1. Муқаддима
Ҷамъоварии энергияи радиобасомад (RF) (RF) ва интиқоли бесими радиатсионӣ (WPT) ҳамчун усулҳои ба даст овардани шабакаҳои бесими устувори бе батарея таваҷҷӯҳи зиёдро ба худ ҷалб кардаанд. Ректеннаҳо санги асосии системаҳои WPT ва RFH мебошанд ва ба қувваи ҷараёни доимии ба бор интиқолшаванда таъсири назаррас мерасонанд. Унсурҳои антеннаи ректенна ба самаранокии ҷамъоварӣ мустақиман таъсир мерасонанд, ки метавонанд қувваи ҷамъовариро ба якчанд тартиби бузургӣ тағйир диҳанд. Дар ин мақола тарҳҳои антеннаҳое, ки дар барномаҳои WPT ва RFH-и атроф истифода мешаванд, баррасӣ мешаванд. Ректеннаҳои гузоришшуда мувофиқи ду меъёри асосӣ тасниф карда мешаванд: паҳнои банди импеданси ислоҳкунандаи антенна ва хусусиятҳои радиатсионии антенна. Барои ҳар як меъёр, рақами бартарӣ (FoM) барои барномаҳои гуногун муайян ва муқоиса карда мешавад.
WPT аз ҷониби Тесла дар аввали асри 20 ҳамчун усули интиқоли ҳазорҳо қувваи асп пешниҳод шуда буд. Истилоҳи "ректенна", ки антеннаеро тавсиф мекунад, ки ба росткунак пайваст аст, то қувваи RF-ро ҷамъ кунад, дар солҳои 1950 барои барномаҳои интиқоли қувваи барқ дар кайҳон ва барои таъмини барқ барои дронҳои худкор пайдо шуд. WPT-и ҳамаҷониба ва масофаи дур аз ҷониби хосиятҳои физикии муҳити паҳнкунӣ (ҳаво) маҳдуд аст. Аз ин рӯ, WPT-и тиҷоратӣ асосан ба интиқоли қувваи ғайрирадиатсионии майдони наздик барои пуркунии бесими электроникаи истеъмолӣ ё RFID маҳдуд аст.
Азбаски истеъмоли қувваи дастгоҳҳои нимноқил ва гиреҳҳои сенсории бесим коҳиш меёбад, таъмин намудани гиреҳҳои сенсорӣ бо истифода аз RFH муҳити атроф ё бо истифода аз интиқолдиҳандаҳои ҳамаҷонибаи камқуввати тақсимшуда имконпазиртар мегардад. Системаҳои барқи бесими хеле камқувват одатан аз қисмати пеши гирифтани RF, идоракунии қувваи DC ва хотира ва микропротсессор ва қабулкунанда-трансивери камқувват иборатанд.
Дар расми 1 меъмории гиреҳи бесими RFH ва татбиқи маъмулан гузоришшудаи RF-и фронт-энд нишон дода шудааст. Самаранокии аз як ба ба охир расидани системаи барқи бесим ва меъмории шабакаи иттилоот ва интиқоли барқи бесими ҳамоҳангшуда аз кори ҷузъҳои алоҳида, ба монанди антеннаҳо, росткунакҳо ва схемаҳои идоракунии барқ, вобаста аст. Якчанд таҳқиқоти адабиёт барои қисмҳои гуногуни система гузаронида шудаанд. Дар ҷадвали 1 марҳилаи табдили барқ, ҷузъҳои калидӣ барои табдили самараноки барқ ва таҳқиқоти адабиёти марбут ба ҳар як қисм ҷамъбаст шудааст. Адабиёти охирин ба технологияи табдили барқ, топологияҳои росткунак ё RFH-и огоҳ ба шабака тамаркуз мекунад.
Расми 1
Аммо, тарҳи антенна ҳамчун ҷузъи муҳим дар RFEH баррасӣ намешавад. Гарчанде ки баъзе адабиёт паҳнои банд ва самаранокии антеннаро аз нуқтаи назари умумӣ ё аз нуқтаи назари тарҳи мушаххаси антенна, ба монанди антеннаҳои хурд ё пӯшидашаванда, баррасӣ мекунанд, таъсири баъзе параметрҳои антенна ба қабули қувва ва самаранокии табдилдиҳӣ муфассал таҳлил карда нашудааст.
Дар ин мақола усулҳои тарроҳии антеннаҳо дар ректеннаҳо бо мақсади фарқ кардани мушкилоти тарроҳии антеннаҳои мушаххаси RFEH ва WPT аз тарроҳии антеннаҳои стандартии коммуникатсионӣ баррасӣ мешаванд. Антеннаҳо аз ду нуқтаи назар муқоиса карда мешаванд: мувофиқати импеданси аз аввал то охир ва хусусиятҳои радиатсия; дар ҳар як ҳолат, FoM дар антеннаҳои муосир (SoA) муайян ва баррасӣ карда мешавад.
2. Паҳнои банд ва мувофиқат: Шабакаҳои RF-и ғайри 50Ω
Импеданси хоси 50Ω баррасии барвақти созиш байни сустшавӣ ва қувват дар барномаҳои муҳандисии печи микроволновка мебошад. Дар антеннаҳо, паҳнои банди импеданс ҳамчун диапазони басомад муайян карда мешавад, ки дар он қувваи инъикосшуда камтар аз 10% аст (S11< − 10 дБ). Азбаски тақвиятдиҳандаҳои пастсадо (LNAs), тақвиятдиҳандаҳои қувват ва детекторҳо одатан бо мувофиқати импеданси вурудии 50Ω тарҳрезӣ шудаанд, анъанавӣ ба манбаи 50Ω истинод карда мешавад.
Дар ректенна, баромади антенна мустақиман ба росткунак ворид мешавад ва ғайрихаттии диод боиси тағйирёбии калон дар импеданси вурудӣ мегардад, ки ҷузъи сиғимӣ бартарӣ дорад. Агар антеннаи 50Ω-ро ба назар гирем, мушкилии асосӣ тарҳрезии шабакаи иловагии мутобиқсозии RF барои табдил додани импеданси вурудӣ ба импеданси росткунак дар басомади мавриди таваҷҷӯҳ ва оптимизатсияи он барои сатҳи мушаххаси қудрат мебошад. Дар ин ҳолат, барои таъмини табдили самараноки RF ба DC, паҳнои банди импеданси аз аввал то охир лозим аст. Аз ин рӯ, гарчанде ки антеннаҳо метавонанд паҳнои банди беохир ё ултра васеъро бо истифода аз унсурҳои даврӣ ё геометрияи худкомплементӣ ба даст оранд, паҳнои банди ректенна аз ҷониби шабакаи мувофиқсозии росткунак маҳдуд карда мешавад.
Якчанд топологияҳои ректенна пешниҳод шудаанд, ки барои ноил шудан ба ҷамъоварии якбанд ва бисёрбанд ё WPT тавассути кам кардани инъикос ва ба ҳадди аксар расонидани интиқоли қувва байни антенна ва росткунак пешниҳод шудаанд. Расми 2 сохторҳои топологияҳои ректеннаи гузоришшударо нишон медиҳад, ки аз рӯи меъмории мувофиқати импедансашон гурӯҳбандӣ шудаанд. Ҷадвали 2 мисолҳои ректеннаҳои баландсифатро нисбат ба паҳнои банди аз аввал то охир (дар ин ҳолат, FoM) барои ҳар як категория нишон медиҳад.
Расми 2 Топологияҳои Ректенна аз нигоҳи мувофиқати паҳнои банд ва импеданс. (а) Ректеннаи якбанд бо антеннаи стандартӣ. (б) Ректеннаи бисёрбанд (иборат аз якчанд антеннаҳои ба ҳам пайвастшуда) бо як росткунак ва шабакаи мувофиқ барои ҳар як банд. (в) Ректеннаи васеъбанд бо портҳои сершумори RF ва шабакаҳои мувофиқ барои ҳар як банд. (г) Ректеннаи васеъбанд бо антеннаи васеъбанд ва шабакаи мувофиқкунандаи паҳнои банд. (д) Ректеннаи якбанд бо истифода аз антеннаи барқии хурд, ки мустақиман ба росткунак мувофиқ карда шудааст. (е) Антеннаи якбанд, барқии калон бо импеданси мураккаб барои пайвастшавӣ бо росткунак. (ж) Ректеннаи васеъбанд бо импеданси мураккаб барои пайвастшавӣ бо росткунак дар доираи басомадҳо.
Дар ҳоле ки WPT ва RFEH-и муҳити зист аз фиди махсус барномаҳои гуногуни ректенна мебошанд, ба даст овардани мувофиқати аз аввал то охир байни антенна, росткунанда ва бор барои ба даст овардани самаранокии баланди табдили қувва (PCE) аз нуқтаи назари паҳнои банд муҳим аст. Бо вуҷуди ин, ректеннаҳои WPT бештар ба ноил шудан ба мувофиқати омили босифаттар (S11 пасттар) барои беҳтар кардани PCE-и якбанд дар сатҳҳои муайяни қувва (топологияҳои a, e ва f) тамаркуз мекунанд. Паҳнои васеи банди WPT-и якбанд масунияти системаро ба детонатсия, камбудиҳои истеҳсолӣ ва паразитҳои бастабандӣ беҳтар мекунад. Аз тарафи дигар, ректеннаҳои RFEH ба кори бисёрбанд афзалият медиҳанд ва ба топологияҳои bd ва g тааллуқ доранд, зеро зичии спектралии қувва (PSD)-и якбанд одатан пасттар аст.
3. Тарроҳии антеннаи росткунҷа
1. Ректеннаи якбасомад
Тарҳи антеннаи ректеннаи якбасомад (топологияи А) асосан ба тарҳи стандартии антенна, ба монанди поляризатсияи хаттӣ (LP) ё поляризатсияи давравӣ (CP), ки дар сатҳи заминӣ паҳн мешавад, антеннаи диполӣ ва антеннаи F-и чаппашуда асос ёфтааст. Ректеннаи дифференсиалӣ ба массиви комбинатсияи DC, ки бо якчанд антенна ё комбинатсияи омехтаи DC ва RF аз якчанд воҳидҳои часпак танзим шудааст, асос ёфтааст.
Азбаски бисёре аз антеннаҳои пешниҳодшуда антеннаҳои якбасомад мебошанд ва ба талаботи WPT якбасомад ҷавобгӯ мебошанд, ҳангоми ҷустуҷӯи RFEH бисёрбасомади муҳити зист, антеннаҳои якбасомади сершумор пас аз схемаи идоракунии қувва ба ректеннаҳои бисёрбасомад (топологияи B) бо пахшкунии пайвастшавии мутақобила ва комбинатсияи мустақили DC муттаҳид карда мешаванд, то онҳоро аз схемаи ба даст овардан ва табдил додани RF пурра ҷудо кунанд. Ин барои ҳар як банд схемаҳои сершумори идоракунии қувваро талаб мекунад, ки метавонад самаранокии табдилдиҳандаи тақвиятро коҳиш диҳад, зеро қувва DC-и як банд паст аст.
2. Антеннаҳои бисёрбасомад ва паҳнои RFEH
RFH муҳити зист аксар вақт бо ба даст овардани бисёрбасомад алоқаманд аст; аз ин рӯ, барои беҳтар кардани паҳнои банди тарҳҳои стандартии антеннаҳо ва усулҳои ташаккули массивҳои антеннаҳои дубасомад ё бандӣ усулҳои гуногуни пешниҳодшуда пешниҳод шудаанд. Дар ин бахш, мо тарҳҳои фармоишии антеннаҳоро барои RFHҳо, инчунин антеннаҳои классикии бисёрбасомадро бо имконияти истифода ҳамчун ректеннаҳо баррасӣ мекунем.
Антеннаҳои монополии мавҷгири копланарӣ (CPW) нисбат ба антеннаҳои микротасма дар ҳамон басомад масоҳати камтарро ишғол мекунанд ва мавҷҳои LP ё CP-ро ба вуҷуд меоранд ва аксар вақт барои ректеннаҳои муҳитии фарохмаҷро истифода мешаванд. Ҳавопаймоҳои инъикос барои зиёд кардани изолятсия ва беҳтар кардани афзоиши он истифода мешаванд, ки дар натиҷа намунаҳои радиатсия ба антеннаҳои патч монанд мешаванд. Антеннаҳои ковокии копланарӣ барои беҳтар кардани паҳнои бандҳои импеданс барои якчанд бандҳо, ба монанди 1.8-2.7 ГГц ё 1-3 ГГц истифода мешаванд. Антеннаҳои ковокии пайвастшуда ва антеннаҳои патчӣ низ одатан дар тарҳҳои ректеннаҳои бисёрбандӣ истифода мешаванд. Расми 3 баъзе антеннаҳои бисёрбандҳои гузоришшударо нишон медиҳад, ки беш аз як усули беҳтар кардани паҳнои бандро истифода мебаранд.
Расми 3
Мутобиқсозии импеданси антенна-ректификатор
Мутобиқ кардани антеннаи 50Ω бо росткунаки ғайрихаттӣ душвор аст, зеро импеданси вурудии он бо басомад хеле фарқ мекунад. Дар топологияҳои A ва B (Расми 2), шабакаи мувофиқкунии маъмулӣ мутобиқати LC бо истифода аз унсурҳои якҷояшуда мебошад; аммо, паҳнои банди нисбӣ одатан нисбат ба аксари бандҳои алоқа пасттар аст. Мутобиқсозии якбастаи банд одатан дар бандҳои микроволновка ва миллиметрӣ камтар аз 6 ГГц истифода мешавад ва ректеннаҳои гузоришшудаи миллиметрӣ паҳнои банди худтан танг доранд, зеро паҳнои банди PCE-и онҳо аз ҷониби пахшкунии гармоникии баромад маҳдуд аст, ки онҳоро махсусан барои барномаҳои якбастаи WPT дар банди беиҷозати 24 ГГц мувофиқ мегардонад.
Ректеннаҳо дар топологияҳои C ва D шабакаҳои мураккабтари мувофиқкунӣ доранд. Шабакаҳои мувофиқкунии пурра тақсимшудаи хатҳо барои мувофиқкунии фарохмаҷро пешниҳод шудаанд, ки дар онҳо занҷири кӯтоҳи RF/DC (филтри гузариш) дар порти баромад ё конденсатори блоккунандаи DC ҳамчун роҳи бозгашт барои гармоникаҳои диодӣ истифода мешавад. Ҷузъҳои росткунҷаро метавон бо конденсаторҳои байнирақамавии тахтаи схемаи чопӣ (PCB) иваз кард, ки бо истифода аз абзорҳои тиҷоратии автоматикунонии тарроҳии электронӣ синтез карда мешаванд. Шабакаҳои дигари мувофиқкунии ректеннаи фарохмаҷро унсурҳои якҷояшударо барои мувофиқкунӣ бо басомадҳои пасттар ва унсурҳои тақсимшударо барои эҷоди занҷири кӯтоҳи RF дар вуруд муттаҳид мекунанд.
Тағйир додани импеданси вурудӣ, ки аз ҷониби бор тавассути манбаъ мушоҳида мешавад (бо номи техникаи кашидани манбаъ маълум аст) барои тарҳрезии росткунаки паҳнои банд бо 57% паҳнои банди нисбӣ (1.25–2.25 ГГц) ва 10% PCE баландтар дар муқоиса бо схемаҳои якҷоя ё тақсимшуда истифода шудааст. Гарчанде ки шабакаҳои мувофиқ одатан барои мувофиқ кардани антеннаҳо дар тамоми паҳнои банди 50Ω тарҳрезӣ шудаанд, дар адабиёт гузоришҳое мавҷуданд, ки дар онҳо антеннаҳои паҳнои банд ба росткунакҳои тангбаста пайваст карда шудаанд.
Шабакаҳои мувофиқкунандаи элементҳои гибридӣ ва тақсимшуда дар топологияҳои C ва D ба таври васеъ истифода мешаванд, ки индукторҳо ва конденсаторҳои силсилавӣ унсурҳои маъмултарини ҷамъшуда мебошанд. Инҳо аз сохторҳои мураккаб, ба монанди конденсаторҳои байнирақама, ки нисбат ба хатҳои микротасмаҳои стандартӣ моделсозӣ ва истеҳсоли дақиқтарро талаб мекунанд, канорагирӣ мекунанд.
Қувваи вуруди росткунак ба импеданси вурудӣ аз сабаби ғайрихаттии диод таъсир мерасонад. Аз ин рӯ, ректенна барои ба ҳадди аксар расонидани PCE барои сатҳи мушаххаси қувваи вурудӣ ва импеданси бор тарҳрезӣ шудааст. Азбаски диодҳо асосан импеданси баланди иқтидор дар басомадҳои камтар аз 3 ГГц мебошанд, ректеннаҳои васеъпаҳное, ки шабакаҳои мувофиқро аз байн мебаранд ё схемаҳои соддакардашудаи мувофиқро кам мекунанд, ба басомадҳои Prf>0 dBm ва болотар аз 1 ГГц нигаронида шудаанд, зеро диодҳо импеданси пасти иқтидор доранд ва метавонанд бо антенна хуб мувофиқ карда шаванд, ки аз тарҳрезии антеннаҳо бо реактивҳои вурудӣ >1000 Ом пешгирӣ мекунад.
Мутобиқсозии импеданси мутобиқшаванда ё аз нав танзимшаванда дар росткунҷаҳои CMOS мушоҳида шудааст, ки дар он шабакаи мувофиқкунанда аз банкҳои конденсатор ва индукторҳои дар чип мавҷудбуда иборат аст. Шабакаҳои мувофиқкунандаи статикии CMOS инчунин барои антеннаҳои стандартии 50Ω ва инчунин антеннаҳои ҳалқавии муштарак тарҳрезишуда пешниҳод шудаанд. Гузориш дода шудааст, ки детекторҳои қувваи ғайрифаъоли CMOS барои идоракунии коммутаторҳое истифода мешаванд, ки баромади антеннаро ба росткунакҳо ва шабакаҳои мувофиқкунанда вобаста ба қувваи мавҷуда равона мекунанд. Шабакаи мувофиқкунандаи аз нав танзимшаванда бо истифода аз конденсаторҳои танзимшавандаи якҷоя пешниҳод шудааст, ки бо танзими дақиқ ҳангоми чен кардани импеданси вуруд бо истифода аз таҳлилгари шабакаи векторӣ танзим карда мешавад. Дар шабакаҳои мувофиқкунандаи микротасмаҳои аз нав танзимшаванда, коммутаторҳои транзистори эффекти саҳроӣ барои танзими ступерҳои мувофиқ барои ба даст овардани хусусиятҳои дугона истифода шудаанд.
Барои гирифтани маълумоти бештар дар бораи антеннаҳо, лутфан ба ин ҷо муроҷиат кунед:
Вақти нашр: 09 августи соли 2024
