1. Introdução
A coleta de energia por radiofrequência (RFEH) e a transferência de energia sem fio radiativa (WPT) têm atraído grande interesse como métodos para alcançar redes sem fio sustentáveis e sem bateria. As rectennas são a base dos sistemas WPT e RFEH e têm um impacto significativo na potência CC fornecida à carga. Os elementos da antena da rectenna afetam diretamente a eficiência de coleta, que pode variar a potência coletada em várias ordens de magnitude. Este artigo revisa os projetos de antena empregados em aplicações de WPT e RFEH em condições ambientais. As rectennas 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 analisada comparativamente.
A transferência de energia sem fio (WPT, na sigla em inglês) foi proposta por Tesla no início do século XX como um método para transmitir milhares de cavalos de potência. O termo rectenna, que descreve uma antena conectada a um retificador para captar energia de radiofrequência (RF), surgiu na década de 1950 para aplicações de transmissão de energia por micro-ondas no espaço e para alimentar drones autônomos. A WPT omnidirecional de longo alcance é limitada pelas propriedades físicas do meio de propagação (ar). Portanto, a WPT comercial se restringe principalmente à transferência de energia não radiativa em campo próximo para carregamento sem fio de dispositivos eletrônicos de consumo ou RFID.
Com a contínua redução do consumo de energia de dispositivos semicondutores e nós de sensores sem fio, torna-se mais viável alimentar esses nós utilizando RFEH ambiente ou transmissores omnidirecionais distribuídos de baixa potência. Sistemas de alimentação sem fio de ultrabaixa potência geralmente consistem em um front-end de aquisição de RF, gerenciamento de energia CC e memória, 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 mais comuns. A eficiência de ponta a ponta do sistema de energia sem fio e a arquitetura da rede sincronizada de transferência de informações e energia sem fio dependem do desempenho de componentes individuais, como antenas, retificadores e circuitos de gerenciamento de energia. Diversas revisões bibliográficas foram realizadas para diferentes partes do sistema. A Tabela 1 resume o estágio de conversão de energia, os principais componentes para uma conversão de energia eficiente e as revisões bibliográficas relacionadas a cada parte. A literatura recente concentra-se em tecnologia de conversão de energia, topologias de retificadores ou RFEH com reconhecimento de rede.
Figura 1
Contudo, o projeto da antena não é considerado um componente crítico na RFEH (Recepção de Energia por Radiofrequência). Embora alguns trabalhos considerem a largura de banda e a eficiência da antena de uma perspectiva geral ou de um projeto específico, 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 as técnicas de projeto de antenas em retificadoras (rectennas) com o objetivo de distinguir os desafios específicos de projeto de antenas para RFEH (Radio Frequência de Coleta de Energia) e WPT (Transferência de Energia Sem Fio) dos desafios de projeto de antenas de comunicação padrão. As antenas são comparadas sob duas perspectivas: casamento de impedância de ponta a ponta e características de radiação; em cada caso, o fator de mérito (FoM) é identificado e revisado nas antenas de última geração (SoA).
2. Largura de banda e adaptação de impedância: Redes de RF não pertencentes a 50 Ω
A impedância característica de 50 Ω é uma consideração inicial no compromisso entre atenuação e potência em aplicações de engenharia de micro-ondas. Em 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 tipicamente projetados com uma impedância de entrada de 50 Ω, uma fonte de 50 Ω é tradicionalmente utilizada como referência.
Em uma rectenna, 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 predominando. Considerando uma antena de 50 Ω, o principal desafio é projetar uma rede de adaptação de impedância 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, é necessária uma largura de banda de impedância de ponta a ponta para garantir uma conversão eficiente de RF para CC. Portanto, embora as antenas possam atingir, teoricamente, largura de banda infinita ou ultralarga usando elementos periódicos ou geometria autocomplementar, a largura de banda da rectenna será limitada pela rede de adaptação de impedância do retificador.
Diversas topologias de rectenna foram propostas para alcançar a coleta de energia em banda única e multibanda, ou transferência de energia sem fio (WPT), minimizando reflexões e maximizando a transferência de potência entre a antena e o retificador. A Figura 2 mostra as estruturas das topologias de rectenna relatadas, categorizadas por sua arquitetura de adaptação de impedância. A Tabela 2 mostra exemplos de rectennas de alto desempenho em relação à largura de banda de ponta a ponta (neste caso, FoM) para cada categoria.
Figura 2. Topologias de rectenna sob a perspectiva de largura de banda e casamento de impedância. (a) Rectenna de banda única com antena padrão. (b) Rectenna multibanda (composta por múltiplas antenas acopladas mutuamente) com um retificador e rede de casamento de impedância por banda. (c) Rectenna de banda larga com múltiplas portas de RF e redes de casamento de impedância separadas para cada banda. (d) Rectenna de banda larga com antena de banda larga e rede de casamento de impedância de banda larga. (e) Rectenna de banda única utilizando antena eletricamente pequena diretamente casada com o retificador. (f) Antena de banda única, eletricamente grande, com impedância complexa para conjugação com o retificador. (g) Rectenna de banda larga com impedância complexa para conjugação com o retificador em uma faixa de frequências.
Embora a transferência de energia sem fio (WPT) e a coleta de energia de radiofrequência (RFEH) ambiente a partir de alimentação dedicada sejam aplicações diferentes de retificadoras, alcançar a adaptação de impedância de ponta a ponta entre antena, retificador e carga é fundamental para obter alta eficiência de conversão de potência (PCE) em termos de largura de banda. No entanto, as retificadoras para WPT priorizam a obtenção de um fator de qualidade (QF) mais alto (menor S11) para melhorar a PCE de banda única em determinados níveis de potência (topologias a, e e f). A ampla largura de banda da WPT de banda única melhora a imunidade do sistema a desafinações, defeitos de fabricação e capacitâncias parasitas da embalagem. Por outro lado, as retificadoras para 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. Projeto de antena retangular
1. Retificadora de frequência única
O projeto de antena de uma rectenna de frequência única (topologia A) baseia-se principalmente em projetos de antena padrão, como polarização linear (LP) ou polarização circular (CP) com elemento radiante no plano de terra, antena dipolo e antena F invertida. A rectenna de banda diferencial baseia-se em um arranjo de combinação DC configurado com múltiplas unidades de antena ou em uma combinação mista DC e RF de múltiplas unidades de elemento radiante.
Como muitas das antenas propostas são de frequência única e atendem aos requisitos de WPT de frequência única, ao buscar RFEH multifrequencial ambiental, múltiplas antenas de frequência única são combinadas em 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 de banda larga
A captação ambiental por radiofrequência (RFEH) 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 formar arranjos de antenas de banda dupla ou de banda única. Nesta seção, revisamos projetos de antenas personalizadas para RFEHs, bem como antenas multibanda clássicas com potencial para serem usadas como retificadoras de antena.
As antenas monopolo de guia de onda coplanar (CPW) ocupam menos área do que as antenas de microfita na mesma frequência e produzem ondas LP ou CP, sendo frequentemente utilizadas em retificadores 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 de microfita. Antenas de guia de onda coplanar com fenda são usadas para melhorar a largura de banda de impedância em múltiplas faixas de frequência, como 1,8–2,7 GHz ou 1–3 GHz. Antenas de fenda alimentadas por acoplamento e antenas de microfita também são comumente usadas em projetos de retificadores multibanda. A Figura 3 mostra algumas antenas multibanda relatadas que utilizam mais de uma técnica de melhoria de largura de banda.
Figura 3
Casamento de impedância entre antena e retificador
Adaptar uma antena de 50 Ω a um retificador não linear é um desafio, pois sua impedância de entrada varia muito com a frequência. Nas topologias A e B (Figura 2), a rede de adaptação comum é uma adaptação LC usando elementos concentrados; no entanto, a largura de banda relativa geralmente é menor do que a da maioria das bandas de comunicação. A adaptação por stub de banda única é comumente usada em bandas de micro-ondas e ondas milimétricas abaixo de 6 GHz, e as rectennas de ondas milimétricas relatadas têm uma largura de banda inerentemente estreita porque sua eficiência de conversão de potência (PCE) é limitada pela supressão de harmônicos de saída, o que as torna particularmente adequadas para aplicações de transferência de energia sem fio (WPT) de banda única na banda não licenciada de 24 GHz.
As retificadoras nas topologias C e D possuem redes de adaptação mais complexas. Redes de adaptação de linha totalmente distribuídas foram propostas para adaptação de banda larga, com um bloqueio de RF/curto-circuito CC (filtro passa-alta) na porta de saída ou um capacitor de bloqueio CC como caminho de retorno para os harmônicos do diodo. Os componentes retificadores podem ser substituídos por capacitores interdigitados em placas de circuito impresso (PCI), sintetizados utilizando ferramentas comerciais de automação de projeto eletrônico. Outras redes de adaptação de banda larga para retificadoras relatadas combinam elementos concentrados para adaptação a 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 57% de largura de banda relativa (1,25–2,25 GHz) e uma eficiência de conversão de energia (PCE) 10% maior em comparação com circuitos concentrados ou distribuídos. Embora as redes de adaptação de impedância sejam normalmente projetadas para adaptar antenas em toda a largura de banda de 50 Ω, existem relatos na literatura de antenas de banda larga conectadas a retificadores de banda estreita.
Redes híbridas de adaptação de impedância, combinando elementos concentrados e distribuídos, têm sido amplamente utilizadas nas topologias C e D, sendo os indutores e capacitores em série os elementos concentrados mais comuns. 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 no retificador afeta a impedância de entrada devido à não linearidade do diodo. Portanto, a rectenna é projetada para maximizar a eficiência de conversão de energia (PCE) para um nível de potência de entrada e impedância de carga específicos. Como os diodos apresentam alta impedância capacitiva em frequências abaixo de 3 GHz, as rectennas de banda larga que eliminam redes de adaptação ou minimizam circuitos de adaptação simplificados têm se concentrado em frequências Prf > 0 dBm e acima de 1 GHz, visto que os diodos possuem baixa impedância capacitiva e podem ser bem adaptados à antena, evitando assim o projeto de antenas com reatâncias de entrada > 1.000 Ω.
A adaptação de impedância adaptativa ou reconfigurável tem sido observada em retificadores CMOS, onde a rede de adaptação consiste em bancos de capacitores e indutores integrados no chip. Redes de adaptação CMOS estáticas também foram propostas para antenas padrão de 50 Ω, bem como para antenas de laço projetadas em conjunto. Há relatos de que detectores de potência CMOS passivos são usados para controlar chaves que direcionam a saída da antena para diferentes retificadores e redes de adaptação, dependendo da potência disponível. Uma rede de adaptação reconfigurável usando capacitores sintonizáveis concentrados foi proposta, sendo sintonizada por meio de ajuste fino enquanto a impedância de entrada é medida usando um analisador de redes vetorial. Em redes de adaptação de microfita reconfiguráveis, chaves de transistores de efeito de campo têm sido usadas para ajustar os terminais de adaptação e obter características de banda dupla.
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Data da publicação: 09/08/2024
