1.Introdução
A coleta de energia por radiofrequência (RF) (RFEH) e a transferência radiativa de energia sem fio (WPT) atraíram grande interesse como métodos para alcançar redes sem fio sustentáveis sem bateria. As rectennas são a base dos sistemas WPT e RFEH e têm um impacto significativo na energia CC fornecida à carga. Os elementos da antena da retena afetam diretamente a eficiência da colheita, que pode variar a potência colhida em várias ordens de grandeza. Este artigo revisa 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 20 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 espaciais de transmissão de energia por microondas e para alimentar drones autônomos. O WPT omnidirecional e de longo alcance é limitado pelas propriedades físicas do meio de propagação (ar). Portanto, o WPT comercial é limitado principalmente à transferência de energia não radiativa de campo próximo para carregamento de eletrônicos de consumo sem fio 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 usando transmissores omnidirecionais distribuídos de baixa potência. Os sistemas de energia sem fio de consumo ultrabaixo geralmente consistem em um front-end de aquisição de RF, gerenciamento de energia e memória CC e um microprocessador e transceptor de baixo consumo de energia.
A Figura 1 mostra a arquitetura de um nó sem fio RFEH e as implementações de front-end de RF comumente relatadas. A eficiência ponta a ponta do sistema de energia sem fio e a arquitetura da rede sincronizada de informações e transferência de energia sem fio dependem do desempenho de componentes individuais, como antenas, retificadores e circuitos de gerenciamento de energia. Várias pesquisas bibliográficas foram realizadas para diferentes partes do sistema. A Tabela 1 resume o estágio de conversão de energia, os principais componentes para uma conversão eficiente de energia e pesquisas de literatura relacionadas para cada peça. 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 design da antena não é considerado um componente crítico na RFEH. Embora alguma literatura considere a largura de banda e a eficiência da antena de uma perspectiva geral ou de uma perspectiva específica de design 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 revisa técnicas de projeto de antenas em retenas com o objetivo de distinguir os desafios específicos de projeto de antenas RFEH e WPT do projeto de antena de comunicação padrão. As antenas são comparadas sob duas perspectivas: correspondência 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 50Ω é uma consideração inicial do compromisso entre atenuação e potência em aplicações de engenharia de microondas. Nas antenas, a largura de banda de impedância é definida como a faixa de frequência onde 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 50Ω, uma fonte de 50Ω 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 o componente capacitivo dominando. Assumindo uma antena de 50Ω, o principal desafio é projetar uma rede adicional de correspondência de RF para transformar a impedância de entrada na impedância do retificador na frequência de interesse e otimizá-la para um nível de potência específico. Neste caso, a largura de banda de impedância ponta a ponta é necessária para garantir uma conversão eficiente de RF em CC. Portanto, embora as antenas possam atingir largura de banda teoricamente infinita ou ultra-larga usando elementos periódicos ou geometria autocomplementar, a largura de banda da retena será limitada pela rede de correspondência do retificador.
Várias topologias de retena foram propostas para obter colheita 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 correspondência de impedância. A Tabela 2 mostra exemplos de retenas de alto desempenho em relação à largura de banda ponta a ponta (neste caso, FoM) para cada categoria.
Figura 2 Topologias de Rectenna sob a perspectiva de casamento de largura de banda e impedância. (a) Retena de banda única com antena padrão. (b) Retena multibanda (composta por múltiplas antenas mutuamente acopladas) com um retificador e rede correspondente por banda. (c) Retena de banda larga com múltiplas portas de RF e redes correspondentes separadas para cada banda. (d) Retena de banda larga com antena de banda larga e rede correspondente de banda larga. (e) Retena de banda única usando antena eletricamente pequena diretamente combinada com o retificador. (f) Antena eletricamente grande de banda única com impedância complexa para conjugar com o retificador. (g) Retena 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 antena diferentes, alcançar a correspondência ponta a ponta entre antena, retificador e carga é fundamental para alcançar alta eficiência de conversão de energia (PCE) do ponto de vista da largura de banda. No entanto, as rectennas WPT concentram-se mais em alcançar uma correspondência de fator de qualidade mais alta (S11 inferior) para melhorar o PCE de banda única em certos níveis de potência (topologias a, e e f). A ampla largura de banda do WPT de banda única melhora a imunidade do sistema a desafinação, defeitos de fabricação e parasitas de embalagem. Por outro lado, as retenas RFEH priorizam a operação multibanda e pertencem às topologias bd e g, pois a densidade espectral de potência (PSD) de uma única banda é geralmente menor.
3. Design de antena retangular
1. Retena de frequência única
O projeto da antena da retena de frequência única (topologia A) é baseado principalmente no projeto de antena padrão, como patch radiante de polarização linear (LP) ou polarização circular (CP) no plano de terra, antena dipolo e antena F invertida. A retena de banda diferencial é baseada em uma matriz de combinação DC configurada com múltiplas unidades de antena ou combinação mista de DC 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 multifrequência ambiental, múltiplas antenas de frequência única são combinadas em retenas multibanda (topologia B) com supressão de acoplamento mútuo e combinação DC independente após o circuito de gerenciamento de energia para isolá-los completamente do circuito de aquisição e conversão de RF. Isto requer múltiplos circuitos de gerenciamento de energia para cada banda, o que pode reduzir a eficiência do conversor boost porque 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, uma variedade de técnicas foram propostas para melhorar a largura de banda de projetos de antenas padrão e métodos para formar conjuntos de antenas de banda dupla ou de banda. Nesta seção, revisamos projetos de antenas personalizadas para RFEHs, bem como antenas multibanda clássicas com potencial para serem usadas como retenas.
As antenas monopolo de guia de onda coplanar (CPW) ocupam menos área do que as antenas patch de microfita na mesma frequência e produzem ondas LP ou CP, e são frequentemente usadas para retenas ambientais de banda larga. Planos de reflexão são usados para aumentar o isolamento e melhorar o ganho, resultando em padrões de radiação semelhantes aos das antenas patch. Antenas de guia de ondas coplanares com fenda são usadas para melhorar larguras de banda de impedância para múltiplas bandas de frequência, como 1,8–2,7 GHz ou 1–3 GHz. Antenas de slot com alimentação acoplada e antenas patch também são comumente usadas em projetos de retena 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 antena-retificador
Combinar uma antena de 50Ω com um retificador não linear é um desafio porque sua impedância de entrada varia muito com a frequência. Nas topologias A e B (Figura 2), a rede de correspondência comum é uma correspondência LC usando elementos concentrados; entretanto, a largura de banda relativa é geralmente menor que a maioria das bandas de comunicação. A correspondência de stub de banda única é comumente usada em bandas de microondas e ondas milimétricas abaixo de 6 GHz, e as retenas de ondas milimétricas relatadas têm uma largura de banda inerentemente estreita porque sua largura de banda PCE é limitada pela supressão de harmônicos de saída, o que as torna particularmente adequadas para single-band. aplicações WPT de banda na banda não licenciada de 24 GHz.
As rectennas nas topologias C e D possuem redes de correspondência mais complexas. Redes de casamento de linha totalmente distribuídas foram propostas para casamento de banda larga, com um bloco de RF/curto-circuito CC (filtro de passagem) na porta de saída ou um capacitor de bloqueio CC como caminho de retorno para harmônicos de diodo. Os componentes do retificador podem ser substituídos por capacitores interdigitados em placa de circuito impresso (PCB), que são sintetizados usando ferramentas comerciais de automação de projeto eletrônico. Outras redes de correspondência de antena de banda larga relatadas combinam elementos agrupados para correspondência com 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 source-pull) foi usada para projetar um retificador de banda larga com 57% de largura de banda relativa (1,25–2,25 GHz) e PCE 10% maior em comparação com circuitos concentrados ou distribuídos . Embora as redes correspondentes sejam normalmente projetadas para combinar antenas em toda a largura de banda de 50Ω, há relatos na literatura onde 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 agrupados mais comumente usados. Isso evita 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 principalmente de alta impedância capacitiva em frequências abaixo de 3 GHz, as retenas de banda larga que eliminam redes correspondentes ou minimizam circuitos de correspondência simplificada foram focadas em frequências Prf>0 dBm e acima de 1 GHz, uma vez que os diodos têm baixa impedância capacitiva e podem ser bem casados. à antena, evitando assim o projeto de antenas com reatâncias de entrada >1.000Ω.
A correspondência de impedância adaptativa ou reconfigurável foi vista em rectennas CMOS, onde a rede correspondente consiste em bancos de capacitores e indutores no chip. Redes estáticas de correspondência CMOS 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 interruptores que direcionam a saída da antena para diferentes retificadores e redes correspondentes, dependendo da potência disponível. Foi proposta uma rede de correspondência reconfigurável usando capacitores sintonizáveis concentrados, que são ajustados por ajuste fino enquanto se mede a impedância de entrada usando um analisador de rede vetorial. Em redes de correspondência de microfita reconfiguráveis, interruptores de transistor de efeito de campo têm sido usados para ajustar os stubs correspondentes para obter características de banda dupla.
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Horário da postagem: 09/08/2024
