1. Introducción
La recolección de energía por radiofrecuencia (RF) (RFEH) y la transferencia de potencia inalámbrica radiativa (WPT) han despertado gran interés como métodos para lograr redes inalámbricas sostenibles sin baterías. Las rectenas son la piedra angular de los sistemas WPT y RFEH y tienen un impacto significativo en la potencia de CC suministrada a la carga. Los elementos de antena de la rectena 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 ambientales. Las rectenas reportadas se clasifican según dos criterios principales: el ancho de banda de impedancia de rectificación de la antena y las características de radiación de la antena. Para cada criterio, se determina y analiza comparativamente la figura de mérito (FoM) para diferentes aplicaciones.
La WPT fue propuesta por Tesla a principios del siglo XX como un método para transmitir miles de caballos de fuerza. El término rectenna, que describe una antena conectada a un rectificador para captar potencia de radiofrecuencia, surgió en la década de 1950 para aplicaciones de transmisión de energía por microondas en el espacio y para alimentar drones autónomos. La WPT omnidireccional de largo alcance está limitada por las propiedades físicas del medio de propagación (aire). Por lo tanto, la WPT comercial se limita principalmente a la transferencia de energía no radiativa de campo cercano para la carga inalámbrica de dispositivos 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 hace más viable alimentar los nodos de sensores mediante RFEH ambiental o transmisores omnidireccionales distribuidos de baja potencia. Los sistemas de energía inalámbrica de ultra bajo consumo suelen constar de un front-end de adquisición de RF, gestión de memoria y alimentación de CC, y un microprocesador y transceptor de bajo consumo.
La Figura 1 muestra la arquitectura de un nodo inalámbrico RFEH y las implementaciones de interfaz de RF más comunes. La eficiencia integral del sistema de energía inalámbrico y la arquitectura de la red inalámbrica sincronizada de transferencia de información y energía dependen del rendimiento de los componentes individuales, como antenas, rectificadores y circuitos de gestión de energía. Se han realizado diversas revisiones bibliográficas 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 las revisiones bibliográficas relacionadas con cada parte. La literatura reciente se centra en la tecnología de conversión de energía, las topologías de rectificadores y el RFEH con reconocimiento de red.
Figura 1
Sin embargo, el diseño de antenas no se considera un componente crítico en RFEH. Si bien en la literatura se consideran el ancho de banda y la eficiencia de las antenas desde una perspectiva general o desde una perspectiva específica de diseño, como las antenas miniaturizadas o portátiles, no se analiza en detalle el impacto de ciertos parámetros de la antena en la recepción de potencia y la eficiencia de conversión.
Este artículo revisa las técnicas de diseño de antenas en rectenas con el objetivo de distinguir los desafíos específicos de RFEH y WPT en el diseño de antenas de comunicaciones estándar. Se comparan las antenas desde dos perspectivas: adaptación de impedancia de extremo a extremo y características de radiación; en cada caso, se identifica y analiza el FoM en las antenas de última generación (SoA).
2. Ancho de banda y adaptación: redes de RF distintas de 50 Ω
La impedancia característica de 50 Ω es una consideración inicial del equilibrio entre atenuación y potencia en aplicaciones de ingeniería de microondas. En 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 suelen diseñarse con una impedancia de entrada de 50 Ω, tradicionalmente se utiliza una fuente de 50 Ω como referencia.
En una rectenna, 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, con predominio del componente capacitivo. Suponiendo una antena de 50 Ω, el principal reto reside en diseñar una red de adaptación de RF adicional para transformar la impedancia de entrada a 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 teóricamente un ancho de banda infinito o ultraancho utilizando elementos periódicos o geometría autocomplementaria, el ancho de banda de la rectenna se verá limitado por la red de adaptación del rectificador.
Se han propuesto diversas topologías de rectenas para lograr la recolección monobanda y multibanda (WPT) 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 rectenas reportadas, clasificadas según su arquitectura de adaptación de impedancia. La Tabla 2 muestra ejemplos de rectenas 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) Rectenna de banda única con antena estándar. (b) Rectenna multibanda (compuesta de múltiples antenas acopladas mutuamente) con un rectificador y red de adaptación por banda. (c) Rectenna de banda ancha con múltiples puertos de RF y redes de adaptación 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 de banda única, eléctricamente grande, con impedancia compleja para conjugar con el rectificador. (g) Rectenna de banda ancha con impedancia compleja para conjugar con el rectificador en un rango de frecuencias.
Si bien WPT y RFEH ambiental de alimentación dedicada son aplicaciones de rectenas diferentes, lograr la adaptación de extremo a extremo entre antena, rectificador y carga es fundamental para lograr una alta eficiencia de conversión de potencia (PCE) desde la perspectiva del ancho de banda. Sin embargo, las rectenas WPT se centran más en lograr una mayor adaptación del factor de calidad (menor S11) para mejorar la PCE monobanda en ciertos niveles de potencia (topologías a, e y f). El amplio ancho de banda de WPT monobanda mejora la inmunidad del sistema a la desintonización, defectos de fabricación y parásitos de empaquetado. Por otro lado, las rectenas RFEH priorizan la operación 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. Rectenna de frecuencia única
El diseño de antena de la rectenna monofrecuencia (topología A) se basa principalmente en diseños de antena estándar, como la polarización lineal (LP) o la polarización circular (CP) con parche radiante en el plano de tierra, la antena dipolo y la antena F invertida. La rectenna de banda diferencial se basa en un conjunto combinado de CC configurado con múltiples unidades de antena o en una combinación mixta de CC y RF con múltiples parches.
Dado que muchas de las antenas propuestas son monofrecuencia y cumplen con los requisitos de la WPT monofrecuencia, al buscar RFEH multifrecuencia ambiental, se combinan múltiples antenas monofrecuencia en rectenas multibanda (topología B) con supresión de acoplamiento mutuo y combinación de CC independiente después del circuito de gestión de potencia para aislarlas completamente del circuito de adquisición y conversión de RF. Esto requiere múltiples circuitos de gestión de potencia para cada banda, lo que puede reducir la eficiencia del convertidor elevador debido a la baja potencia de CC de una sola banda.
2. Antenas RFEH multibanda y de banda ancha
La RFEH ambiental suele asociarse con la adquisición multibanda; por lo tanto, se han propuesto diversas técnicas para mejorar el ancho de banda de los diseños de antenas estándar y métodos para formar conjuntos de antenas de banda dual o de banda dual. En esta sección, revisamos diseños de antenas personalizados para RFEH, así como antenas multibanda clásicas con potencial para su uso como rectenas.
Las antenas monopolares de guía de onda coplanar (CPW) ocupan menos área que las antenas de parche de microbanda a la misma frecuencia y producen ondas LP o CP. Se utilizan a menudo en rectenas ambientales de banda ancha. Los planos de reflexión se utilizan para aumentar el aislamiento y mejorar la ganancia, lo que resulta en patrones de radiación similares a los de las antenas de parche. Las antenas de guía de onda coplanar ranuradas se utilizan para mejorar el ancho de banda de impedancia en múltiples bandas de frecuencia, como 1,8-2,7 GHz o 1-3 GHz. Las antenas de ranura con alimentación acoplada y las antenas de parche también se utilizan comúnmente en diseños de rectenas multibanda. La Figura 3 muestra algunas antenas multibanda reportadas que utilizan más de una técnica de mejora del ancho de banda.
Figura 3
Adaptación de impedancia entre antena y rectificador
Adaptar una antena de 50 Ω a un rectificador no lineal es un desafío debido a la gran variación de su impedancia de entrada con la frecuencia. En las topologías A y B (Figura 2), la red de adaptación común es una adaptación LC con 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 stubs monobanda se utiliza comúnmente en las bandas de microondas y ondas milimétricas por debajo de 6 GHz, y las rectenas de ondas milimétricas reportadas tienen un ancho de banda inherentemente estrecho debido a que su ancho de banda PCE se ve limitado por la supresión de armónicos de salida, lo que las hace especialmente adecuadas para aplicaciones WPT monobanda en la banda sin licencia de 24 GHz.
Las rectenas en las topologías C y D presentan redes de adaptación más complejas. Se han propuesto redes de adaptación de línea completamente distribuidas para la adaptación 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 del diodo. Los componentes del rectificador pueden sustituirse por condensadores interdigitados en placas de circuito impreso (PCB), que se sintetizan mediante herramientas comerciales de automatización del diseño electrónico. Otras redes de adaptación de rectenas de banda ancha descritas combinan elementos concentrados para la adaptación a frecuencias más bajas y elementos distribuidos para crear un cortocircuito de RF en la entrada.
La variación de la impedancia de entrada observada por la carga a través de una fuente (conocida como técnica de extracción de fuente) se ha utilizado para diseñar un rectificador de banda ancha con un ancho de banda relativo del 57 % (1,25-2,25 GHz) y un PCE un 10 % superior al de los circuitos concentrados o distribuidos. Si bien las redes de adaptación suelen diseñarse para adaptar antenas en todo el ancho de banda de 50 Ω, existen informes en la literatura donde se han conectado antenas de banda ancha a rectificadores de banda estrecha.
Las redes de adaptación híbridas de elementos concentrados y distribuidos se han utilizado ampliamente en las topologías C y D, siendo los inductores y condensadores en serie los elementos concentrados más utilizados. Estas evitan estructuras complejas, como los condensadores interdigitados, que requieren un modelado y una fabricación más precisos que las líneas de microbanda 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 a 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 baja impedancia capacitiva y pueden adaptarse bien a la antena, evitando así el diseño de antenas con reactancias de entrada > 1000 Ω.
La adaptación de impedancia adaptativa o reconfigurable se ha observado en rectenas CMOS, donde la red de adaptación consiste en bancos de condensadores e inductores en chip. También se han propuesto redes de adaptación CMOS estáticas para antenas estándar de 50 Ω, así como para antenas de bucle codiseñadas. 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 de adaptación según la potencia disponible. Se ha propuesto una red de adaptación reconfigurable que utiliza condensadores sintonizables concentrados, que se ajusta mediante un ajuste fino mientras se mide la impedancia de entrada con un analizador vectorial de redes. En las redes de adaptación de microbanda reconfigurables, se han utilizado interruptores de transistores de efecto de campo para ajustar los stubs de adaptación y lograr características de doble banda.
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Hora de publicación: 09-ago-2024
