1.บทนำ
การเก็บเกี่ยวพลังงานความถี่วิทยุ (RF) (RFEH) และการถ่ายโอนพลังงานไร้สายแบบแผ่รังสี (WPT) ได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจากเป็นวิธีการในการบรรลุเครือข่ายไร้สายที่ยั่งยืนโดยไม่ต้องใช้แบตเตอรี่ วงจรเรียงกระแสเป็นรากฐานสำคัญของระบบ WPT และ RFEH และมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อกำลังไฟ DC ที่จ่ายให้กับโหลด องค์ประกอบเสาอากาศของเรคตินาส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพในการเก็บเกี่ยว ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงกำลังการเก็บเกี่ยวได้หลายขนาด บทความนี้จะทบทวนการออกแบบเสาอากาศที่ใช้ใน WPT และแอปพลิเคชัน RFEH โดยรอบ วงจรเรียงกระแสที่รายงานถูกจำแนกตามเกณฑ์หลักสองประการ: แบนด์วิธอิมพีแดนซ์ที่แก้ไขเสาอากาศ และคุณลักษณะการแผ่รังสีของเสาอากาศ สำหรับแต่ละเกณฑ์ จะมีการกำหนดและตรวจสอบตัวเลขคุณธรรม (FoM) สำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน
WPT ได้รับการเสนอโดย Tesla ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 เพื่อเป็นวิธีการส่งแรงม้านับพัน คำว่า เรกเทนนา ซึ่งหมายถึงเสาอากาศที่เชื่อมต่อกับวงจรเรียงกระแสเพื่อเก็บเกี่ยวพลังงาน RF เกิดขึ้นในช่วงทศวรรษ 1950 สำหรับการใช้งานการส่งพลังงานไมโครเวฟในอวกาศ และเพื่อใช้จ่ายพลังงานให้กับโดรนอัตโนมัติ WPT ระยะไกลแบบรอบทิศทางถูกจำกัดโดยคุณสมบัติทางกายภาพของตัวกลางการขยายพันธุ์ (อากาศ) ดังนั้น WPT เชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่จึงถูกจำกัดอยู่ที่การถ่ายโอนพลังงานแบบไม่แผ่รังสีระยะใกล้สำหรับการชาร์จอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคแบบไร้สายหรือ RFID
เนื่องจากการใช้พลังงานของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์และโหนดเซ็นเซอร์ไร้สายยังคงลดลงอย่างต่อเนื่อง จึงเป็นไปได้มากขึ้นสำหรับโหนดเซ็นเซอร์พลังงานที่ใช้ RFEH โดยรอบ หรือใช้เครื่องส่งสัญญาณรอบทิศทางพลังงานต่ำแบบกระจาย ระบบพลังงานไร้สายพลังงานต่ำพิเศษมักจะประกอบด้วยส่วนหน้าการรับ RF, การจัดการพลังงาน DC และหน่วยความจำ และไมโครโปรเซสเซอร์และตัวรับส่งสัญญาณพลังงานต่ำ
รูปที่ 1 แสดงสถาปัตยกรรมของโหนดไร้สาย RFEH และการใช้งาน RF front-end ที่รายงานโดยทั่วไป ประสิทธิภาพตั้งแต่ต้นทางถึงปลายทางของระบบพลังงานไร้สายและสถาปัตยกรรมของข้อมูลไร้สายที่ซิงโครไนซ์และเครือข่ายการถ่ายโอนพลังงานนั้นขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของส่วนประกอบแต่ละส่วน เช่น เสาอากาศ วงจรเรียงกระแส และวงจรการจัดการพลังงาน มีการสำรวจวรรณกรรมหลายครั้งสำหรับส่วนต่างๆ ของระบบ ตารางที่ 1 สรุปขั้นตอนการแปลงพลังงาน องค์ประกอบหลักสำหรับการแปลงพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ และการสำรวจวรรณกรรมที่เกี่ยวข้องสำหรับแต่ละส่วน บทความล่าสุดมุ่งเน้นไปที่เทคโนโลยีการแปลงพลังงาน โทโพโลยีเรียงกระแส หรือ RFEH ที่รับรู้เครือข่าย
รูปที่ 1
อย่างไรก็ตาม การออกแบบเสาอากาศไม่ถือเป็นองค์ประกอบสำคัญใน RFEH แม้ว่างานเขียนบางงานจะพิจารณาแบนด์วิธของเสาอากาศและประสิทธิภาพของเสาอากาศจากมุมมองโดยรวมหรือจากมุมมองการออกแบบเสาอากาศเฉพาะ เช่น เสาอากาศขนาดเล็กหรือแบบสวมใส่ได้ ผลกระทบของพารามิเตอร์เสาอากาศบางอย่างต่อการรับพลังงานและประสิทธิภาพการแปลงจะไม่ได้รับการวิเคราะห์โดยละเอียด
บทความนี้ทบทวนเทคนิคการออกแบบเสาอากาศในวงจรเรียงกระแสโดยมีเป้าหมายเพื่อแยกแยะความท้าทายในการออกแบบเสาอากาศเฉพาะ RFEH และ WPT จากการออกแบบเสาอากาศสื่อสารมาตรฐาน เสาอากาศถูกเปรียบเทียบจากสองมุมมอง: การจับคู่อิมพีแดนซ์จากต้นทางถึงปลายทางและคุณลักษณะการแผ่รังสี ในแต่ละกรณี FoM จะถูกระบุและตรวจสอบในเสาอากาศที่ล้ำสมัย (SoA)
2. แบนด์วิดท์และการจับคู่: เครือข่าย RF ที่ไม่ใช่50Ω
อิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะที่ 50Ω เป็นการพิจารณาตั้งแต่เนิ่นๆ ของการประนีประนอมระหว่างการลดทอนและกำลังในการใช้งานทางวิศวกรรมไมโครเวฟ ในเสาอากาศ แบนด์วิธอิมพีแดนซ์ถูกกำหนดให้เป็นช่วงความถี่ที่พลังงานสะท้อนน้อยกว่า 10% (S11< − 10 dB) เนื่องจากโดยทั่วไปแล้ว เครื่องขยายสัญญาณรบกวนต่ำ (LNA) เครื่องขยายกำลัง และตัวตรวจจับได้รับการออกแบบให้มีการจับคู่อิมพีแดนซ์อินพุต 50Ω ดังนั้น แหล่งสัญญาณ 50Ω จึงมักถูกอ้างอิง
ในเรกเทนนา เอาท์พุตของเสาอากาศจะถูกป้อนโดยตรงเข้าไปในเรกติไฟเออร์ และความไม่เป็นเชิงเส้นของไดโอดทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างมากในอิมพีแดนซ์อินพุต โดยที่ส่วนประกอบคาปาซิทีฟมีอำนาจเหนือกว่า สมมติว่ามีเสาอากาศขนาด 50Ω ความท้าทายหลักคือการออกแบบเครือข่ายจับคู่ RF เพิ่มเติมเพื่อแปลงอิมพีแดนซ์อินพุตเป็นอิมพีแดนซ์ของวงจรเรียงกระแสที่ความถี่ที่สนใจ และปรับให้เหมาะสมสำหรับระดับพลังงานเฉพาะ ในกรณีนี้ จำเป็นต้องใช้แบนด์วิดท์อิมพีแดนซ์ตั้งแต่ต้นทางถึงปลายทางเพื่อให้แน่ใจว่าการแปลง RF เป็น DC มีประสิทธิภาพ ดังนั้น แม้ว่าเสาอากาศจะสามารถบรรลุแบนด์วิดท์ที่ไม่จำกัดหรือกว้างพิเศษในทางทฤษฎีได้โดยใช้องค์ประกอบเป็นระยะหรือเรขาคณิตที่เสริมในตัวเอง แบนด์วิดท์ของเรกเทนนาจะถูกคอขวดโดยเครือข่ายการจับคู่เรกติไฟเออร์
โทโพโลยีเรกเทนนาหลายรายการได้รับการเสนอเพื่อให้บรรลุการเก็บเกี่ยวในย่านความถี่เดี่ยวและหลายแบนด์หรือ WPT โดยลดการสะท้อนให้เหลือน้อยที่สุดและเพิ่มการถ่ายโอนพลังงานระหว่างเสาอากาศและวงจรเรียงกระแสให้สูงสุด รูปที่ 2 แสดงโครงสร้างของโทโพโลยีเรียงกระแสที่รายงาน ซึ่งจัดหมวดหมู่ตามสถาปัตยกรรมการจับคู่อิมพีแดนซ์ ตารางที่ 2 แสดงตัวอย่างวงจรเรียงกระแสประสิทธิภาพสูงที่เกี่ยวข้องกับแบนด์วิธจากต้นทางถึงปลายทาง (ในกรณีนี้คือ FoM) สำหรับแต่ละหมวดหมู่
รูปที่ 2 โทโพโลยี Rectenna จากมุมมองของการจับคู่แบนด์วิธและอิมพีแดนซ์ (a) เรกเทนนาย่านความถี่เดี่ยวพร้อมเสาอากาศมาตรฐาน (b) วงจรเรียงกระแสแบบหลายย่านความถี่ (ประกอบด้วยเสาอากาศหลายเสาที่เชื่อมต่อกัน) โดยมีวงจรเรียงกระแสหนึ่งชุดและเครือข่ายที่ตรงกันต่อแบนด์ (c) วงจรเรียงกระแสบรอดแบนด์ที่มีพอร์ต RF หลายพอร์ตและเครือข่ายที่ตรงกันแยกกันสำหรับแต่ละแบนด์ (ง) วงจรเรียงกระแสบรอดแบนด์พร้อมเสาอากาศบรอดแบนด์และเครือข่ายการจับคู่บรอดแบนด์ (จ) เรกเทนนาย่านความถี่เดี่ยวที่ใช้เสาอากาศขนาดเล็กทางไฟฟ้าซึ่งจับคู่โดยตรงกับเรกติไฟเออร์ (f) เสาอากาศไฟฟ้าขนาดใหญ่แบบแถบความถี่เดียวที่มีอิมพีแดนซ์เชิงซ้อนเพื่อเชื่อมต่อกับวงจรเรียงกระแส (g) วงจรเรียงกระแสบรอดแบนด์ที่มีอิมพีแดนซ์เชิงซ้อนเพื่อเชื่อมต่อกับวงจรเรียงกระแสในช่วงความถี่
แม้ว่า WPT และ RFEH โดยรอบจากฟีดเฉพาะจะเป็นแอปพลิเคชันเรกเทนนาที่แตกต่างกัน แต่การจับคู่แบบ end-to-end ระหว่างเสาอากาศ เรกติไฟเออร์ และโหลดเป็นพื้นฐานในการบรรลุประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูง (PCE) จากมุมมองของแบนด์วิดท์ อย่างไรก็ตาม วงจรเรียงกระแส WPT มุ่งเน้นไปที่การบรรลุการจับคู่แฟคเตอร์คุณภาพสูงขึ้น (S11 ต่ำกว่า) เพื่อปรับปรุง PCE ย่านความถี่เดี่ยวในระดับพลังงานที่แน่นอน (โทโพโลยี a, e และ f) แบนด์วิดธ์ที่กว้างของ WPT แบนด์เดียวช่วยเพิ่มภูมิคุ้มกันของระบบต่อการตรวจจับ ข้อบกพร่องจากการผลิต และปรสิตในบรรจุภัณฑ์ ในทางกลับกัน วงจรเรียงกระแส RFEH จัดลำดับความสำคัญของการทำงานแบบหลายแบนด์และเป็นของโทโพโลยี bd และ g เนื่องจากความหนาแน่นของสเปกตรัมพลังงาน (PSD) ของแบนด์เดียวโดยทั่วไปจะต่ำกว่า
3. การออกแบบเสาอากาศสี่เหลี่ยม
1. วงจรเรียงกระแสความถี่เดียว
การออกแบบเสาอากาศของวงจรเรียงกระแสความถี่เดี่ยว (โทโพโลยี A) มีพื้นฐานมาจากการออกแบบเสาอากาศมาตรฐานเป็นหลัก เช่น โพลาไรเซชันเชิงเส้น (LP) หรือแผ่นกระจายแสงโพลาไรเซชันแบบวงกลม (CP) บนระนาบกราวด์ เสาอากาศไดโพล และเสาอากาศ F แบบกลับหัว วงจรเรียงกระแสคลื่นความถี่แบบดิฟเฟอเรนเชียลใช้อาร์เรย์รวม DC ที่กำหนดค่าด้วยยูนิตเสาอากาศหลายชุด หรือการผสมผสานระหว่าง DC และ RF ของยูนิตแพตช์หลายตัว
เนื่องจากเสาอากาศที่นำเสนอจำนวนมากเป็นเสาอากาศความถี่เดียวและตรงตามข้อกำหนดของ WPT ความถี่เดียว เมื่อค้นหา RFEH หลายความถี่ด้านสิ่งแวดล้อม เสาอากาศความถี่เดียวหลายตัวจึงถูกรวมเข้าเป็นวงจรเรียงกระแสแบบหลายย่านความถี่ (โทโพโลยี B) พร้อมด้วยการปราบปรามการมีเพศสัมพันธ์ร่วมกันและ การรวม DC อิสระหลังจากวงจรการจัดการพลังงานเพื่อแยกออกจากวงจรการรับและการแปลง RF โดยสมบูรณ์ ซึ่งต้องใช้วงจรการจัดการพลังงานหลายวงจรสำหรับแต่ละแบนด์ ซึ่งอาจลดประสิทธิภาพของบูสต์คอนเวอร์เตอร์เนื่องจากกำลังไฟ DC ของแบนด์เดียวต่ำ
2. เสาอากาศ RFEH แบบหลายแบนด์และบรอดแบนด์
RFEH ด้านสิ่งแวดล้อมมักเกี่ยวข้องกับการได้มาซึ่งหลายแบนด์ ดังนั้นจึงมีการเสนอเทคนิคที่หลากหลายเพื่อปรับปรุงแบนด์วิดท์ของการออกแบบเสาอากาศมาตรฐานและวิธีการสร้างอาร์เรย์เสาอากาศแบบดูอัลแบนด์หรือแบนด์ ในส่วนนี้ เราจะตรวจสอบการออกแบบเสาอากาศแบบกำหนดเองสำหรับ RFEH รวมถึงเสาอากาศหลายย่านความถี่แบบคลาสสิกที่มีศักยภาพที่จะใช้เป็นวงจรเรียงกระแส
เสาอากาศโมโนโพลท่อนำคลื่น Coplanar (CPW) ใช้พื้นที่น้อยกว่าเสาอากาศแพทช์ไมโครสตริปที่ความถี่เดียวกันและสร้างคลื่น LP หรือ CP และมักใช้สำหรับวงจรเรียงกระแสสิ่งแวดล้อมบรอดแบนด์ ระนาบการสะท้อนถูกใช้เพื่อเพิ่มการแยกตัวและปรับปรุงอัตราขยาย ส่งผลให้เกิดรูปแบบการแผ่รังสีที่คล้ายกับเสาอากาศแบบแพทช์ เสาอากาศท่อนำคลื่นแบบ slotted coplanar ใช้เพื่อปรับปรุงแบนด์วิธอิมพีแดนซ์สำหรับแถบความถี่หลายแถบ เช่น 1.8–2.7 GHz หรือ 1–3 GHz เสาอากาศช่องป้อนคู่และเสาอากาศแบบแพทช์มักใช้ในการออกแบบวงจรเรียงกระแสแบบหลายแบนด์ รูปที่ 3 แสดงเสาอากาศหลายย่านความถี่ที่รายงานซึ่งใช้เทคนิคการปรับปรุงแบนด์วิธมากกว่าหนึ่งเทคนิค
รูปที่ 3
การจับคู่ความต้านทานของเสาอากาศ-วงจรเรียงกระแส
การจับคู่เสาอากาศ 50Ω กับวงจรเรียงกระแสแบบไม่เชิงเส้นนั้นเป็นเรื่องที่ท้าทาย เนื่องจากความต้านทานอินพุตจะแปรผันอย่างมากตามความถี่ ในโทโพโลยี A และ B (รูปที่ 2) เครือข่ายที่ตรงกันทั่วไปคือการจับคู่ LC โดยใช้องค์ประกอบที่เป็นก้อน อย่างไรก็ตาม แบนด์วิธสัมพัทธ์มักจะต่ำกว่าแบนด์การสื่อสารส่วนใหญ่ การจับคู่สตับแบนด์เดี่ยวมักใช้ในไมโครเวฟและคลื่นมิลลิเมตรที่ความถี่ต่ำกว่า 6 GHz และวงจรเรียงกระแสคลื่นมิลลิเมตรที่รายงานมีแบนด์วิดท์ที่แคบโดยธรรมชาติ เนื่องจากแบนด์วิดท์ PCE ของพวกมันติดขัดจากการปราบปรามฮาร์มอนิกเอาท์พุต ซึ่งทำให้พวกมันเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับ single-band แอปพลิเคชันแบนด์ WPT ในย่านความถี่ 24 GHz ที่ไม่มีใบอนุญาต
วงจรเรียงกระแสในโทโพโลยี C และ D มีเครือข่ายการจับคู่ที่ซับซ้อนมากขึ้น เครือข่ายการจับคู่สายแบบกระจายเต็มรูปแบบได้รับการเสนอสำหรับการจับคู่บรอดแบนด์ โดยมีบล็อก RF/ไฟฟ้ากระแสตรงลัดวงจร (ตัวกรองผ่าน) ที่พอร์ตเอาต์พุตหรือตัวเก็บประจุบล็อก DC เป็นเส้นทางส่งคืนสำหรับฮาร์โมนิกของไดโอด ส่วนประกอบวงจรเรียงกระแสสามารถแทนที่ได้ด้วยตัวเก็บประจุแบบอินเตอร์ดิจิตัลของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ซึ่งสังเคราะห์ขึ้นโดยใช้เครื่องมืออัตโนมัติสำหรับการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์เชิงพาณิชย์ เครือข่ายการจับคู่เร็กเทนนาบรอดแบนด์ที่รายงานอื่นๆ จะรวมองค์ประกอบแบบก้อนเพื่อจับคู่กับความถี่ที่ต่ำกว่า และองค์ประกอบแบบกระจายเพื่อสร้าง RF Short ที่อินพุต
การเปลี่ยนแปลงอิมพีแดนซ์อินพุตที่สังเกตได้จากโหลดผ่านแหล่งที่มา (รู้จักกันในชื่อเทคนิคการดึงแหล่งที่มา) ได้ถูกนำมาใช้ในการออกแบบวงจรเรียงกระแสบรอดแบนด์ที่มีแบนด์วิดท์สัมพัทธ์ 57% (1.25–2.25 GHz) และ PCE ที่สูงขึ้น 10% เมื่อเทียบกับวงจรรวมหรือวงจรกระจาย . แม้ว่าโดยทั่วไปเครือข่ายที่ตรงกันได้รับการออกแบบให้จับคู่เสาอากาศบนแบนด์วิดธ์50Ωทั้งหมด แต่ก็มีรายงานในเอกสารที่เชื่อมต่อเสาอากาศบรอดแบนด์กับวงจรเรียงกระแสแนร์โรว์แบนด์
เครือข่ายการจับคู่องค์ประกอบแบบก้อนแบบไฮบริดและแบบกระจายองค์ประกอบถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในโทโพโลยี C และ D โดยมีตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุแบบอนุกรมเป็นองค์ประกอบแบบก้อนที่ใช้บ่อยที่สุด สิ่งเหล่านี้หลีกเลี่ยงโครงสร้างที่ซับซ้อน เช่น ตัวเก็บประจุแบบอินเตอร์ดิจิตัล ซึ่งต้องการการสร้างแบบจำลองและการผลิตที่แม่นยำมากกว่าเส้นไมโครสตริปมาตรฐาน
กำลังไฟฟ้าเข้าที่จ่ายให้กับวงจรเรียงกระแสส่งผลต่ออิมพีแดนซ์อินพุตเนื่องจากความไม่เชิงเส้นของไดโอด ดังนั้น วงจรเรียงกระแสจึงได้รับการออกแบบเพื่อเพิ่ม PCE สูงสุดสำหรับระดับพลังงานอินพุตเฉพาะและอิมพีแดนซ์โหลด เนื่องจากไดโอดมีความต้านทานสูงแบบคาปาซิทีฟเป็นหลักที่ความถี่ต่ำกว่า 3 GHz วงจรเรียงกระแสบรอดแบนด์ที่กำจัดเครือข่ายที่ตรงกันหรือลดวงจรการจับคู่แบบง่ายให้เหลือน้อยที่สุดจึงมุ่งเน้นไปที่ความถี่ Prf>0 dBm และสูงกว่า 1 GHz เนื่องจากไดโอดมีอิมพีแดนซ์แบบคาปาซิทีฟต่ำและสามารถจับคู่ได้ดี ไปยังเสาอากาศ จึงหลีกเลี่ยงการออกแบบเสาอากาศที่มีค่ารีแอกแตนซ์อินพุต >1,000Ω
การจับคู่อิมพีแดนซ์แบบปรับตัวหรือกำหนดค่าใหม่ได้นั้นพบเห็นได้ในวงจรเรียงกระแสแบบ CMOS โดยที่เครือข่ายที่ตรงกันประกอบด้วยธนาคารตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำบนชิป นอกจากนี้ ยังมีการเสนอเครือข่ายการจับคู่ CMOS แบบคงที่สำหรับเสาอากาศมาตรฐาน 50Ω เช่นเดียวกับเสาอากาศแบบลูปที่ออกแบบร่วมกัน มีรายงานว่าเครื่องตรวจจับพลังงาน CMOS แบบพาสซีฟใช้เพื่อควบคุมสวิตช์ที่ส่งเอาต์พุตของเสาอากาศไปยังวงจรเรียงกระแสและเครือข่ายที่ตรงกันที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับพลังงานที่มีอยู่ มีการเสนอเครือข่ายการจับคู่ที่กำหนดค่าใหม่ได้โดยใช้ตัวเก็บประจุแบบปรับค่าได้แบบก้อน ซึ่งปรับโดยการปรับแบบละเอียดในขณะที่วัดอิมพีแดนซ์อินพุตโดยใช้เครื่องวิเคราะห์เครือข่ายแบบเวกเตอร์ ในเครือข่ายการจับคู่ไมโครสตริปที่กำหนดค่าใหม่ได้ สวิตช์ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามถูกนำมาใช้เพื่อปรับต้นขั้วที่ตรงกันเพื่อให้ได้คุณลักษณะแบบดูอัลแบนด์
หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเสาอากาศ โปรดไปที่:
เวลาโพสต์: 09 ส.ค.-2024
