1.Inngangur
Útvarpsbylgjur (RF) orkuuppskeru (RFEH) og þráðlaus geislun (WPT) hafa vakið mikinn áhuga sem aðferðir til að ná rafhlöðulausu sjálfbæru þráðlausu neti. Rectennas eru hornsteinn WPT og RFEH kerfa og hafa veruleg áhrif á jafnstraumsaflið sem er afhent álaginu. Loftnetsþættirnir í rektenna hafa bein áhrif á uppskeruskilvirkni, sem getur breytt uppskeruafli um nokkrar stærðargráður. Í þessari grein er farið yfir loftnetshönnunina sem notuð eru í WPT og umhverfis RFEH forritum. Tilkynntu nettennurnar eru flokkaðar í samræmi við tvær meginviðmiðanir: bandbreidd loftnetsins sem leiðréttir viðnám og geislunareiginleika loftnetsins. Fyrir hverja viðmiðun er verðgildi (FoM) fyrir mismunandi umsóknir ákvörðuð og endurskoðuð til samanburðar.
WPT var sett fram af Tesla snemma á 20. öld sem aðferð til að senda þúsundir hestöfl. Hugtakið rectenna, sem lýsir loftneti sem er tengt við afriðara til að uppskera RF-afl, kom fram á fimmta áratug síðustu aldar fyrir geimörbylgjuaflsflutninga og til að knýja sjálfstýrða dróna. Alátta, langdræg WPT er takmörkuð af eðliseiginleikum útbreiðslumiðilsins (lofts). Þess vegna er WPT í atvinnuskyni aðallega takmörkuð við nær-svið, ekki geislunarorkuflutning fyrir þráðlausa neytenda rafeindatækni hleðslu eða RFID.
Eftir því sem orkunotkun hálfleiðaratækja og þráðlausra skynjarahnúta heldur áfram að minnka, verður raunhæfara að knýja skynjarahnúta með því að nota umhverfis-RFEH eða nota dreifða lág-afls alátta senda. Þráðlaus raforkukerfi með ofurlítið afl samanstanda venjulega af framenda RF-öflunar, jafnstraums- og minnisstjórnun og örgjörva og senditæki með litlum krafti.
Mynd 1 sýnir arkitektúr þráðlauss RFEH hnút og algengar útfærslur RF framenda. End-til-enda skilvirkni þráðlausa raforkukerfisins og arkitektúr samstillta þráðlausa upplýsinga- og orkuflutningsnetsins fer eftir frammistöðu einstakra íhluta, svo sem loftneta, afriðla og rafstýringarrása. Nokkrar bókmenntakannanir hafa verið gerðar fyrir mismunandi hluta kerfisins. Tafla 1 tekur saman aflbreytingarstigið, lykilþætti fyrir skilvirka orkubreytingu og tengdar ritkannanir fyrir hvern hluta. Nýlegar bókmenntir fjalla um aflbreytingartækni, staðfræði afriðlara eða netmiðaða RFEH.
Mynd 1
Hins vegar er loftnetshönnun ekki talin mikilvægur hluti í RFEH. Þrátt fyrir að í sumum bókmenntum sé litið á bandbreidd og skilvirkni loftnets frá heildarsjónarhorni eða frá sérstöku loftnetshönnunarsjónarhorni, eins og smækkuð eða klæðanleg loftnet, eru áhrif ákveðinna loftnetsbreyta á aflmóttöku og skilvirkni umbreytinga ekki greind í smáatriðum.
Þessi ritgerð fjallar um loftnetshönnunartækni í rektenna með það að markmiði að greina RFEH og WPT sérstakar loftnetshönnunaráskoranir frá venjulegri samskiptaloftnetshönnun. Loftnet eru borin saman frá tveimur sjónarhornum: viðnámssamsvörun frá enda til enda og geislunareiginleikar; í hverju tilviki er FoM auðkennt og skoðað í nýjustu loftnetum (SoA).
2. Bandbreidd og samsvörun: Non-50Ω RF net
Einkennandi viðnám 50Ω er snemma íhugun á málamiðlun milli dempunar og afls í örbylgjuverkfræðiforritum. Í loftnetum er viðnámsbandbreiddin skilgreind sem tíðnisviðið þar sem endurkastsaflið er minna en 10% (S11< − 10 dB). Þar sem lághljóðamagnarar (LNA), aflmagnarar og skynjarar eru venjulega hannaðir með 50Ω inntaksviðnámssamsvörun, er venjulega vísað til 50Ω uppsprettu.
Í rectenna er úttak loftnetsins beint inn í afriðrann og ólínuleiki díóðunnar veldur miklum breytingum á inntaksviðnáminu, þar sem rafrýmd íhluturinn er ráðandi. Miðað við 50Ω loftnet er aðaláskorunin að hanna viðbótar RF samsvörunarnet til að umbreyta inntaksviðnáminu í viðnám afriðlarans á áhugaverðri tíðni og fínstilla það fyrir ákveðið aflstig. Í þessu tilviki þarf enda-til-enda viðnámsbandbreidd til að tryggja skilvirka RF til DC umbreytingu. Þess vegna, þó að loftnet geti náð fræðilega óendanlegri eða ofurbreiðri bandbreidd með því að nota reglubundna þætti eða sjálfsuppfyllandi rúmfræði, mun bandbreidd rektennunnar verða fyrir flöskuhálsi af samsvörunarnetinu.
Nokkrar jarðvegsuppbyggingar hafa verið lagðar til til að ná fram einbands- og fjölbandsuppskeru eða WPT með því að lágmarka endurkast og hámarka aflflutning milli loftnetsins og afriðlarans. Mynd 2 sýnir mannvirki tilgreindra grenndaruppbygginga, flokkuð eftir viðnámssamsvörun arkitektúr þeirra. Tafla 2 sýnir dæmi um afkastamikil rektenna með tilliti til bandbreiddar frá enda til enda (í þessu tilviki FoM) fyrir hvern flokk.
Mynd 2 Yfirborðsgreiningar á rektennu frá sjónarhóli bandbreiddar og viðnámssamsvörunar. (a) Einbands réttnet með venjulegu loftneti. (b) Margbands riðnet (samsett úr mörgum innbyrðis tengdum loftnetum) með einum afriðli og samsvarandi neti á hvert band. (c) Breiðbandsnet með mörgum RF tengi og aðskildum samsvarandi netum fyrir hvert band. (d) Breiðbandsnetnet með breiðbandsloftneti og breiðbandssamsvörunarneti. (e) Einbands réttnet sem notar rafmagnslítið loftnet sem passar beint við afriðrann. (f) Einsbands, rafstórt loftnet með flóknu viðnám til að tengja við afriðrann. (g) Breiðbandslínur með flókinni viðnám til að tengja við afriðrann á margvíslegu tíðnisviði.
Þó að WPT og ambient RFEH frá sérstöku fóðri séu mismunandi rektennaforrit, er grundvallaratriði að ná enda-til-enda samsvörun milli loftnets, afriðlara og álags til að ná mikilli aflumbreytingarnýtni (PCE) frá bandbreiddarsjónarhorni. Engu að síður einbeita WPT rectennas meira að því að ná meiri gæðastuðlasamsvörun (lægri S11) til að bæta einsbands PCE við ákveðin aflstig (staðfræði a, e og f). Breið bandbreidd eins bands WPT bætir ónæmi kerfisins fyrir afstillingu, framleiðslugöllum og pökkunarsníkjudýrum. Á hinn bóginn forgangsraða RFEH rektenna multi-band rekstur og tilheyra topologies bd og g, þar sem aflrófsþéttleiki (PSD) eins bands er almennt lægri.
3. Rétthyrnd loftnet hönnun
1. Eintíðni rektenna
Loftnetshönnun eintíðni rétttenna (staðfræði A) er aðallega byggð á stöðluðu loftnetshönnun, svo sem línulegri skautun (LP) eða hringlaga pólun (CP) geislunarplástur á jarðplaninu, tvípólsloftneti og hvolfi F loftneti. Diffurtial band rectenna er byggt á DC samsetningu fylki stillt með mörgum loftnetseiningum eða blönduðum DC og RF samsetningu margra plástraeininga.
Þar sem mörg fyrirhugaðra loftneta eru eintíðni loftnet og uppfylla kröfur eintíðni WPT, þegar leitað er að umhverfisfjöltíðni RFEH, eru mörg eintíðni loftnet sameinuð í margbanda réttnet (staðfræði B) með gagnkvæmri tengingarbælingu og sjálfstæð DC samsetning eftir aflstjórnunarrásinni til að einangra þau algjörlega frá RF öflun og umbreytingarrásinni. Þetta krefst margra aflstýringarrása fyrir hvert band, sem getur dregið úr skilvirkni boost breytisins vegna þess að DC afl eins bands er lágt.
2. Fjölbands- og breiðbands RFEH loftnet
Umhverfis RFEH er oft tengt við kaup á mörgum böndum; því hefur margvísleg tækni verið lögð til til að bæta bandbreidd staðlaðra loftnetshönnunar og aðferðir til að mynda tvíbands- eða bandloftnetsfylki. Í þessum hluta förum við yfir sérsniðna loftnetshönnun fyrir RFEH, auk klassískra fjölbanda loftneta með möguleika á að nota sem nettenna.
Samplanar waveguide (CPW) einpóla loftnet taka minna svæði en microstrip patch loftnet á sömu tíðni og framleiða LP eða CP bylgjur, og eru oft notuð fyrir breiðband umhverfis rectennas. Endurspeglunarflugvélar eru notaðar til að auka einangrun og bæta ávinning, sem leiðir til geislunarmynsturs svipað og plástraloftnet. Raufar samplanar bylgjuleiðaraloftnet eru notuð til að bæta viðnámsbandbreidd fyrir mörg tíðnisvið, svo sem 1,8–2,7 GHz eða 1–3 GHz. Tengd rifaloftnet og plástraloftnet eru einnig almennt notuð í margbanda rétttennahönnun. Mynd 3 sýnir nokkur tilkynnt fjölbandsloftnet sem nota fleiri en eina tækni til að bæta bandbreidd.
Mynd 3
Samsvörun loftnets-afriðunarviðnáms
Að passa 50Ω loftnet við ólínulegan afriðara er krefjandi vegna þess að inntaksviðnám þess er mjög mismunandi eftir tíðni. Í staðfræði A og B (Mynd 2) er sameiginlega samsvörunarnetið LC samsvörun þar sem notuð eru klumpaðir þættir; Hins vegar er hlutfallsleg bandbreidd venjulega lægri en flest samskiptabönd. Einsbands stubbasamsvörun er almennt notuð í örbylgju- og millimetrabylgjusviðum undir 6 GHz, og millimetrabylgjulengdirnar sem greint er frá hafa í eðli sínu þrönga bandbreidd vegna þess að PCE bandbreidd þeirra er flöskuháls með harmonic úttaksbælingu, sem gerir þær sérstaklega hentugar fyrir staka bandbreidd. band WPT forrit á 24 GHz óleyfisbandinu.
Réttinna í staðfræði C og D hafa flóknari samsvörunarnet. Fulldreifð línusamsvörunarnet hafa verið lögð til fyrir breiðbandssamsvörun, með RF blokk/DC skammhlaupi (passasíu) við úttaksportið eða DC blokkandi þétti sem afturleið fyrir díóða harmonic. Hægt er að skipta um afriðunaríhluti fyrir prentaða hringrásartöflu (PCB) interdigital þétta, sem eru tilbúnir með því að nota sjálfvirk rafræn hönnunarverkfæri í atvinnuskyni. Önnur tilkynnt breiðbandsnet sem samsvarar rektenna sameina saman setta þætti til að passa við lægri tíðni og dreifða þætti til að búa til RF skammstöfun við inntakið.
Breyting á inntaksviðnáminu sem sést af álaginu í gegnum uppsprettu (þekkt sem source-pull tæknin) hefur verið notað til að hanna breiðbandsafriðara með 57% hlutfallslegri bandbreidd (1,25–2,25 GHz) og 10% hærri PCE samanborið við klumpaðar eða dreifðar hringrásir . Þrátt fyrir að samsvarandi net séu venjulega hönnuð til að passa við loftnet yfir alla 50Ω bandbreiddina, þá eru til skýrslur í bókmenntum þar sem breiðbandsloftnet hafa verið tengd við þröngbandsjafnara.
Samsvörunarnet með blendingum og dreifðum þáttum hafa verið mikið notaðar í staðfræði C og D, þar sem röð spólar og þéttar eru algengustu sameinuðu frumefnin. Þetta forðast flóknar mannvirki eins og interdigital þétta, sem krefjast nákvæmari líkana og tilbúningur en venjulegar microstrip línur.
Inntaksaflið til afriðlarans hefur áhrif á inntaksviðnámið vegna ólínuleika díóðunnar. Þess vegna er rektenna hannaður til að hámarka PCE fyrir tiltekið inntaksstyrk og álagsviðnám. Þar sem díóður eru fyrst og fremst rafrýmd með háviðnám við tíðni undir 3 GHz, hafa breiðbandsrætur sem útiloka samsvarandi netkerfi eða lágmarka einfaldaðar samsvörunarrásir verið lögð áhersla á tíðni Prf>0 dBm og yfir 1 GHz, þar sem díóðurnar hafa lága rafrýmd viðnám og hægt að passa vel saman. til loftnetsins og forðast þannig hönnun loftneta með inntaksviðbrögðum >1.000Ω.
Aðlögunarhæf eða endurstillanleg viðnámssamsvörun hefur sést í CMOS rektennum, þar sem samsvörunarnetið samanstendur af þéttabönkum og spólum á flís. Static CMOS samsvörun net hafa einnig verið lögð til fyrir venjuleg 50Ω loftnet sem og samhönnuð hringloftnet. Greint hefur verið frá því að óvirkir CMOS aflskynjarar séu notaðir til að stjórna rofum sem beina úttak loftnetsins að mismunandi afriðlum og samsvarandi netum, allt eftir tiltæku afli. Lagt hefur verið til endurstillanlegt samsvörunarnet sem notar þétta stillanlega þétta, sem er stillt með fínstillingu á meðan inntaksviðnám er mælt með því að nota vektornetgreiningartæki. Í endurstillanlegum microstrip samsvörunarnetum hafa sviðsáhrif smárarofar verið notaðir til að stilla samsvörunarstubbana til að ná tvíbanda eiginleikum.
Til að læra meira um loftnet skaltu fara á:
Pósttími: ágúst-09-2024
