1.Introdução
A coleta de energia por radiofrequência (RF) (RFEH) e a transferência de energia sem fio radiativa (WPT) têm atraído grande interesse como métodos para alcançar redes sem fio sustentáveis sem bateria. As retenas são a base dos sistemas WPT e RFEH e têm um impacto significativo na potência CC fornecida à carga. Os elementos de antena da retena afetam diretamente a eficiência da coleta, o que pode variar a potência coletada em várias ordens de magnitude. Este artigo analisa os projetos de antenas empregados em aplicações WPT e RFEH ambiente. As retenas relatadas são classificadas de acordo com dois critérios principais: a largura de banda da impedância de retificação da antena e as características de radiação da antena. Para cada critério, a figura de mérito (FoM) para diferentes aplicações é determinada e revisada comparativamente.
O WPT foi proposto por Tesla no início do século XX como um método para transmitir milhares de cavalos de potência. O termo retena, que descreve uma antena conectada a um retificador para coletar energia de RF, surgiu na década de 1950 para aplicações de transmissão de energia de micro-ondas espaciais e para alimentar drones autônomos. O WPT omnidirecional de longo alcance é limitado pelas propriedades físicas do meio de propagação (ar). Portanto, o WPT comercial limita-se principalmente à transferência de energia não radiativa em campo próximo para carregamento sem fio de eletrônicos de consumo ou RFID.
À medida que o consumo de energia de dispositivos semicondutores e nós sensores sem fio continua a diminuir, torna-se mais viável alimentar nós sensores usando RFEH ambiente ou transmissores omnidirecionais distribuídos de baixa potência. Sistemas de energia sem fio de ultrabaixa potência geralmente consistem em um front-end de aquisição de RF, gerenciamento de memória e energia CC, além de um microprocessador e transceptor de baixa potência.
A Figura 1 mostra a arquitetura de um nó sem fio RFEH e as implementações de front-end de RF comumente relatadas. A eficiência de ponta a ponta do sistema de energia sem fio e a arquitetura da rede de transferência de energia e informações sem fio sincronizadas dependem do desempenho de componentes individuais, como antenas, retificadores e circuitos de gerenciamento de energia. Diversas pesquisas bibliográficas foram realizadas para diferentes partes do sistema. A Tabela 1 resume a etapa de conversão de energia, os principais componentes para uma conversão de energia eficiente e pesquisas bibliográficas relacionadas para cada parte. A literatura recente concentra-se em tecnologia de conversão de energia, topologias de retificadores ou RFEH com reconhecimento de rede.
Figura 1
No entanto, o projeto da antena não é considerado um componente crítico em RFEH. Embora parte da literatura considere a largura de banda e a eficiência da antena de uma perspectiva geral ou de uma perspectiva específica de projeto de antena, como antenas miniaturizadas ou vestíveis, o impacto de certos parâmetros da antena na recepção de energia e na eficiência de conversão não é analisado em detalhes.
Este artigo analisa técnicas de projeto de antenas em antenas retificadas com o objetivo de distinguir os desafios de projeto de antenas específicas para RFEH e WPT dos projetos de antenas de comunicação padrão. As antenas são comparadas sob duas perspectivas: casamento de impedância ponta a ponta e características de radiação; em cada caso, o FoM é identificado e revisado nas antenas de última geração (SoA).
2. Largura de banda e correspondência: redes RF não 50Ω
A impedância característica de 50 Ω é uma consideração inicial do compromisso entre atenuação e potência em aplicações de engenharia de micro-ondas. Em antenas, a largura de banda da impedância é definida como a faixa de frequência em que a potência refletida é inferior a 10% (S11 < − 10 dB). Como amplificadores de baixo ruído (LNAs), amplificadores de potência e detectores são normalmente projetados com uma impedância de entrada de 50 Ω, uma fonte de 50 Ω é tradicionalmente referenciada.
Em uma retena, a saída da antena é alimentada diretamente no retificador, e a não linearidade do diodo causa uma grande variação na impedância de entrada, com predominância do componente capacitivo. Considerando uma antena de 50 Ω, o principal desafio é projetar uma rede de casamento de RF adicional para transformar a impedância de entrada na impedância do retificador na frequência de interesse e otimizá-la para um nível de potência específico. Nesse caso, a largura de banda de impedância de ponta a ponta é necessária para garantir uma conversão eficiente de RF para CC. Portanto, embora as antenas possam atingir uma largura de banda teoricamente infinita ou ultralarga usando elementos periódicos ou geometria autocomplementar, a largura de banda da retena será limitada pela rede de casamento do retificador.
Diversas topologias de retena foram propostas para alcançar a coleta de banda única e multibanda, ou WPT, minimizando reflexões e maximizando a transferência de potência entre a antena e o retificador. A Figura 2 mostra as estruturas das topologias de retena relatadas, categorizadas por sua arquitetura de casamento de impedância. A Tabela 2 mostra exemplos de retenas de alto desempenho em relação à largura de banda de ponta a ponta (neste caso, FoM) para cada categoria.
Figura 2 Topologias de Retângulo da perspectiva de casamento de largura de banda e impedância. (a) Retângulo de banda única com antena padrão. (b) Retângulo multibanda (composto de múltiplas antenas mutuamente acopladas) com um retificador e rede de casamento por banda. (c) Retângulo de banda larga com múltiplas portas de RF e redes de casamento separadas para cada banda. (d) Retângulo de banda larga com antena de banda larga e rede de casamento de banda larga. (e) Retângulo de banda única usando antena eletricamente pequena diretamente casada com o retificador. (f) Antena de banda única, eletricamente grande, com impedância complexa para conjugar com o retificador. (g) Retângulo de banda larga com impedância complexa para conjugar com o retificador em uma faixa de frequências.
Embora WPT e RFEH ambiente de alimentação dedicada sejam aplicações de retena diferentes, alcançar a correspondência ponta a ponta entre antena, retificador e carga é fundamental para alcançar alta eficiência de conversão de potência (PCE) do ponto de vista da largura de banda. No entanto, as retenas WPT se concentram mais em alcançar uma correspondência de fator de qualidade mais alta (S11 menor) para melhorar a PCE de banda única em certos níveis de potência (topologias a, e e f). A ampla largura de banda da WPT de banda única melhora a imunidade do sistema a desafinação, defeitos de fabricação e parasitas de encapsulamento. Por outro lado, as retenas RFEH priorizam a operação multibanda e pertencem às topologias bd e g, visto que a densidade espectral de potência (PSD) de uma única banda é geralmente menor.
3. Design de antena retangular
1. Retângulo de frequência única
O projeto da antena de uma antena retangular de frequência única (topologia A) é baseado principalmente no projeto de antena padrão, como polarização linear (LP) ou polarização circular (CP), irradiando patch no plano de terra, antena dipolo e antena F invertida. A antena retangular de banda diferencial é baseada em uma matriz de combinação CC configurada com múltiplas unidades de antena ou uma combinação mista CC e RF de múltiplas unidades de patch.
Como muitas das antenas propostas são antenas de frequência única e atendem aos requisitos do WPT de frequência única, ao buscar RFEH multifrequencial ambiental, múltiplas antenas de frequência única são combinadas em antenas retificadoras multibanda (topologia B) com supressão de acoplamento mútuo e combinação CC independente após o circuito de gerenciamento de energia para isolá-las completamente do circuito de aquisição e conversão de RF. Isso requer múltiplos circuitos de gerenciamento de energia para cada banda, o que pode reduzir a eficiência do conversor boost, pois a potência CC de uma única banda é baixa.
2. Antenas RFEH multibanda e banda larga
A RFEH ambiental é frequentemente associada à aquisição multibanda; portanto, diversas técnicas têm sido propostas para melhorar a largura de banda de projetos de antenas padrão e métodos para a formação de conjuntos de antenas de banda dupla ou banda dupla. Nesta seção, revisamos projetos de antenas personalizadas para RFEHs, bem como antenas multibanda clássicas com potencial para serem usadas como antenas retênicas.
Antenas monopolares de guia de onda coplanar (CPW) ocupam menos área do que antenas patch de microfita na mesma frequência e produzem ondas LP ou CP, sendo frequentemente utilizadas em antenas retificadoras ambientais de banda larga. Planos de reflexão são utilizados para aumentar o isolamento e melhorar o ganho, resultando em padrões de radiação semelhantes aos das antenas patch. Antenas de guia de onda coplanar com fendas são utilizadas para melhorar as larguras de banda de impedância para múltiplas bandas de frequência, como 1,8–2,7 GHz ou 1–3 GHz. Antenas de fenda com alimentação acoplada e antenas patch também são comumente utilizadas em projetos de antenas retificadoras multibanda. A Figura 3 mostra algumas antenas multibanda relatadas que utilizam mais de uma técnica de melhoria de largura de banda.
Figura 3
Correspondência de impedância de antena-retificador
O casamento de uma antena de 50 Ω com um retificador não linear é desafiador, pois sua impedância de entrada varia muito com a frequência. Nas topologias A e B (Figura 2), a rede de casamento comum é um casamento LC usando elementos concentrados; no entanto, a largura de banda relativa é geralmente menor do que a da maioria das bandas de comunicação. O casamento de stubs de banda única é comumente usado em bandas de micro-ondas e ondas milimétricas abaixo de 6 GHz, e as retenas de ondas milimétricas relatadas têm uma largura de banda inerentemente estreita, pois sua largura de banda PCE é limitada pela supressão harmônica de saída, o que as torna particularmente adequadas para aplicações WPT de banda única na banda não licenciada de 24 GHz.
As retenas nas topologias C e D possuem redes de casamento mais complexas. Redes de casamento de linha totalmente distribuídas foram propostas para casamento em banda larga, com um curto-circuito de bloqueio de RF/CC (filtro passa-fio) na porta de saída ou um capacitor de bloqueio CC como caminho de retorno para os harmônicos do diodo. Os componentes do retificador podem ser substituídos por capacitores interdigitados em placas de circuito impresso (PCB), que são sintetizados utilizando ferramentas comerciais de automação de projeto eletrônico. Outras redes de casamento de retenas de banda larga relatadas combinam elementos concentrados para casamento em frequências mais baixas e elementos distribuídos para criar um curto-circuito de RF na entrada.
A variação da impedância de entrada observada pela carga através de uma fonte (conhecida como técnica de "source-pull") foi utilizada para projetar um retificador de banda larga com largura de banda relativa de 57% (1,25–2,25 GHz) e PCE 10% maior em comparação com circuitos concentrados ou distribuídos. Embora as redes de casamento sejam normalmente projetadas para casar antenas em toda a largura de banda de 50 Ω, há relatos na literatura de que antenas de banda larga foram conectadas a retificadores de banda estreita.
Redes híbridas de correspondência de elementos concentrados e de elementos distribuídos têm sido amplamente utilizadas nas topologias C e D, sendo indutores e capacitores em série os elementos concentrados mais comumente utilizados. Essas redes evitam estruturas complexas, como capacitores interdigitados, que exigem modelagem e fabricação mais precisas do que as linhas de microfita padrão.
A potência de entrada do retificador afeta a impedância de entrada devido à não linearidade do diodo. Portanto, a retena é projetada para maximizar o PCE para um nível de potência de entrada e impedância de carga específicos. Como os diodos são predominantemente capacitivos de alta impedância em frequências abaixo de 3 GHz, as retenas de banda larga que eliminam redes de casamento ou minimizam circuitos de casamento simplificados têm se concentrado em frequências Prf>0 dBm e acima de 1 GHz, uma vez que os diodos têm baixa impedância capacitiva e podem ser bem casados com a antena, evitando assim o projeto de antenas com reatâncias de entrada >1.000 Ω.
O casamento de impedância adaptável ou reconfigurável foi observado em retificadores CMOS, onde a rede de casamento consiste em bancos de capacitores e indutores no chip. Redes de casamento CMOS estáticas também foram propostas para antenas padrão de 50Ω, bem como antenas de loop co-projetadas. Foi relatado que detectores de potência CMOS passivos são usados para controlar chaves que direcionam a saída da antena para diferentes retificadores e redes de casamento, dependendo da potência disponível. Uma rede de casamento reconfigurável usando capacitores sintonizáveis aglomerados foi proposta, a qual é ajustada por ajuste fino enquanto se mede a impedância de entrada usando um analisador de rede vetorial. Em redes de casamento de microfita reconfiguráveis, chaves de transistor de efeito de campo têm sido usadas para ajustar os stubs de casamento para obter características de banda dupla.
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Horário da publicação: 09/08/2024
