өргөн зурвасын RFEH антенууд
Байгаль орчны RFEH нь ихэвчлэн олон зурвасын худалдан авалттай холбоотой байдаг; Иймээс стандарт антенны загваруудын зурвасын өргөнийг сайжруулах төрөл бүрийн арга техник, хос зурвас эсвэл зурвасын антенны массив үүсгэх аргуудыг санал болгосон. Энэ хэсэгт бид RFEH-д зориулсан тусгай антенны загвар, түүнчлэн шулуун тэнхлэг болгон ашиглах боломжтой сонгодог олон зурвасын антеннуудыг авч үзэх болно.
Coplanar waveguide (CPW) монополь антеннууд нь ижил давтамжтай микро зурвасын нөхөөстэй антеннуудаас бага талбайг эзэлдэг бөгөөд LP эсвэл CP долгион үүсгэдэг бөгөөд ихэвчлэн өргөн зурвасын орчны тэгш өнцөгтүүдэд ашиглагддаг. Тусгаарлах онгоцыг тусгаарлалтыг нэмэгдүүлэх, ашгийг сайжруулахад ашигладаг бөгөөд үүний үр дүнд нөхөөсийн антентай төстэй цацрагийн хэв маяг үүсдэг. Ховилтой давхраатай долгион хөтлүүрийн антеннуудыг 1.8–2.7 GHz эсвэл 1–3 GHz гэх мэт олон давтамжийн зурвасын эсэргүүцлийн зурвасын өргөнийг сайжруулахад ашигладаг. Хосолсон оролттой антен болон нөхөөсийн антеннуудыг олон зурваст шулууны загварт ихэвчлэн ашигладаг. Зураг 3-т нэгээс олон зурвасын өргөнийг сайжруулах аргыг ашигладаг олон зурвасын антеннуудыг харуулав.
Зураг 3
Антен-шулуутгагч эсэргүүцэл тааруулах
50Ω антенныг шугаман бус Шулуутгагчтай тааруулах нь түүний оролтын эсэргүүцэл давтамжаас хамааран ихээхэн ялгаатай байдаг тул хэцүү байдаг. А ба В топологид (Зураг 2) нийтлэг тохирох сүлжээ нь бөөгнөрсөн элементүүдийг ашиглан LC таарч байна; Гэсэн хэдий ч харьцангуй зурвасын өргөн нь ихэнх холбооны зурвасуудаас бага байдаг. Нэг зурваст stub тааруулалтыг ихэвчлэн 6 ГГц-ээс доош богино долгионы болон миллиметр долгионы зурваст ашигладаг бөгөөд мэдээлсэн миллиметр долгионы шулуун тэнхлэгүүд нь нарийн зурвасын өргөнтэй байдаг, учир нь тэдгээрийн PCE зурвасын өргөн нь гаралтын гармоник дарангуйллаас болж гацсан байдаг бөгөөд энэ нь тэдгээрийг ялангуяа нэг долгионы хувьд тохиромжтой болгодог. 24 GHz-ийн лицензгүй зурваст WPT програмууд.
С ба D топологи дахь ректенна нь илүү төвөгтэй тохирох сүлжээнүүдтэй байдаг. Гаралтын порт дээр RF блок/Тогтмол гүйдлийн богино холболт (дамжуулах шүүлтүүр) эсвэл диодын гармоникийн буцах зам болгон тогтмол гүйдлийн блоклох конденсатор бүхий бүрэн тархсан шугамын тохирох сүлжээг санал болгосон. Шулуутгагч эд ангиудыг арилжааны электрон дизайны автоматжуулалтын хэрэгслийг ашиглан нэгтгэсэн хэвлэмэл хэлхээний самбар (ПХБ) хоорондын орон зайн конденсатороор сольж болно. Бусад мэдээлэгдсэн өргөн зурвасын ректенна тохирох сүлжээнүүд нь бага давтамжтай тааруулахын тулд бөөгнөрсөн элементүүд болон оролтод RF-ийн богино холболт үүсгэх тархсан элементүүдийг нэгтгэдэг.
Эх үүсвэрээр дамжуулж буй ачааллын үед ажиглагдсан оролтын эсэргүүцлийг өөрчлөх (эх үүсвэр татах арга гэж нэрлэдэг) нь 57% харьцангуй зурвасын өргөнтэй (1.25–2.25 GHz) өргөн зурвасын Шулуутгагчийг зохион бүтээхэд ашиглагдаж, бөөгнөрөл эсвэл тархсан хэлхээтэй харьцуулахад 10% илүү PCE-тэй. . Тохиромжтой сүлжээнүүд нь ихэвчлэн 50Ω зурвасын өргөнийг бүхэлд нь антеннуудтай тааруулахаар бүтээгдсэн байдаг ч өргөн зурвасын антеныг нарийн зурвасын Шулуутгагчтай холбосон тухай уран зохиолд мэдээллүүд байдаг.
C ба D топологиудад эрлийз бөөгнөрсөн элемент ба тархсан элементийн тохирох сүлжээг өргөн ашигладаг бөгөөд цуврал индуктор ба конденсаторууд нь хамгийн түгээмэл хэрэглэгддэг бөөгнөрсөн элементүүд юм. Эдгээр нь стандарт бичил туузан шугамаас илүү нарийвчлалтай загварчлах, үйлдвэрлэх шаардлагатай, хоорондоо уялдаатай конденсатор гэх мэт нарийн төвөгтэй бүтцээс зайлсхийдэг.
Шулуутгагч руу орох хүч нь диодын шугаман бус байдлаас шалтгаалан оролтын эсэргүүцэлд нөлөөлдөг. Иймээс шулуун тэнхлэг нь тодорхой оролтын чадлын түвшин болон ачааллын эсэргүүцлийн хувьд PCE-ийг дээд зэргээр нэмэгдүүлэх зорилготой юм. Диодууд нь 3 ГГц-ээс доош давтамжтай голчлон багтаамжтай өндөр эсэргүүцэлтэй байдаг тул тохирох сүлжээг арилгах эсвэл хялбаршуулсан тохирох хэлхээг багасгах өргөн зурвасын шулуунууд нь Prf>0 дБм ба 1 ГГц-ээс дээш давтамжид төвлөрдөг, учир нь диодууд нь бага багтаамжийн эсэргүүцэлтэй бөгөөд сайн таарч чаддаг. антен руу шилжүүлснээр оролтын реактив нь 1000Ω-ээс дээш антенны загвараас зайлсхийх болно.
Тохиромжтой сүлжээ нь чип дээрх конденсаторын банкууд болон индукторуудаас бүрддэг CMOS rectennas-д дасан зохицох эсвэл дахин тохируулах боломжтой импедант тохируулга ажиглагдсан. Статик CMOS тохирох сүлжээг стандарт 50Ω антеннуудад, түүнчлэн хамтран зохион бүтээсэн гогцоо антеннуудад санал болгосон. Идэвхгүй CMOS цахилгаан мэдрэгч нь антенны гаралтыг өөр өөр Шулуутгагч болон боломжит хүчнээс хамааран тохирох сүлжээнд чиглүүлдэг унтраалгыг удирдахад ашиглагддаг гэж мэдээлсэн. Вектор сүлжээний анализатор ашиглан оролтын эсэргүүцлийг хэмжихийн зэрэгцээ нарийн тааруулах замаар тохируулж болох бөөнөөр нь тохируулж болох конденсаторыг ашиглан дахин тохируулах боломжтой тохирох сүлжээг санал болгосон. Дахин тохируулах боломжтой микро зурвасын тохирох сүлжээнд хос зурвасын шинж чанарыг олж авахын тулд тохирох стбыг тохируулахын тулд хээрийн эффектийн транзисторын унтраалга ашигладаг.
Антенны талаар илүү ихийг мэдэхийг хүсвэл зочилно уу:
Шуудангийн цаг: 2024 оны 8-р сарын 09-ний хооронд
