1. บทนำ
การเก็บเกี่ยวพลังงานคลื่นความถี่วิทยุ (RF) และการถ่ายโอนพลังงานไร้สายแบบแผ่รังสี (WPT) ได้รับความสนใจอย่างมากในฐานะวิธีการสร้างเครือข่ายไร้สายที่ยั่งยืนโดยไม่ต้องใช้แบตเตอรี่ เร็กเทนนาเป็นหัวใจสำคัญของระบบ WPT และ RFEH และมีผลกระทบอย่างมากต่อพลังงาน DC ที่ส่งไปยังโหลด องค์ประกอบของเสาอากาศในเร็กเทนนาส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการเก็บเกี่ยว ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงพลังงานที่เก็บเกี่ยวได้หลายลำดับความ magnitud บทความนี้จะทบทวนการออกแบบเสาอากาศที่ใช้ในแอปพลิเคชัน WPT และ RFEH เร็กเทนนาที่รายงานจะถูกจำแนกตามเกณฑ์หลักสองประการ ได้แก่ แบนด์วิดท์อิมพีแดนซ์การแก้ไขของเสาอากาศและลักษณะการแผ่รังสีของเสาอากาศ สำหรับแต่ละเกณฑ์ จะมีการกำหนดและทบทวนตัวชี้วัดประสิทธิภาพ (FoM) สำหรับการใช้งานต่างๆ ในเชิงเปรียบเทียบ
ระบบส่งพลังงานไร้สาย (WPT) ถูกเสนอโดยเทสลาในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ในฐานะวิธีการส่งกำลังหลายพันแรงม้า คำว่า เร็กเทนนา (rectenna) ซึ่งหมายถึงเสาอากาศที่เชื่อมต่อกับตัวเรียงกระแสเพื่อเก็บเกี่ยวพลังงานคลื่นวิทยุ ปรากฏขึ้นในช่วงทศวรรษ 1950 สำหรับการส่งพลังงานไมโครเวฟในอวกาศและเพื่อจ่ายพลังงานให้กับโดรนอัตโนมัติ การส่งพลังงานไร้สายแบบรอบทิศทางและระยะไกลนั้นถูกจำกัดด้วยคุณสมบัติทางกายภาพของตัวกลางการแพร่กระจาย (อากาศ) ดังนั้น การส่งพลังงานไร้สายเชิงพาณิชย์จึงจำกัดอยู่เพียงการส่งพลังงานแบบไม่แผ่รังสีในระยะใกล้สำหรับการชาร์จอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคแบบไร้สายหรือ RFID
เนื่องจากการใช้พลังงานของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์และโหนดเซ็นเซอร์ไร้สายลดลงอย่างต่อเนื่อง ทำให้การจ่ายพลังงานให้กับโหนดเซ็นเซอร์โดยใช้คลื่นความถี่วิทยุจากสิ่งแวดล้อม (RFEH) หรือการใช้ตัวส่งสัญญาณแบบรอบทิศทางกำลังต่ำแบบกระจายศูนย์มีความเป็นไปได้มากขึ้น ระบบจ่ายพลังงานไร้สายกำลังต่ำมากมักประกอบด้วยส่วนหน้าสำหรับการรับสัญญาณ RF, ระบบจัดการพลังงาน DC และหน่วยความจำ, และไมโครโปรเซสเซอร์และตัวรับส่งสัญญาณกำลังต่ำ
รูปที่ 1 แสดงสถาปัตยกรรมของโหนดไร้สาย RFEH และการใช้งานส่วนหน้า RF ที่พบได้ทั่วไป ประสิทธิภาพโดยรวมของระบบพลังงานไร้สายและสถาปัตยกรรมของเครือข่ายการถ่ายโอนข้อมูลและพลังงานไร้สายแบบซิงโครไนซ์ขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของส่วนประกอบแต่ละส่วน เช่น เสาอากาศ วงจรเรียงกระแส และวงจรจัดการพลังงาน มีการสำรวจวรรณกรรมหลายฉบับเกี่ยวกับส่วนต่างๆ ของระบบ ตารางที่ 1 สรุปขั้นตอนการแปลงพลังงาน ส่วนประกอบสำคัญสำหรับการแปลงพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ และการสำรวจวรรณกรรมที่เกี่ยวข้องสำหรับแต่ละส่วน วรรณกรรมล่าสุดมุ่งเน้นไปที่เทคโนโลยีการแปลงพลังงาน โครงสร้างวงจรเรียงกระแส หรือ RFEH ที่คำนึงถึงเครือข่าย
รูปที่ 1
อย่างไรก็ตาม การออกแบบเสาอากาศไม่ได้ถูกพิจารณาว่าเป็นองค์ประกอบสำคัญใน RFEH แม้ว่าเอกสารบางฉบับจะพิจารณาแบนด์วิดท์และประสิทธิภาพของเสาอากาศจากมุมมองโดยรวมหรือจากมุมมองการออกแบบเสาอากาศเฉพาะ เช่น เสาอากาศขนาดเล็กหรือเสาอากาศแบบสวมใส่ได้ แต่ผลกระทบของพารามิเตอร์เสาอากาศบางอย่างต่อประสิทธิภาพการรับและการแปลงพลังงานยังไม่ได้รับการวิเคราะห์อย่างละเอียด
บทความนี้ทบทวนเทคนิคการออกแบบเสาอากาศในเร็กเทนนา โดยมีเป้าหมายเพื่อแยกแยะความท้าทายในการออกแบบเสาอากาศเฉพาะสำหรับ RFEH และ WPT ออกจากการออกแบบเสาอากาศสื่อสารมาตรฐาน เสาอากาศจะถูกเปรียบเทียบจากสองมุมมอง ได้แก่ การจับคู่ความต้านทานแบบ end-to-end และลักษณะการแผ่รังสี ในแต่ละกรณี จะมีการระบุและทบทวนค่า FoM ในเสาอากาศที่ทันสมัยที่สุด (SoA)
2. แบนด์วิดท์และการจับคู่: เครือข่าย RF ที่ไม่ใช่ 50 โอห์ม
ค่าอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะ 50Ω เป็นค่าที่นำมาพิจารณาในเบื้องต้นเพื่อหาจุดสมดุลระหว่างการลดทอนและกำลังในงานวิศวกรรมไมโครเวฟ ในเสาอากาศ แบนด์วิดท์ของอิมพีแดนซ์ถูกกำหนดให้เป็นช่วงความถี่ที่กำลังสะท้อนกลับน้อยกว่า 10% (S11< − 10 dB) เนื่องจากแอมพลิฟายเออร์เสียงรบกวนต่ำ (LNA) แอมพลิฟายเออร์กำลัง และตัวตรวจจับมักถูกออกแบบให้มีอิมพีแดนซ์อินพุต 50Ω ดังนั้นแหล่งกำเนิด 50Ω จึงมักถูกใช้เป็นตัวอ้างอิง
ในเร็กเทนนา สัญญาณเอาต์พุตจากเสาอากาศจะถูกป้อนเข้าสู่ตัวเรียงกระแสโดยตรง และความไม่เป็นเชิงเส้นของไดโอดทำให้ความต้านทานอินพุตเปลี่ยนแปลงอย่างมาก โดยส่วนประกอบของตัวเก็บประจุจะเด่นกว่า สมมติว่าเสาอากาศมีความต้านทาน 50 โอห์ม ความท้าทายหลักคือการออกแบบวงจรจับคู่ RF เพิ่มเติมเพื่อแปลงความต้านทานอินพุตให้เป็นความต้านทานของตัวเรียงกระแสที่ความถี่ที่ต้องการ และปรับให้เหมาะสมกับระดับกำลังไฟฟ้าที่เฉพาะเจาะจง ในกรณีนี้ จำเป็นต้องมีแบนด์วิดท์ความต้านทานแบบ end-to-end เพื่อให้มั่นใจได้ว่าการแปลง RF เป็น DC มีประสิทธิภาพ ดังนั้น แม้ว่าเสาอากาศจะสามารถบรรลุแบนด์วิดท์ที่ไม่มีที่สิ้นสุดหรือกว้างมากในทางทฤษฎีโดยใช้ส่วนประกอบแบบเป็นคาบหรือรูปทรงเรขาคณิตแบบ self-complementary แต่แบนด์วิดท์ของเร็กเทนนาจะถูกจำกัดด้วยวงจรจับคู่ตัวเรียงกระแส
มีการเสนอโครงสร้างเรคเทนนาหลายแบบเพื่อใช้ในการเก็บเกี่ยวพลังงานหรือส่งผ่านพลังงานไร้สาย (WPT) ทั้งแบบแถบความถี่เดียวและหลายแถบความถี่ โดยลดการสะท้อนและเพิ่มการถ่ายโอนพลังงานระหว่างเสาอากาศและตัวเรียงกระแสให้มากที่สุด รูปที่ 2 แสดงโครงสร้างของโครงสร้างเรคเทนนาที่รายงานไว้ โดยแบ่งตามสถาปัตยกรรมการจับคู่ความต้านทาน ตารางที่ 2 แสดงตัวอย่างของเรคเทนนาประสิทธิภาพสูงในแง่ของแบนด์วิดท์แบบ end-to-end (ในกรณีนี้คือ FoM) สำหรับแต่ละประเภท
รูปที่ 2 โครงสร้างของเร็กเทนนาจากมุมมองของแบนด์วิดท์และการจับคู่ความต้านทาน (a) เร็กเทนนาแบบแถบความถี่เดียวพร้อมเสาอากาศมาตรฐาน (b) เร็กเทนนาแบบหลายแถบความถี่ (ประกอบด้วยเสาอากาศหลายตัวที่เชื่อมต่อกัน) พร้อมตัวเรียงกระแสและวงจรจับคู่ความต้านทานหนึ่งชุดต่อแถบความถี่ (c) เร็กเทนนาแบบบรอดแบนด์พร้อมพอร์ต RF หลายพอร์ตและวงจรจับคู่ความต้านทานแยกต่างหากสำหรับแต่ละแถบความถี่ (d) เร็กเทนนาแบบบรอดแบนด์พร้อมเสาอากาศแบบบรอดแบนด์และวงจรจับคู่ความต้านทานแบบบรอดแบนด์ (e) เร็กเทนนาแบบแถบความถี่เดียวโดยใช้เสาอากาศขนาดเล็กทางไฟฟ้าที่จับคู่โดยตรงกับตัวเรียงกระแส (f) เสาอากาศขนาดใหญ่ทางไฟฟ้าแบบแถบความถี่เดียวที่มีความต้านทานเชิงซ้อนเพื่อจับคู่กับตัวเรียงกระแส (g) เร็กเทนนาแบบบรอดแบนด์ที่มีความต้านทานเชิงซ้อนเพื่อจับคู่กับตัวเรียงกระแสในช่วงความถี่ต่างๆ
แม้ว่า WPT และ RFEH จากแหล่งป้อนสัญญาณเฉพาะจะเป็นการใช้งานเร็กเทนนาที่แตกต่างกัน แต่การจับคู่แบบครบวงจรระหว่างเสาอากาศ ตัวเรียงกระแส และโหลดเป็นสิ่งสำคัญในการบรรลุประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน (PCE) สูงจากมุมมองของแบนด์วิดท์ อย่างไรก็ตาม เร็กเทนนา WPT เน้นการจับคู่ค่าคุณภาพสูง (S11 ต่ำกว่า) เพื่อปรับปรุง PCE แบบแถบความถี่เดียวที่ระดับพลังงานบางระดับ (โทโพโลยี a, e และ f) แบนด์วิดท์กว้างของ WPT แบบแถบความถี่เดียวช่วยเพิ่มภูมิคุ้มกันของระบบต่อการปรับจูนผิดพลาด ข้อบกพร่องในการผลิต และพาราสิตของบรรจุภัณฑ์ ในทางกลับกัน เร็กเทนนา RFEH ให้ความสำคัญกับการทำงานแบบหลายแถบความถี่และจัดอยู่ในโทโพโลยี bd และ g เนื่องจากความหนาแน่นสเปกตรัมกำลัง (PSD) ของแถบความถี่เดียวโดยทั่วไปจะต่ำกว่า
3. การออกแบบเสาอากาศทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้า
1. เร็กเทนนาความถี่เดียว
การออกแบบเสาอากาศแบบเร็กเทนนาความถี่เดียว (โทโพโลยี A) ส่วนใหญ่จะใช้การออกแบบเสาอากาศมาตรฐาน เช่น แพทช์แผ่รังสีโพลาไรซ์เชิงเส้น (LP) หรือโพลาไรซ์วงกลม (CP) บนระนาบกราวด์ เสาอากาศไดโพล และเสาอากาศอินเวอร์เต็ด F ส่วนเร็กเทนนาแบบย่านความถี่ต่างกันนั้นจะใช้การจัดเรียงแบบผสม DC ที่ประกอบด้วยหน่วยเสาอากาศหลายหน่วย หรือการผสมผสานระหว่าง DC และ RF ของหน่วยแพทช์หลายหน่วย
เนื่องจากเสาอากาศที่เสนอมาส่วนใหญ่เป็นเสาอากาศความถี่เดียวและตรงตามข้อกำหนดของ WPT ความถี่เดียว เมื่อต้องการ RFEH หลายความถี่ในสภาพแวดล้อม จึงต้องรวมเสาอากาศความถี่เดียวหลายตัวเข้าด้วยกันเป็นเร็กเทนนาหลายย่านความถี่ (โทโพโลยี B) โดยมีการลดการรบกวนระหว่างกันและการรวม DC แบบอิสระหลังจากวงจรจัดการพลังงาน เพื่อแยกออกจากวงจรรับและแปลงสัญญาณ RF อย่างสมบูรณ์ ซึ่งต้องใช้วงจรจัดการพลังงานหลายวงจรสำหรับแต่ละย่านความถี่ ซึ่งอาจลดประสิทธิภาพของบูสต์คอนเวอร์เตอร์ลง เนื่องจากพลังงาน DC ของย่านความถี่เดียวมีค่าต่ำ
2. เสาอากาศ RFEH แบบหลายย่านความถี่และบรอดแบนด์
ระบบ RFEH ด้านสิ่งแวดล้อมมักเกี่ยวข้องกับการรับสัญญาณหลายย่านความถี่ ดังนั้นจึงมีการเสนอเทคนิคต่างๆ มากมายเพื่อปรับปรุงแบนด์วิดท์ของการออกแบบเสาอากาศมาตรฐานและวิธีการสร้างอาร์เรย์เสาอากาศแบบสองย่านความถี่หรือแบบหลายย่านความถี่ ในส่วนนี้ เราจะทบทวนการออกแบบเสาอากาศแบบกำหนดเองสำหรับ RFEH รวมถึงเสาอากาศหลายย่านความถี่แบบคลาสสิกที่มีศักยภาพในการใช้งานเป็นเร็กเทนนา
เสาอากาศโมโนโพลแบบโคแพลนาร์เวฟไกด์ (CPW) ใช้พื้นที่น้อยกว่าเสาอากาศแบบไมโครสตริปแพทช์ที่ความถี่เดียวกัน และสร้างคลื่น LP หรือ CP จึงมักใช้สำหรับเร็กเทนนาสิ่งแวดล้อมแบบบรอดแบนด์ ระนาบสะท้อนใช้เพื่อเพิ่มการแยกและปรับปรุงอัตราขยาย ส่งผลให้รูปแบบการแผ่รังสีคล้ายกับเสาอากาศแบบแพทช์ เสาอากาศโคแพลนาร์เวฟไกด์แบบมีช่องใช้เพื่อปรับปรุงแบนด์วิดท์อิมพีแดนซ์สำหรับย่านความถี่หลายย่าน เช่น 1.8–2.7 GHz หรือ 1–3 GHz เสาอากาศแบบมีช่องและเสาอากาศแบบแพทช์ที่ป้อนสัญญาณแบบคู่ก็มักใช้ในการออกแบบเร็กเทนนาหลายย่านความถี่เช่นกัน รูปที่ 3 แสดงเสาอากาศหลายย่านความถี่บางส่วนที่ใช้เทคนิคการปรับปรุงแบนด์วิดท์มากกว่าหนึ่งวิธี
รูปที่ 3
การจับคู่ความต้านทานเสาอากาศ-วงจรเรียงกระแส
การจับคู่เสาอากาศ 50Ω กับวงจรเรียงกระแสแบบไม่เชิงเส้นเป็นเรื่องท้าทาย เนื่องจากอิมพีแดนซ์อินพุตเปลี่ยนแปลงอย่างมากตามความถี่ ในโครงสร้าง A และ B (รูปที่ 2) วงจรจับคู่ทั่วไปคือวงจร LC โดยใช้ส่วนประกอบแบบรวมศูนย์ อย่างไรก็ตาม แบนด์วิดท์สัมพัทธ์มักจะต่ำกว่าย่านความถี่การสื่อสารส่วนใหญ่ การจับคู่แบบสตับย่านความถี่เดียวมักใช้ในย่านความถี่ไมโครเวฟและมิลลิเมตรเวฟต่ำกว่า 6 GHz และเร็กเทนนาคลื่นมิลลิเมตรที่รายงานไว้มีแบนด์วิดท์แคบโดยธรรมชาติ เนื่องจากแบนด์วิดท์ PCE ของมันถูกจำกัดด้วยการลดทอนฮาร์มอนิกเอาต์พุต ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งาน WPT ย่านความถี่เดียวในย่านความถี่ 24 GHz ที่ไม่ได้รับอนุญาต
เร็กเทนนาในโทโพโลยี C และ D มีวงจรจับคู่ที่ซับซ้อนกว่า มีการเสนอวงจรจับคู่สายแบบกระจายเต็มรูปแบบสำหรับการจับคู่แบบบรอดแบนด์ โดยมีตัวบล็อก RF/วงจรลัดกระแสตรง (ตัวกรองผ่าน) ที่พอร์ตเอาต์พุต หรือตัวเก็บประจุบล็อกกระแสตรงเป็นเส้นทางส่งกลับสำหรับฮาร์โมนิกของไดโอด ส่วนประกอบของตัวเรียงกระแสสามารถแทนที่ด้วยตัวเก็บประจุแบบสลับฟันปลาบนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ซึ่งสังเคราะห์โดยใช้เครื่องมือออกแบบอิเล็กทรอนิกส์อัตโนมัติเชิงพาณิชย์ วงจรจับคู่เร็กเทนนาแบบบรอดแบนด์อื่นๆ ที่รายงานไว้จะรวมองค์ประกอบแบบรวมศูนย์สำหรับการจับคู่กับความถี่ต่ำ และองค์ประกอบแบบกระจายสำหรับการสร้างวงจรลัด RF ที่อินพุต
การปรับเปลี่ยนอิมพีแดนซ์อินพุตที่รับรู้โดยโหลดผ่านแหล่งกำเนิด (ที่รู้จักกันในชื่อเทคนิค source-pull) ได้ถูกนำมาใช้ในการออกแบบวงจรเรียงกระแสแบบบรอดแบนด์ที่มีแบนด์วิดท์สัมพัทธ์ 57% (1.25–2.25 GHz) และประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน (PCE) สูงกว่าวงจรแบบรวมศูนย์หรือแบบกระจายถึง 10% แม้ว่าโดยทั่วไปแล้ววงจรจับคู่จะถูกออกแบบมาเพื่อจับคู่เสาอากาศตลอดช่วงแบนด์วิดท์ 50Ω แต่ก็มีรายงานในเอกสารทางวิชาการที่ระบุว่าเสาอากาศบรอดแบนด์สามารถเชื่อมต่อกับวงจรเรียงกระแสแบบแคบแบนด์ได้
วงจรจับคู่แบบไฮบริดที่ประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุแบบกระจายตัวถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในโทโพโลยี C และ D โดยตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุแบบอนุกรมเป็นองค์ประกอบแบบรวมศูนย์ที่ใช้กันมากที่สุด วิธีนี้ช่วยหลีกเลี่ยงโครงสร้างที่ซับซ้อน เช่น ตัวเก็บประจุแบบสลับซี่ ซึ่งต้องใช้การสร้างแบบจำลองและการผลิตที่แม่นยำกว่าสายไมโครสตริปมาตรฐาน
กำลังไฟฟ้าขาเข้าของวงจรเรียงกระแสส่งผลต่ออิมพีแดนซ์ขาเข้าเนื่องจากคุณสมบัติไม่เป็นเชิงเส้นของไดโอด ดังนั้น เร็กเทนนาจึงถูกออกแบบมาเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน (PCE) ให้สูงสุดสำหรับระดับกำลังไฟฟ้าขาเข้าและอิมพีแดนซ์โหลดที่กำหนด เนื่องจากไดโอดมีอิมพีแดนซ์สูงแบบคาปาซิทีฟเป็นหลักที่ความถี่ต่ำกว่า 3 GHz เร็กเทนนาแบบบรอดแบนด์ที่กำจัดวงจรจับคู่หรือลดวงจรจับคู่แบบง่ายให้เหลือน้อยที่สุดจึงมุ่งเน้นไปที่ความถี่ Prf>0 dBm และสูงกว่า 1 GHz เนื่องจากไดโอดมีอิมพีแดนซ์แบบคาปาซิทีฟต่ำและสามารถจับคู่กับเสาอากาศได้ดี จึงหลีกเลี่ยงการออกแบบเสาอากาศที่มีรีแอกแทนซ์ขาเข้า >1,000Ω
การจับคู่ความต้านทานแบบปรับเปลี่ยนได้หรือกำหนดค่าใหม่ได้นั้นพบได้ในเร็กเทนนา CMOS โดยที่วงจรจับคู่ประกอบด้วยชุดตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำบนชิป นอกจากนี้ยังมีการเสนอวงจรจับคู่ CMOS แบบคงที่สำหรับเสาอากาศมาตรฐาน 50Ω รวมถึงเสาอากาศแบบลูปที่ออกแบบร่วมกัน มีรายงานว่ามีการใช้ตัวตรวจจับกำลังไฟฟ้า CMOS แบบพาสซีฟเพื่อควบคุมสวิตช์ที่ส่งเอาต์พุตของเสาอากาศไปยังตัวเรียงกระแสและวงจรจับคู่ที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับกำลังไฟฟ้าที่มีอยู่ มีการเสนอวงจรจับคู่ที่กำหนดค่าใหม่ได้โดยใช้ตัวเก็บประจุแบบปรับค่าได้แบบรวมศูนย์ ซึ่งปรับแต่งโดยการปรับละเอียดในขณะที่วัดความต้านทานอินพุตโดยใช้เครื่องวิเคราะห์เครือข่ายเวกเตอร์ ในวงจรจับคู่ไมโครสตริปที่กำหนดค่าใหม่ได้ มีการใช้สวิตช์ทรานซิสเตอร์แบบสนามแม่เหล็กเพื่อปรับสตับจับคู่เพื่อให้ได้คุณลักษณะแบบสองย่านความถี่
หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเสาอากาศ โปรดไปที่:
วันที่โพสต์: 9 สิงหาคม 2567
