1.Introducción
La recolección de energía por radiofrecuencia (RF) (RFEH) y la transferencia de energía inalámbrica radiativa (WPT) han atraído un gran interés como métodos para lograr redes inalámbricas sostenibles sin baterías. Las rectennas son la piedra angular de los sistemas TIP y RFEH y tienen un impacto significativo en la potencia CC entregada a la carga. Los elementos de antena de la reccena afectan directamente la eficiencia de recolección, lo que puede variar la potencia recolectada en varios órdenes de magnitud. Este artículo revisa los diseños de antena empleados en aplicaciones WPT y RFEH ambiental. Las recenas reportadas se clasifican según dos criterios principales: el ancho de banda de impedancia rectificadora de la antena y las características de radiación de la antena. Para cada criterio, se determina y revisa comparativamente la cifra de mérito (FoM) para diferentes solicitudes.
La WPT fue propuesta por Tesla a principios del siglo XX como método para transmitir miles de caballos de fuerza. El término rectenna, que describe una antena conectada a un rectificador para recolectar energía de RF, surgió en la década de 1950 para aplicaciones espaciales de transmisión de energía por microondas y para alimentar drones autónomos. La TIP omnidireccional y de largo alcance está limitada por las propiedades físicas del medio de propagación (aire). Por lo tanto, la TIP comercial se limita principalmente a la transferencia de energía no radiativa de campo cercano para la carga inalámbrica de productos electrónicos de consumo o RFID.
A medida que el consumo de energía de los dispositivos semiconductores y los nodos de sensores inalámbricos continúa disminuyendo, se vuelve más factible alimentar los nodos de sensores utilizando RFEH ambiental o transmisores omnidireccionales distribuidos de baja potencia. Los sistemas de energía inalámbricos de potencia ultrabaja generalmente constan de una interfaz de adquisición de RF, administración de memoria y alimentación de CC, y un microprocesador y transceptor de baja potencia.
La Figura 1 muestra la arquitectura de un nodo inalámbrico RFEH y las implementaciones de front-end de RF comúnmente reportadas. La eficiencia de extremo a extremo del sistema de energía inalámbrico y la arquitectura de la red inalámbrica sincronizada de transferencia de energía e información depende del desempeño de componentes individuales, como antenas, rectificadores y circuitos de administración de energía. Se han realizado varios estudios de literatura para diferentes partes del sistema. La Tabla 1 resume la etapa de conversión de energía, los componentes clave para una conversión de energía eficiente y los estudios de literatura relacionados para cada parte. La literatura reciente se centra en la tecnología de conversión de energía, topologías de rectificadores o RFEH con reconocimiento de red.
Figura 1
Sin embargo, el diseño de la antena no se considera un componente crítico en RFEH. Aunque parte de la literatura considera el ancho de banda y la eficiencia de la antena desde una perspectiva general o desde una perspectiva de diseño de antena específica, como antenas miniaturizadas o portátiles, el impacto de ciertos parámetros de la antena en la recepción de energía y la eficiencia de conversión no se analiza en detalle.
Este artículo revisa las técnicas de diseño de antenas en recenas con el objetivo de distinguir los desafíos de diseño de antenas específicos de RFEH y WPT del diseño de antenas de comunicación estándar. Las antenas se comparan desde dos perspectivas: adaptación de impedancia de extremo a extremo y características de radiación; en cada caso, el FoM es identificado y revisado en las antenas de última generación (SoA).
2. Ancho de banda y coincidencia: redes RF distintas de 50 Ω
La impedancia característica de 50 Ω es una consideración temprana del compromiso entre atenuación y potencia en aplicaciones de ingeniería de microondas. En las antenas, el ancho de banda de impedancia se define como el rango de frecuencia donde la potencia reflejada es inferior al 10% (S11 < − 10 dB). Dado que los amplificadores de bajo ruido (LNA), los amplificadores de potencia y los detectores generalmente se diseñan con una impedancia de entrada de 50 Ω, tradicionalmente se hace referencia a una fuente de 50 Ω.
En una reccena, la salida de la antena se alimenta directamente al rectificador y la no linealidad del diodo provoca una gran variación en la impedancia de entrada, dominando el componente capacitivo. Suponiendo una antena de 50Ω, el principal desafío es diseñar una red de adaptación de RF adicional para transformar la impedancia de entrada en la impedancia del rectificador a la frecuencia de interés y optimizarla para un nivel de potencia específico. En este caso, se requiere un ancho de banda de impedancia de extremo a extremo para garantizar una conversión eficiente de RF a CC. Por lo tanto, aunque las antenas pueden alcanzar un ancho de banda teóricamente infinito o ultra amplio utilizando elementos periódicos o geometría autocomplementaria, el ancho de banda de la rectenna se verá obstaculizado por la red de adaptación del rectificador.
Se han propuesto varias topologías de rectenna para lograr la recolección o WPT de banda única y multibanda minimizando las reflexiones y maximizando la transferencia de potencia entre la antena y el rectificador. La Figura 2 muestra las estructuras de las topologías de reccena informadas, categorizadas por su arquitectura de adaptación de impedancia. La Tabla 2 muestra ejemplos de rectennas de alto rendimiento con respecto al ancho de banda de extremo a extremo (en este caso, FoM) para cada categoría.
Figura 2 Topologías de Rectenna desde la perspectiva del ancho de banda y la adaptación de impedancia. (a) Reccena monobanda con antena estándar. (b) Rectenna multibanda (compuesta por múltiples antenas mutuamente acopladas) con un rectificador y una red de adaptación por banda. (c) Rectenna de banda ancha con múltiples puertos RF y redes coincidentes separadas para cada banda. (d) Rectenna de banda ancha con antena de banda ancha y red de adaptación de banda ancha. (e) Rectenna de banda única que utiliza una antena eléctricamente pequeña adaptada directamente al rectificador. (f) Antena eléctricamente grande de banda única con impedancia compleja para conjugar con el rectificador. (g) Reccena de banda ancha con impedancia compleja para conjugar con el rectificador en un rango de frecuencias.
Si bien la WPT y la RFEH ambiental de alimentación dedicada son aplicaciones de rectenna diferentes, lograr una coincidencia de extremo a extremo entre la antena, el rectificador y la carga es fundamental para lograr una alta eficiencia de conversión de potencia (PCE) desde la perspectiva del ancho de banda. Sin embargo, las rectennas TIP se centran más en lograr una mayor coincidencia de factores de calidad (S11 más bajo) para mejorar el PCE de banda única en ciertos niveles de potencia (topologías a, e y f). El amplio ancho de banda de la TIP de banda única mejora la inmunidad del sistema a la desafinación, los defectos de fabricación y los parásitos del embalaje. Por otro lado, las rectennas RFEH priorizan el funcionamiento multibanda y pertenecen a las topologías bd y g, ya que la densidad espectral de potencia (PSD) de una sola banda es generalmente menor.
3. Diseño de antena rectangular
1. Recena de frecuencia única
El diseño de la antena de rectenna de frecuencia única (topología A) se basa principalmente en el diseño de antena estándar, como parche radiante de polarización lineal (LP) o polarización circular (CP) en el plano de tierra, antena dipolo y antena F invertida. La rectenna de banda diferencial se basa en una matriz combinada de CC configurada con múltiples unidades de antena o una combinación mixta de CC y RF de múltiples unidades de parche.
Dado que muchas de las antenas propuestas son antenas monofrecuencia y cumplen los requisitos de la TIP monofrecuencia, cuando se busca RFEH ambiental multifrecuencia, se combinan múltiples antenas monofrecuencia en recenas multibanda (topología B) con supresión de acoplamiento mutuo y combinación de CC independiente después del circuito de administración de energía para aislarlos completamente del circuito de adquisición y conversión de RF. Esto requiere múltiples circuitos de administración de energía para cada banda, lo que puede reducir la eficiencia del convertidor elevador porque la potencia de CC de una sola banda es baja.
2. Antenas RFEH multibanda y de banda ancha
La RFEH ambiental a menudo se asocia con la adquisición multibanda; por lo tanto, se han propuesto una variedad de técnicas para mejorar el ancho de banda de diseños de antena estándar y métodos para formar conjuntos de antenas de banda dual o de banda. En esta sección, revisamos diseños de antenas personalizados para RFEH, así como antenas multibanda clásicas con potencial para usarse como rectennas.
Las antenas monopolo de guía de ondas coplanares (CPW) ocupan menos área que las antenas de parche de microcinta en la misma frecuencia y producen ondas LP o CP, y a menudo se utilizan para rectennas ambientales de banda ancha. Los planos de reflexión se utilizan para aumentar el aislamiento y mejorar la ganancia, lo que da como resultado patrones de radiación similares a los de las antenas de parche. Las antenas de guía de ondas coplanares ranuradas se utilizan para mejorar los anchos de banda de impedancia para múltiples bandas de frecuencia, como 1,8 a 2,7 GHz o 1 a 3 GHz. Las antenas de ranura con alimentación acoplada y las antenas de parche también se utilizan comúnmente en diseños de recena multibanda. La Figura 3 muestra algunas antenas multibanda reportadas que utilizan más de una técnica de mejora del ancho de banda.
Figura 3
Coincidencia de impedancia antena-rectificador
Hacer coincidir una antena de 50 Ω con un rectificador no lineal es un desafío porque su impedancia de entrada varía mucho con la frecuencia. En las topologías A y B (Figura 2), la red de coincidencia común es una coincidencia LC que utiliza elementos agrupados; sin embargo, el ancho de banda relativo suele ser menor que el de la mayoría de las bandas de comunicación. La adaptación de stub de banda única se utiliza comúnmente en bandas de microondas y de ondas milimétricas por debajo de 6 GHz, y las recenas de ondas milimétricas reportadas tienen un ancho de banda inherentemente estrecho porque su ancho de banda PCE está bloqueado por la supresión de armónicos de salida, lo que las hace particularmente adecuadas para aplicaciones TIP en la banda de 24 GHz sin licencia.
Las recenas en las topologías C y D tienen redes de coincidencia más complejas. Se han propuesto redes de coincidencia de líneas totalmente distribuidas para la coincidencia de banda ancha, con un bloqueo de RF/cortocircuito de CC (filtro de paso) en el puerto de salida o un condensador de bloqueo de CC como ruta de retorno para los armónicos de los diodos. Los componentes del rectificador pueden reemplazarse por condensadores interdigitados de placas de circuito impreso (PCB), que se sintetizan utilizando herramientas comerciales de automatización de diseño electrónico. Otras redes de coincidencia de recena de banda ancha reportadas combinan elementos agrupados para igualar frecuencias más bajas y elementos distribuidos para crear un cortocircuito de RF en la entrada.
Se ha utilizado la variación de la impedancia de entrada observada por la carga a través de una fuente (conocida como técnica de extracción de fuente) para diseñar un rectificador de banda ancha con un 57 % de ancho de banda relativo (1,25–2,25 GHz) y un PCE un 10 % mayor en comparación con los circuitos agrupados o distribuidos. . Aunque las redes de adaptación suelen estar diseñadas para hacer coincidir antenas en todo el ancho de banda de 50 Ω, hay informes en la literatura donde se han conectado antenas de banda ancha a rectificadores de banda estrecha.
Las redes híbridas de coincidencia de elementos concentrados y de elementos distribuidos se han utilizado ampliamente en las topologías C y D, siendo los inductores y condensadores en serie los elementos concentrados más utilizados. Estos evitan estructuras complejas como los condensadores interdigitados, que requieren un modelado y una fabricación más precisos que las líneas microstrip estándar.
La potencia de entrada al rectificador afecta la impedancia de entrada debido a la no linealidad del diodo. Por lo tanto, la rectenna está diseñada para maximizar el PCE para un nivel de potencia de entrada e impedancia de carga específicos. Dado que los diodos son principalmente capacitivos de alta impedancia en frecuencias inferiores a 3 GHz, las rectennas de banda ancha que eliminan las redes de adaptación o minimizan los circuitos de adaptación simplificados se han centrado en frecuencias Prf>0 dBm y superiores a 1 GHz, ya que los diodos tienen una baja impedancia capacitiva y pueden adaptarse bien. a la antena, evitando así el diseño de antenas con reactancias de entrada >1.000Ω.
Se ha observado adaptación de impedancia adaptativa o reconfigurable en rectennas CMOS, donde la red de adaptación consta de inductores y bancos de condensadores en chip. También se han propuesto redes estáticas de adaptación CMOS para antenas estándar de 50 Ω, así como antenas de bucle diseñadas conjuntamente. Se ha informado que los detectores de potencia CMOS pasivos se utilizan para controlar interruptores que dirigen la salida de la antena a diferentes rectificadores y redes coincidentes dependiendo de la potencia disponible. Se ha propuesto una red de adaptación reconfigurable que utiliza condensadores sintonizables agrupados, que se ajusta mediante ajuste fino mientras se mide la impedancia de entrada utilizando un analizador de red vectorial. En redes de adaptación de microcinta reconfigurables, se han utilizado interruptores de transistores de efecto de campo para ajustar los terminales de adaptación para lograr características de doble banda.
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Hora de publicación: 09-ago-2024
