1. Танилцуулга
Радио давтамжийн (RF) энерги цуглуулах (RFH) болон цацрагийн утасгүй цахилгаан дамжуулах (WPT) нь батерейгүй тогтвортой утасгүй сүлжээнд хүрэх аргуудын хувьд ихээхэн сонирхол татаж байна. Ректенна нь WPT болон RFH системийн тулгын чулуу бөгөөд ачаалалд дамжуулсан тогтмол гүйдлийн чадалд мэдэгдэхүйц нөлөө үзүүлдэг. Ректеннагийн антенны элементүүд нь цуглуулах үр ашигт шууд нөлөөлдөг бөгөөд энэ нь цуглуулах чадлыг хэд хэдэн дарааллаар өөрчилж болно. Энэхүү өгүүлэлд WPT болон орчны RFH хэрэглээнд ашигласан антенны загварыг авч үзсэн болно. Тайлагнасан ректеннаг хоёр үндсэн шалгуурын дагуу ангилдаг: антенны шулуутгах импедансын зурвасын өргөн ба антенны цацрагийн шинж чанар. Шалгуур бүрийн хувьд өөр өөр хэрэглээний ач холбогдлын тоог (FoM) тодорхойлж, харьцуулан хянадаг.
WPT-г Тесла 20-р зууны эхэн үед мянга мянган морины хүч дамжуулах арга болгон санал болгосон. RF-ийн хүчийг хураахын тулд шулуутгагчтай холбогдсон антенныг тодорхойлдог ректенна гэсэн нэр томъёо нь 1950-иад онд сансрын богино долгионы цахилгаан дамжуулах хэрэглээ болон бие даасан дронуудыг ажиллуулахад гарч ирсэн. Бүх чиглэлтэй, холын зайн WPT нь тархалтын орчин (агаар)-ын физик шинж чанараар хязгаарлагддаг. Тиймээс арилжааны WPT нь голчлон утасгүй хэрэглээний электроник цэнэглэх эсвэл RFID-д зориулсан ойрын талбайн цацраг идэвхт бус цахилгаан дамжуулахад хязгаарлагддаг.
Хагас дамжуулагч төхөөрөмж болон утасгүй мэдрэгч зангилааны эрчим хүчний хэрэглээ буурсаар байгаа тул мэдрэгч зангилааг орчны RFH ашиглан эсвэл тархсан бага чадлын бүх чиглэлтэй дамжуулагч ашиглан тэжээх нь илүү боломжтой болж байна. Хэт бага чадлын утасгүй тэжээлийн системүүд нь ихэвчлэн RF олж авах урд хэсэг, тогтмол гүйдлийн тэжээл болон санах ойн удирдлага, бага чадлын микропроцессор болон дамжуулагчаас бүрдэнэ.
Зураг 1-т RFEH утасгүй зангилааны архитектур болон түгээмэл мэдээлэгдсэн RF урд талын хэрэгжилтийг харуулав. Утасгүй эрчим хүчний системийн төгсгөлөөс төгсгөл хүртэлх үр ашиг болон синхрончлогдсон утасгүй мэдээлэл болон эрчим хүчний дамжуулах сүлжээний архитектур нь антенн, шулуутгагч, эрчим хүчний удирдлагын хэлхээ гэх мэт бие даасан бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн гүйцэтгэлээс хамаарна. Системийн өөр өөр хэсгүүдийн хувьд хэд хэдэн уран зохиолын судалгаа хийгдсэн. Хүснэгт 1-т эрчим хүчний хувиргалтын үе шат, эрчим хүчний үр ашигтай хувиргалтын гол бүрэлдэхүүн хэсгүүд болон хэсэг бүрийн холбогдох уран зохиолын судалгааг нэгтгэн харуулав. Сүүлийн үеийн уран зохиолууд нь эрчим хүчний хувиргалтын технологи, шулуутгагч топологи эсвэл сүлжээнд суурилсан RFEH-д анхаарлаа хандуулдаг.
Зураг 1
Гэсэн хэдий ч антенны загварыг RFEH-д чухал бүрэлдэхүүн хэсэг гэж үздэггүй. Зарим уран зохиолд антенны зурвасын өргөн болон үр ашгийг ерөнхий өнцгөөс эсвэл жижигрүүлсэн эсвэл өмсдөг антенн гэх мэт тодорхой антенны дизайны өнцгөөс авч үздэг боловч антенны тодорхой параметрүүдийн цахилгаан хүлээн авах болон хөрвүүлэх үр ашигт үзүүлэх нөлөөллийг нарийвчлан шинжлээгүй болно.
Энэхүү өгүүлэлд RFEH болон WPT-ийн антенны дизайны өвөрмөц бэрхшээлийг стандарт холбооны антенны дизайнаас ялгах зорилгоор ректенна дахь антенны дизайны техникүүдийг авч үзэх болно. Антеннуудыг хоёр талаас нь харьцуулдаг: төгсгөл хоорондын импедансын тохируулга болон цацрагийн шинж чанар; тохиолдол бүрт FoM-ийг хамгийн сүүлийн үеийн (SoA) антеннуудад тодорхойлж, хянадаг.
2. Зурвасын өргөн ба тохируулга: 50Ω бус RF сүлжээнүүд
50Ω-ийн онцлог импеданс нь богино долгионы инженерчлэлийн хэрэглээнд сулрал ба чадлын хоорондох буулт хийх эрт үеийн судалгаа юм. Антеннуудад импедансын зурвасын өргөнийг тусгасан чадал 10%-иас бага (S11< − 10 дБ) давтамжийн муж гэж тодорхойлдог. Дуу чимээ багатай өсгөгч (LNA), чадлын өсгөгч болон мэдрэгчийг ихэвчлэн 50Ω оролтын импеданстай тохирч зохион бүтээсэн тул уламжлал ёсоор 50Ω эх үүсвэрийг дурдсан байдаг.
Ректеннад антенны гаралтыг шууд Шулуутгагч руу тэжээдэг бөгөөд диодын шугаман бус байдал нь оролтын импеданст ихээхэн хэлбэлзэл үүсгэдэг бөгөөд багтаамжийн бүрэлдэхүүн хэсэг давамгайлдаг. 50Ω антенн гэж үзвэл гол бэрхшээл нь оролтын импедансыг сонирхлын давтамж дээрх Шулуутгагчийн импеданс болгон хувиргаж, тодорхой чадлын түвшинд оновчтой болгох нэмэлт RF тохируулгын сүлжээг зохион бүтээх явдал юм. Энэ тохиолдолд RF-ээс тогтмол гүйдлийн хувиргалтыг үр дүнтэй байлгахын тулд төгсгөлөөс төгсгөл хүртэлх импедансын зурвасын өргөн шаардлагатай. Тиймээс антеннууд нь үечилсэн элементүүд эсвэл өөрийгөө нөхөх геометрийг ашиглан онолын хувьд хязгааргүй эсвэл хэт өргөн зурвасын өргөнийг бий болгож чаддаг ч ректеннагийн зурвасын өргөнийг Шулуутгагчийн тохируулгын сүлжээ хязгаарлана.
Антенн болон Шулуутгагчийн хоорондох ойлтыг багасгаж, эрчим хүчний дамжуулалтыг хамгийн их байлгах замаар дан болон олон зурвасын цуглуулга буюу WPT-г хэрэгжүүлэх хэд хэдэн ректенна топологийг санал болгосон. Зураг 2-т импеданс тохируулах архитектураар нь ангилсан ректенна топологийн бүтцийг харуулав. Хүснэгт 2-т ангилал бүрийн төгсгөлөөс төгсгөл хүртэлх зурвасын өргөн (энэ тохиолдолд FoM)-тэй харьцуулахад өндөр хүчин чадалтай ректеннагийн жишээг харуулав.
Зураг 2. Зурвасын өргөн ба импедансын тохируулгын үүднээс авч үзсэн ректенна топологи. (a) Стандарт антеннтай нэг зурвасын ректенна. (b) Нэг Шулуутгагч болон зурвас бүрт тохирох сүлжээтэй олон зурвасын ректенна (олон харилцан холбогдсон антеннаас бүрдсэн). (c) Зурвас бүрт олон RF порттой болон тусдаа тохирох сүлжээтэй өргөн зурвасын ректенна. (d) Өргөн зурвасын антенн ба өргөн зурвасын тохируулгын сүлжээтэй өргөн зурвасын ректенна. (e) Шулуутгагчтай шууд тохирсон цахилгаан жижиг антенн ашигладаг нэг зурвасын ректенна. (f) Шулуутгагчтай холбогдох цогц импеданстай нэг зурвасын, цахилгаан том антенн. (g) Шулуутгагчтай янз бүрийн давтамжийн хүрээнд холбогдох цогц импеданстай өргөн зурвасын ректенна.
WPT болон зориулалтын тэжээлээс гаргаж авсан орчны RFEH нь өөр өөр ректеннагийн хэрэглээ боловч антенн, шулуутгагч болон ачааллын хооронд төгсгөлөөс төгсгөл хүртэлх тохируулга хийх нь зурвасын өргөнөөс өндөр чадлын хувиргалтын үр ашгийг (PCE) олж авахад чухал үүрэгтэй. Гэсэн хэдий ч WPT ректенна нь тодорхой чадлын түвшинд (a, e, f топологи) дан зурвасын PCE-г сайжруулахын тулд илүү өндөр чанарын хүчин зүйлийн тохируулга (S11-ийг бага) хийхэд илүү анхаарлаа хандуулдаг. Ганц зурвасын WPT-ийн өргөн зурвасын өргөн нь системийн тохируулгын алдагдал, үйлдвэрлэлийн согог болон сав баглаа боодлын шимэгч хорхойд тэсвэртэй байдлыг сайжруулдаг. Нөгөөтэйгүүр, RFEH ректенна нь олон зурвасын ажиллагааг нэн тэргүүнд тавьдаг бөгөөд bd, g топологид хамаардаг, учир нь дан зурвасын чадлын спектрийн нягтрал (PSD) ерөнхийдөө бага байдаг.
3. Тэгш өнцөгт антенны загвар
1. Нэг давтамжтай ректенна
Ганц давтамжтай ректенна (топологи А)-ын антенны загвар нь голчлон газрын хавтгай дээрх шугаман туйлшрал (LP) эсвэл дугуй туйлшрал (CP) цацрагийн нөхөөс, дипол антенн болон урвуу F антенн гэх мэт стандарт антенны загварт суурилдаг. Дифференциал зурвасын ректенна нь олон антенны нэгжээр тохируулсан DC хослолын массив эсвэл олон нөхөөсний нэгжийн холимог DC ба RF хослол дээр суурилдаг.
Санал болгож буй олон антенн нь нэг давтамжтай антенн бөгөөд нэг давтамжтай WPT-ийн шаардлагыг хангасан тул хүрээлэн буй орчны олон давтамжтай RFH-ийг хайхдаа олон нэг давтамжтай антеннуудыг харилцан холболтын дарангуйлал болон цахилгаан удирдлагын хэлхээний дараа бие даасан DC хослол бүхий олон зурвасын ректенна (топологи B) болгон нэгтгэж, тэдгээрийг RF олж авах болон хувиргах хэлхээнээс бүрэн тусгаарладаг. Энэ нь зурвас бүрт олон цахилгаан удирдлагын хэлхээ шаарддаг бөгөөд энэ нь нэг зурвасын DC чадал бага тул өргөлтийн хөрвүүлэгчийн үр ашгийг бууруулж болзошгүй юм.
2. Олон зурвасын болон өргөн зурвасын RFEH антеннууд
Байгаль орчны RFH нь ихэвчлэн олон зурвасын худалдан авалттай холбоотой байдаг; тиймээс стандарт антенны загварын зурвасын өргөнийг сайжруулах, хос зурвасын эсвэл зурвасын антенны массив үүсгэх аргуудыг санал болгосон. Энэ хэсэгт бид RFH-д зориулсан захиалгат антенны загварууд, мөн ректенна болгон ашиглах боломжтой сонгодог олон зурвасын антеннуудыг авч үзэх болно.
Хавтгай долгион хөтлөгч (CPW) монополь антенн нь ижил давтамжтай микро зурвасын нөхөөс антеннаас бага талбай эзэлдэг бөгөөд LP эсвэл CP долгион үүсгэдэг бөгөөд ихэвчлэн өргөн зурвасын орчны ректеннуудад ашиглагддаг. Тусгал хавтгайг тусгаарлалтыг нэмэгдүүлэх, олшруулалтыг сайжруулахад ашигладаг бөгөөд энэ нь нөхөөс антеннтай төстэй цацрагийн хэв маягийг бий болгодог. Нүхтэй копланар долгион хөтлөгч антеннуудыг 1.8–2.7 GHz эсвэл 1–3 GHz гэх мэт олон давтамжийн зурвасын импедансын зурвасын өргөнийг сайжруулахад ашигладаг. Хосолсон тэжээлтэй үүрний антенн болон нөхөөс антеннуудыг олон зурвасын ректенн загварт түгээмэл ашигладаг. Зураг 3-т нэгээс олон зурвасын өргөний сайжруулалтын техникийг ашигладаг зарим мэдээлэгдсэн олон зурвасын антеннуудыг харуулав.
Зураг 3
Антен-Шулуутгагч импедансын тохируулга
50Ω антенныг шугаман бус шулуутгагчтай тохируулах нь хэцүү байдаг, учир нь түүний оролтын импеданс нь давтамжаас хамааран ихээхэн өөрчлөгддөг. А ба В топологид (Зураг 2) нийтлэг тохируулгын сүлжээ нь бөөгнөрсөн элементүүдийг ашигладаг LC тохируулга юм; Гэсэн хэдий ч харьцангуй зурвасын өргөн нь ихэвчлэн ихэнх холбооны зурвасуудаас бага байдаг. Дан зурвасын stub тохируулгыг 6 GHz-ээс доош богино долгионы болон миллиметр долгионы зурвасуудад түгээмэл ашигладаг бөгөөд мэдээлэгдсэн миллиметр долгионы ректенна нь PCE зурвасын өргөн нь гаралтын гармоник дарангуйлалаар хязгаарлагддаг тул төрөлхийн нарийн зурвасын өргөнтэй байдаг бөгөөд энэ нь тэдгээрийг 24 GHz зөвшөөрөлгүй зурвас дахь ганц зурвасын WPT програмуудад онцгой тохиромжтой болгодог.
C ба D топологи дахь ректенна нь илүү төвөгтэй тохируулгын сүлжээтэй байдаг. Гаралтын порт дээр RF блок/DC богино холболт (нэвтрэх шүүлтүүр) эсвэл диодын гармоникийн буцах зам болгон DC блоклох конденсатор бүхий өргөн зурвасын тохируулгын бүрэн тархсан шугам тохируулгын сүлжээг санал болгосон. Шулуутгагч бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг хэвлэмэл хэлхээний самбар (PCB) хоорондын дижитал конденсатороор сольж болох бөгөөд эдгээрийг арилжааны электрон дизайны автоматжуулалтын хэрэгслүүдийг ашиглан нэгтгэдэг. Бусад мэдээлэгдсэн өргөн зурвасын ректенна тохируулгын сүлжээнүүд нь бага давтамжтай тохируулгын бөөгнөрсөн элементүүдийг болон оролтын хэсэгт RF богино холболт үүсгэх тархсан элементүүдийг нэгтгэдэг.
Эх үүсвэрээр дамжин өнгөрөх ачааллаар ажиглагдсан оролтын эсэргүүцлийг өөрчлөх (эх үүсвэр татах арга гэгддэг) нь 57% харьцангуй зурвасын өргөн (1.25–2.25 GHz), бөөгнөрсөн эсвэл тархсан хэлхээтэй харьцуулахад 10%-иар өндөр PCE бүхий өргөн зурвасын шулуутгагчийг зохион бүтээхэд ашиглагдаж ирсэн. Хэдийгээр тохирох сүлжээг ерөнхийдөө 50Ω зурвасын өргөн дээрх антеннуудыг тохируулахаар зохион бүтээсэн боловч өргөн зурвасын антеннуудыг нарийн зурвасын шулуутгагчтай холбосон тухай уран зохиолд мэдээллүүд байдаг.
Холимог бөөгнөрсөн элемент болон тархсан элементийн тохируулгын сүлжээг C ба D топологид өргөнөөр ашигласан бөгөөд цуваа индуктор болон конденсаторууд нь хамгийн түгээмэл хэрэглэгддэг бөөгнөрсөн элементүүд юм. Эдгээр нь стандарт микро зурвасын шугамаас илүү нарийвчлалтай загварчлал, үйлдвэрлэл шаарддаг дижитал хоорондын конденсатор зэрэг нарийн төвөгтэй бүтцээс зайлсхийдэг.
Шулуутгагч руу орох оролтын чадал нь диодын шугаман бус байдлаас шалтгаалан оролтын эсэргүүцэлд нөлөөлдөг. Тиймээс ректенна нь тодорхой оролтын хүчний түвшин болон ачааллын эсэргүүцлийн хувьд PCE-г хамгийн их байлгахаар бүтээгдсэн. Диодууд нь 3 GHz-ээс доош давтамжтай үед голчлон багтаамжтай өндөр эсэргүүцэлтэй байдаг тул тохирох сүлжээг арилгах эсвэл хялбаршуулсан тохирох хэлхээг багасгах өргөн зурвасын ректенна нь Prf>0 dBm ба 1 GHz-ээс дээш давтамж дээр төвлөрсөн, учир нь диодууд нь багтаамж багатай эсэргүүцэлтэй бөгөөд антеннтай сайн тохируулж болох тул оролтын реактив чанар >1,000Ω бүхий антеннуудын дизайнаас зайлсхийдэг.
CMOS шулуун шугамд дасан зохицох эсвэл дахин тохируулах боломжтой импедансын тохируулга ажиглагдсан бөгөөд тохируулгын сүлжээ нь чип дээрх конденсаторын банк болон индукторуудаас бүрдэнэ. Статик CMOS тохируулгын сүлжээг стандарт 50Ω антеннуудад болон хамтран зохион бүтээсэн гогцоо антеннуудад санал болгосон. Идэвхгүй CMOS тэжээлийн мэдрэгчийг антенны гаралтыг боломжтой хүчнээс хамааран өөр өөр шулуутгагч болон тохируулгын сүлжээнд чиглүүлдэг унтраалгауудыг хянах зорилгоор ашигладаг гэж мэдээлсэн. Вектор сүлжээний анализатор ашиглан оролтын импедансыг хэмжихдээ нарийн тохируулга хийх замаар тохируулдаг бөөгнөрсөн тохируулгын конденсаторыг ашиглан дахин тохируулах боломжтой тохируулгын сүлжээг санал болгосон. Дахин тохируулах боломжтой микро зурвасын тохируулгын сүлжээнд хос зурвасын шинж чанарыг олж авахын тулд тохируулгын товчлууруудыг тохируулахын тулд талбайн эффект транзисторын унтраалга ашигласан.
Антенны талаар дэлгэрэнгүй мэдээлэл авахыг хүсвэл дараах хаягаар зочилно уу.
Нийтэлсэн цаг: 2024 оны 8-р сарын 9
