1. Introducción
La recolección de energía de radiofrecuencia (RFEH) y la transferencia de energía 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 la antena de la rectena afectan directamente la eficiencia de recolección, 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 rectenas reportadas se clasifican según dos criterios principales: el ancho de banda de la impedancia rectificadora de la antena y las características de radiación de la antena. Para cada criterio, se determina y revisa comparativamente la figura de mérito (FoM) para diferentes aplicaciones.
La transferencia de energía inalámbrica (WPT) fue propuesta por Tesla a principios del siglo XX como un método para transmitir miles de caballos de fuerza. El término rectena, que describe una antena conectada a un rectificador para captar energía de radiofrecuencia (RF), 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 (el aire). Por lo tanto, la WPT comercial se limita principalmente a la transferencia de energía no radiactiva de campo cercano para la carga inalámbrica de dispositivos electrónicos de consumo o RFID.
A medida que disminuye el consumo de energía de los dispositivos semiconductores y los nodos de sensores inalámbricos, resulta más factible alimentar estos últimos mediante la recolección de energía por radiofrecuencia ambiental (RFEH) o mediante transmisores omnidireccionales distribuidos de baja potencia. Los sistemas de alimentación inalámbrica de ultrabajo consumo suelen constar de un módulo de adquisición de RF, gestión 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 interfaz de radiofrecuencia (RF) más comunes. La eficiencia integral del sistema de energía inalámbrica y la arquitectura de la red sincronizada de transferencia de información y energía inalámbrica dependen del rendimiento de 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 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 o la RFEH con reconocimiento de red.
Figura 1
Sin embargo, el diseño de la antena no se considera un componente crítico en RFEH. Si bien algunos estudios analizan el ancho de banda y la eficiencia de la antena desde una perspectiva general o desde un diseño específico, como antenas miniaturizadas o portátiles, el impacto de ciertos parámetros de la antena en la recepción de potencia y la eficiencia de conversión no se analiza en detalle.
Este artículo revisa las técnicas de diseño de antenas en rectenas con el objetivo de diferenciar los desafíos de diseño de antenas específicos para 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, se identifica y analiza el factor de mérito (FoM) en las antenas de última generación (SoA).
2. Ancho de banda y adaptación de impedancias: Redes de RF distintas de 50 Ω
La impedancia característica de 50 Ω es una consideración inicial del compromiso 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 adaptación de impedancia de entrada de 50 Ω, tradicionalmente se utiliza como referencia una fuente de 50 Ω.
En una rectena, 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, predominando el componente capacitivo. Suponiendo una antena de 50 Ω, el principal desafío reside en diseñar una red de adaptación de impedancia 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 ultra amplio mediante elementos periódicos o geometría autocomplementaria, el ancho de banda de la rectena se verá limitado por la red de adaptación del rectificador.
Se han propuesto diversas topologías de rectenas para lograr la captación de energía en banda única y multibanda, o la transferencia inalámbrica de potencia (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 descritas, clasificadas según su arquitectura de adaptación de impedancia. La Tabla 2 presenta ejemplos de rectenas de alto rendimiento en función del ancho de banda de extremo a extremo (en este caso, el factor de mérito [FoM]) para cada categoría.
Figura 2 Topologías de rectena desde la perspectiva del ancho de banda y la adaptación de impedancia. (a) Rectena de banda única con antena estándar. (b) Rectena multibanda (compuesta por múltiples antenas acopladas mutuamente) con un rectificador y una red de adaptación por banda. (c) Rectena de banda ancha con múltiples puertos de RF y redes de adaptación separadas para cada banda. (d) Rectena de banda ancha con antena de banda ancha y red de adaptación de banda ancha. (e) Rectena de banda única que utiliza una antena eléctricamente pequeña adaptada directamente al rectificador. (f) Antena de banda única, eléctricamente grande con impedancia compleja para conjugarse con el rectificador. (g) Rectena de banda ancha con impedancia compleja para conjugarse con el rectificador en un rango de frecuencias.
Si bien la transferencia de energía inalámbrica (WPT) y la recolección de energía por radiofrecuencia ambiental (RFEH) desde una fuente dedicada son aplicaciones de rectenas diferentes, lograr una adaptación 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 una perspectiva de ancho de banda. Sin embargo, las rectenas WPT se centran más en lograr una adaptación de factor de calidad más alta (menor S11) para mejorar la PCE de banda única en ciertos niveles de potencia (topologías a, e y f). El amplio ancho de banda de la WPT de banda única mejora la inmunidad del sistema a la desintonización, los defectos de fabricación y los parásitos del empaque. 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. Rectena de frecuencia única
El diseño de la rectena de frecuencia única (topología A) se basa principalmente en diseños de antenas estándar, como parches radiantes de polarización lineal (LP) o circular (CP) en el plano de tierra, antenas dipolo y antenas F invertidas. La rectena de banda diferencial se basa en una matriz de combinación de CC configurada con múltiples unidades de antena o en una combinación mixta de CC y RF de múltiples unidades de parche.
Dado que muchas de las antenas propuestas son de frecuencia única y cumplen con los requisitos de la transferencia de energía inalámbrica (WPT) de frecuencia única, al buscar la recolección de energía de radiofrecuencia (RFEH) multifrecuencia ambiental, se combinan varias antenas de frecuencia única en rectenas multibanda (topología B) con supresión de acoplamiento mutuo y combinación de CC independiente después del circuito de administración de potencia para aislarlas completamente del circuito de adquisición y conversión de RF. Esto requiere múltiples circuitos de administración de potencia para cada banda, lo que puede reducir la eficiencia del convertidor elevador debido a que la potencia de CC de una sola banda es baja.
2. Antenas RFEH multibanda y de banda ancha
La adquisición de datos ambientales mediante RFEH 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 doble banda o de banda única. En esta sección, revisamos diseños de antenas personalizados para RFEH, así como antenas multibanda clásicas con potencial para ser utilizadas como rectenas.
Las antenas monopolo de guía de onda coplanar (CPW) ocupan menos área que las antenas de parche de microcinta a la misma frecuencia y producen ondas LP o CP, y se utilizan frecuentemente para 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 para múltiples bandas de frecuencia, como 1,8–2,7 GHz o 1–3 GHz. Las antenas de ranura y de parche alimentadas acopladamente 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 que su impedancia de entrada varía considerablemente con la frecuencia. En las topologías A y B (Figura 2), la red de adaptación común es una adaptación LC con elementos concentrados; sin embargo, el ancho de banda relativo suele ser menor que el de la mayoría de las bandas de comunicación. La adaptación de banda única mediante stub 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 de PCE está limitado por la supresión de armónicos de salida, lo que las hace particularmente adecuadas para aplicaciones de WPT de banda única en la banda no licenciada de 24 GHz.
Las rectenas en las topologías C y D cuentan con redes de adaptación más complejas. Se han propuesto redes de adaptación de línea totalmente 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 rectificadores pueden sustituirse por condensadores interdigitados en una placa 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 adaptación de impedancia) se ha utilizado para diseñar un rectificador de banda ancha con un ancho de banda relativo del 57 % (1,25–2,25 GHz) y una eficiencia de conversión de potencia (PCE) un 10 % superior en comparación con 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 comunes. Estas 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 rectena se diseña para maximizar la eficiencia de conversión de potencia (PCE) para un nivel de potencia de entrada e impedancia de carga específicos. Dado que los diodos presentan principalmente una alta impedancia capacitiva a frecuencias inferiores a 3 GHz, las rectenas 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 > 1000 Ω.
Se ha observado adaptación de impedancia adaptativa o reconfigurable en rectenas CMOS, donde la red de adaptación consta de bancos de capacitores e inductores integrados en el chip. También se han propuesto redes de adaptación CMOS estáticas para antenas estándar de 50 Ω, así como para antenas de bucle de diseño conjunto. Se ha informado que se utilizan detectores de potencia CMOS pasivos para controlar conmutadores 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 capacitores sintonizables concentrados, la cual se ajusta mediante sintonización fina mientras se mide la impedancia de entrada con un analizador de redes vectoriales. En redes de adaptación de microcinta reconfigurables, se han utilizado conmutadores de transistores de efecto de campo para ajustar los stubs de adaptación y lograr características de doble banda.
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Fecha de publicación: 9 de agosto de 2024
