1. Inngangur
Orkunýting útvarpsbylgna (RF) (RFEH) og geislunarþráðlaus orkuflutningur (WPT) hafa vakið mikinn áhuga sem aðferðir til að ná fram rafhlöðulausum sjálfbærum þráðlausum netum. Ferhyrningar eru hornsteinn WPT og RFEH kerfa og hafa veruleg áhrif á jafnstraumsafl sem afhent er álaginu. Loftnetsþættir ferhyrningsins hafa bein áhrif á orkunýtingu, sem getur breytt orkunýtingunni um nokkrar stærðargráður. Þessi grein fjallar um loftnetshönnun sem notuð er í WPT og umhverfis-RFEH forritum. Ferhyrningarnir sem greint er frá eru flokkaðir eftir tveimur meginviðmiðum: leiðréttingarviðnámsbandvídd loftnetsins og geislunareiginleikum loftnetsins. Fyrir hvert viðmið er verðleikastuðullinn (FoM) fyrir mismunandi forrit ákvörðuð og metinn samanburðarlega.
Tesla lagði til aðferðina „WPT“ (þráðlaus hleðslutækni) var lögð til af Tesla snemma á 20. öld sem aðferð til að senda þúsundir hestafla. Hugtakið „rectenna“, sem lýsir loftneti sem er tengt við jafnrétti til að safna útvarpsbylgjuafli, kom fram á sjötta áratugnum fyrir örbylgjuaflsflutning í geimnum og til að knýja sjálfkeyrandi dróna. Langdræg „WPT“ í öllum áttum er takmörkuð af eðliseiginleikum útbreiðslumiðilsins (loftsins). Þess vegna er viðskiptaleg „WPT“ aðallega takmörkuð við geislunarlausa orkuflutninga í nálægð fyrir þráðlausa hleðslu neytendatækja eða RFID.
Þar sem orkunotkun hálfleiðara og þráðlausra skynjara heldur áfram að minnka, verður raunhæfara að knýja skynjara með því að nota umhverfis-RFEH eða nota dreifða lágorku-alhliða senda. Þráðlaus aflorkunarkerfi með mjög lágorku samanstanda venjulega af RF-mögnunarframhlið, jafnstraumsafls- og minnisstjórnun og lágorku-örgjörva og senditæki.
Mynd 1 sýnir arkitektúr þráðlauss RFEH-hnúta og algengar tilkynntar útfærslur á RF-framhlið. Enda-til-enda skilvirkni þráðlausa aflgjafakerfisins og arkitektúr samstilltra þráðlausa upplýsinga- og aflgjafarnetsins fer eftir afköstum einstakra íhluta, svo sem loftneta, afriðla og aflgjafastjórnunarrása. Nokkrar fræðigreinar hafa verið gerðar fyrir mismunandi hluta kerfisins. Tafla 1 sýnir samantekt á aflbreytingarstigi, lykilþáttum fyrir skilvirka aflbreytingu og tengdar fræðigreinar fyrir hvern hluta. Nýlegar fræðigreinar beinast að aflbreytingartækni, afriðlakerfisuppruna eða net-meðvitaðri RFEH.
Mynd 1
Hins vegar er hönnun loftnets ekki talin mikilvægur þáttur í RFEH. Þó að sumar rannsóknir skoði bandvídd og skilvirkni loftnets frá heildarsjónarmiði eða frá sjónarhóli tiltekinnar loftnetshönnunar, svo sem smækkuð eða klæðanleg loftnet, eru áhrif ákveðinna loftnetsbreyta á aflmóttöku og umbreytingarskilvirkni ekki greind í smáatriðum.
Þessi grein fjallar um hönnunaraðferðir loftneta í rétthyrningum með það að markmiði að greina áskoranir í hönnun sértækra loftneta fyrir RFEH og WPT frá hefðbundinni hönnun samskiptaloftneta. Loftnet eru borin saman frá tveimur sjónarhornum: enda-til-enda viðnámsjöfnun og geislunareiginleikum; í hverju tilviki er FoM greint og skoðað í nýjustu loftnetum (SoA).
2. Bandbreidd og samsvörun: RF net sem ekki eru 50Ω
Einkennandi viðnám 50Ω er snemmbær skoðun á málamiðluninni milli hömlunar og afls í örbylgjuofnatækni. Í loftnetum er viðnámsbandvídd skilgreind sem tíðnisviðið þar sem endurkastað afl er minna en 10% (S11< − 10 dB). Þar sem lágsuðmagnarar (LNA), aflmagnarar og skynjarar eru venjulega hannaðir með 50Ω inntaksviðnámssamsvörun, er hefðbundið miðað við 50Ω uppsprettu.
Í rétthyrningi er úttak loftnetsins beint sent inn í jafnréttirann og ólínuleiki díóðunnar veldur miklum breytingum á inngangsviðnámi, þar sem rafrýmdarþátturinn er ríkjandi. Miðað við 50Ω loftnet er helsta áskorunin að hanna viðbótar RF-samsvörunarnet til að umbreyta inngangsviðnáminu í viðnám jafnréttisins á viðkomandi tíðni og hámarka það fyrir tiltekið aflsstig. Í þessu tilfelli er end-til-enda viðnámsbandbreidd nauðsynleg til að tryggja skilvirka umbreytingu frá RF í jafnstraum. Þess vegna, þó að loftnet geti náð fræðilega óendanlegri eða afar breiðri bandbreidd með því að nota lotubundnar frumefni eða sjálfbætandi rúmfræði, verður bandbreidd rétthyrningsins flöskuháls af jafnréttissamsvörunarnetinu.
Nokkrar rétthyrningslaga uppbyggingar hafa verið lagðar til til að ná fram einbands- og fjölbands uppskeru eða WPT með því að lágmarka endurkast og hámarka orkuflutning milli loftnetsins og rétthyrningsins. Mynd 2 sýnir uppbyggingu greindra rétthyrningslaga uppbygginga, flokkaðar eftir impedansjöfnunararkitektúr þeirra. Tafla 2 sýnir dæmi um afkastamikla rétthyrninga með tilliti til bandvíddar frá enda til enda (í þessu tilfelli FoM) fyrir hvern flokk.
Mynd 2: Línuferill með mismunandi stærðum og gerðum frá sjónarhóli bandvíddar- og impedansjöfnunar. (a) Einsbandslínuferill með venjulegu loftneti. (b) Fjölbandslínuferill (samsettur úr mörgum samtengdum loftnetum) með einum jafnrétti og jöfnunarneti á hvert band. (c) Breiðbandslínuferill með mörgum RF-tengjum og aðskildum jöfnunarnetum fyrir hvert band. (d) Breiðbandslínuferill með breiðbandsloftneti og breiðbandsjöfnunarneti. (e) Einsbandslínuferill með rafmagnslega litlu loftneti sem er tengt beint við jafnréttistækið. (f) Einsbands, rafmagnslega stórt loftnet með flóknu impedansi til að tengjast jafnréttistækinu. (g) Breiðbandslínuferill með flóknu impedansi til að tengjast jafnréttistækinu yfir tíðnibil.
Þó að WPT og umhverfis-RFEH frá sérstökum straumi séu mismunandi notkunarsvið fyrir rétthyrninga, þá er það grundvallaratriði að ná heildarjöfnun milli loftnets, rétthyrnings og álags til að ná mikilli aflbreytingarnýtni (PCE) frá sjónarhóli bandbreiddar. Engu að síður einbeita WPT rétthyrningar sér meira að því að ná hærri gæðaþáttajöfnun (lægri S11) til að bæta einsbands PCE á ákveðnum aflsstigum (topologies a, e og f). Breitt bandvídd einsbands WPT bætir ónæmi kerfisins fyrir breytingum á stillingu, framleiðslugöllum og pökkunarsníklum. Aftur á móti forgangsraða RFEH rétthyrningar fjölbandsrekstri og tilheyra topologies bd og g, þar sem aflrófsþéttleiki (PSD) eins bands er almennt lægri.
3. Rétthyrnd loftnetshönnun
1. Eintíðnis rétthyrningur
Loftnetshönnun eins tíðni rétthyrnings (topology A) byggist aðallega á hefðbundinni loftnetshönnun, svo sem línulegri skautun (LP) eða hringlaga skautun (CP) sem geislar plástur á jarðplaninu, tvípóla loftneti og öfugum F loftnetum. Mismunadreifingarbands rétthyrnings byggir á jafnstraumssamsetningarfylkingu sem er stillt upp með mörgum loftnetseiningum eða blönduðum jafnstraums- og RF-samsetningum margra plástraeininga.
Þar sem margar af fyrirhuguðum loftnetum eru eintíðniloftnet og uppfylla kröfur eintíðni WPT, þegar leitað er að fjöltíðni RFEH í umhverfinu, eru margar eintíðniloftnet sameinuð í fjölbandsferhyrninga (topology B) með gagnkvæmri tengingarbælingu og sjálfstæðri jafnstraumssamsetningu eftir orkustjórnunarrásina til að einangra þær alveg frá RF-upptöku- og umbreytingarrásinni. Þetta krefst margra orkustjórnunarrása fyrir hvert band, sem getur dregið úr skilvirkni boost-breytisins þar sem jafnstraumsafl eins bands er lágt.
2. Fjölbands- og breiðbands RFEH loftnet
Umhverfisleg RFEH tengist oft fjölbandsöflun; þess vegna hafa verið lagðar til ýmsar aðferðir til að bæta bandvídd staðlaðra loftnetshanna og aðferðir til að mynda tvíbands- eða bandloftnetsfylki. Í þessum hluta skoðum við sérsniðnar loftnetshönnun fyrir RFEH, sem og hefðbundin fjölbandsloftnet sem geta verið notuð sem rétthyrningsloftnet.
Einpóla loftnet úr samhliða bylgjuleiðara (CPW) taka minna svæði en örstrip loftnet á sömu tíðni og framleiða LP eða CP bylgjur og eru oft notuð fyrir breiðbandsferhyrninga. Endurspeglunarfletir eru notaðir til að auka einangrun og bæta ávinning, sem leiðir til geislunarmynstra sem eru svipaðir og í ferhyrningsloftnetum. Raufar samhliða bylgjuleiðaraloftnet eru notaðar til að bæta viðnámsbandvídd fyrir mörg tíðnisvið, svo sem 1,8–2,7 GHz eða 1–3 GHz. Tengdar raufarloftnet og ferhyrningsloftnet eru einnig almennt notuð í fjölbandsferhyrningshönnunum. Mynd 3 sýnir nokkur fjölbandsloftnet sem nota fleiri en eina tækni til að bæta bandvídd.
Mynd 3
Loftnet-leiðréttingarviðnámssamsvörun
Það er krefjandi að tengja 50Ω loftnet við ólínulegan jafnréttisbúnað því inntaksviðnám þess er mjög breytilegt með tíðni. Í straumfræði A og B (mynd 2) er sameiginlega samsvörunarnetið LC-samsvörun sem notar samsetta þætti; þó er hlutfallsleg bandvídd venjulega lægri en á flestum samskiptasviðum. Einstaklingsbands stubbasamsvörun er almennt notuð í örbylgju- og millímetrabylgjusviðum undir 6 GHz, og tilkynntir millímetrabylgjujafnréttir hafa eðlislægt þröngt bandvídd vegna þess að PCE-bandvídd þeirra er flöskuhálsbundin vegna úttaksharmonískrar bælingar, sem gerir þá sérstaklega hentuga fyrir einsbands WPT forrit í 24 GHz óleyfisbundnu bandi.
Rétthyrningslínurnar í grannfræði C og D hafa flóknari samsvörunarnet. Fulldreifð línusamsvörunarnet hafa verið lögð til fyrir breiðbandssamsvörun, með RF-blokk/DC-skammhlaupi (tíðnisíu) við útganginn eða DC-blokkunarþétti sem afturleið fyrir díóðuharmoníur. Hægt er að skipta út íhlutum réttthyrninga fyrir samtengda þétta úr prentuðu rafrásarborði (PCB), sem eru búnir til með því að nota viðskiptaleg sjálfvirkniverkfæri fyrir rafeindahönnun. Önnur breiðbandsrétthyrningssamsvörunarnet sem greint hefur verið frá sameina kekkta þætti til að passa við lægri tíðni og dreifða þætti til að búa til RF-skammhlaup við inntakið.
Að breyta inntaksviðnáminu sem álagið mælir í gegnum uppsprettu (þekkt sem uppsprettu-togtækni) hefur verið notað til að hanna breiðbandsleiðréttingara með 57% hlutfallslegri bandvídd (1,25–2,25 GHz) og 10% hærri PCE samanborið við sameinuð eða dreifð rafrás. Þó að pörunarnet séu venjulega hönnuð til að passa loftnet yfir alla 50Ω bandvíddina, eru til skýrslur í fræðiritum þar sem breiðbandsloftnet hafa verið tengd við þröngbandsleiðréttingara.
Blönduð samsvörunarnet með samloðuðum þáttum og dreifðum þáttum hafa verið mikið notuð í grannfræði C og D, þar sem raðspólar og þéttar eru algengustu samloðnu frumefnin. Þessi net forðast flóknar uppbyggingar eins og samtengda þétta, sem krefjast nákvæmari líkanagerðar og smíði en venjulegar örstrimleiðslur.
Inntaksafl leiðréttingarinnar hefur áhrif á inntaksviðnámið vegna ólínuleika díóðunnar. Þess vegna er leiðréttingin hönnuð til að hámarka PCE fyrir tiltekið inntaksaflsstig og álagsviðnám. Þar sem díóður eru aðallega rafrýmdar með háu viðnámi við tíðni undir 3 GHz, hafa breiðbandsleiðréttingar sem útrýma samsvörunarnetum eða lágmarka einfölduð samsvörunarrásir verið einbeittar að tíðnunum Prf > 0 dBm og yfir 1 GHz, þar sem díóðurnar hafa lága rafrýmdarviðnám og hægt er að tengja þær vel við loftnetið, og þannig forðast hönnun loftneta með inntaksviðnámi > 1.000 Ω.
Aðlögunarhæf eða endurstillanleg impedansjöfnun hefur sést í CMOS-rétthyrningum, þar sem jöfnunarnetið samanstendur af þéttabanka og spólum á örflögum. Stöðug CMOS jöfnunarnet hafa einnig verið lögð til fyrir staðlaðar 50Ω loftnet sem og samhönnuð lykkjuloftnet. Greint hefur verið frá því að óvirkir CMOS aflsnemar séu notaðir til að stjórna rofum sem beina úttaki loftnetsins að mismunandi jafnréttingum og jöfnunarnetum eftir tiltækri aflgjöf. Lagt hefur verið til endurstillanlegt jöfnunarnet með því að nota samþætta stillanlega þétta, sem er stillt með fínstillingu á meðan inngangsviðnámið er mælt með því að nota vigurnetsgreiningartæki. Í endurstillanlegum örstrimlsjöfnunarnetum hafa sviðsáhrifa smára verið notaðir til að stilla jöfnunarstubba til að ná tvíbandseiginleikum.
Til að læra meira um loftnet, vinsamlegast farðu á:
Birtingartími: 9. ágúst 2024
