1.บทนำ
การเก็บพลังงานคลื่นความถี่วิทยุ (RF) (RFEH) และการถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายแบบแผ่รังสี (WPT) ได้รับความสนใจอย่างมากในฐานะวิธีการสร้างเครือข่ายไร้สายที่ยั่งยืนโดยไม่ต้องใช้แบตเตอรี่ เรคเทนนาเป็นรากฐานสำคัญของระบบ WPT และ RFEH และมีผลกระทบอย่างมากต่อพลังงานไฟฟ้ากระแสตรงที่ส่งไปยังโหลด ส่วนประกอบของเสาอากาศของเรคเทนนาส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพในการเก็บเกี่ยว ซึ่งอาจทำให้พลังงานที่เก็บเกี่ยวได้เปลี่ยนแปลงไปหลายระดับ บทความนี้ทบทวนการออกแบบเสาอากาศที่ใช้ใน WPT และแอปพลิเคชัน RFEH โดยรอบ เรคเทนนาที่รายงานถูกจำแนกตามเกณฑ์หลักสองประการ ได้แก่ แบนด์วิดท์อิมพีแดนซ์ของเสาอากาศที่เรียงกระแส และลักษณะการแผ่รังสีของเสาอากาศ สำหรับแต่ละเกณฑ์ จะมีการกำหนดและตรวจสอบตัวเลขคุณค่า (FoM) สำหรับการใช้งานที่แตกต่างกันเพื่อเปรียบเทียบกัน
เทสลาเสนอ WPT ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 เพื่อเป็นวิธีการส่งกำลังหลายพันแรงม้า คำว่า เรคเทนนา ซึ่งหมายถึงเสาอากาศที่เชื่อมต่อกับเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าเพื่อเก็บพลังงาน RF เกิดขึ้นในช่วงทศวรรษ 1950 สำหรับการใช้งานในการส่งกำลังไมโครเวฟในอวกาศและการจ่ายพลังงานให้กับโดรนอัตโนมัติ WPT แบบรอบทิศทางระยะไกลถูกจำกัดด้วยคุณสมบัติทางกายภาพของตัวกลางการแพร่กระจาย (อากาศ) ดังนั้น WPT เชิงพาณิชย์จึงส่วนใหญ่จำกัดอยู่เพียงการถ่ายโอนพลังงานแบบไม่แผ่รังสีในสนามใกล้สำหรับการชาร์จอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ไร้สายสำหรับผู้บริโภคหรือ RFID
เนื่องจากการใช้พลังงานของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์และโหนดเซ็นเซอร์ไร้สายลดลงอย่างต่อเนื่อง จึงทำให้การจ่ายพลังงานให้กับโหนดเซ็นเซอร์โดยใช้ RFEH แบบแวดล้อม หรือเครื่องส่งสัญญาณรอบทิศทางแบบกระจายกำลังต่ำที่ใช้พลังงานต่ำมากเป็นไปได้มากขึ้น ระบบจ่ายพลังงานไร้สายพลังงานต่ำพิเศษมักประกอบด้วยส่วนหน้าของการรับ RF, การจัดการพลังงาน DC และหน่วยความจำ และไมโครโปรเซสเซอร์และตัวรับส่งสัญญาณพลังงานต่ำ
รูปที่ 1 แสดงสถาปัตยกรรมของโหนดไร้สาย RFEH และการใช้งาน RF front-end ที่มีการรายงานโดยทั่วไป ประสิทธิภาพแบบ end-to-end ของระบบไฟฟ้าไร้สายและสถาปัตยกรรมของเครือข่ายข้อมูลและการถ่ายโอนพลังงานไร้สายแบบซิงโครไนซ์ขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของส่วนประกอบแต่ละชิ้น เช่น เสาอากาศ ตัวเรียงกระแส และวงจรจัดการพลังงาน มีการสำรวจวรรณกรรมหลายชิ้นสำหรับส่วนต่างๆ ของระบบ ตารางที่ 1 สรุปขั้นตอนการแปลงพลังงาน ส่วนประกอบสำคัญสำหรับการแปลงพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ และการสำรวจวรรณกรรมที่เกี่ยวข้องสำหรับแต่ละส่วน งานวิจัยล่าสุดมุ่งเน้นไปที่เทคโนโลยีการแปลงพลังงาน โทโพโลยีตัวเรียงกระแส หรือ RFEH ที่รับรู้เครือข่าย
รูปที่ 1
อย่างไรก็ตาม การออกแบบเสาอากาศไม่ถือเป็นองค์ประกอบสำคัญใน RFEH แม้ว่าจะมีเอกสารบางฉบับพิจารณาแบนด์วิดท์และประสิทธิภาพของเสาอากาศจากมุมมองโดยรวม หรือจากมุมมองการออกแบบเสาอากาศเฉพาะ เช่น เสาอากาศขนาดเล็กหรือเสาอากาศแบบสวมใส่ได้ แต่ผลกระทบของพารามิเตอร์เสาอากาศบางประการต่อการรับสัญญาณและประสิทธิภาพการแปลงพลังงานยังไม่ได้รับการวิเคราะห์อย่างละเอียด
บทความนี้ทบทวนเทคนิคการออกแบบเสาอากาศในเรกเทนนา โดยมีเป้าหมายเพื่อแยกแยะความท้าทายในการออกแบบเสาอากาศเฉพาะของ RFEH และ WPT ออกจากการออกแบบเสาอากาศสื่อสารมาตรฐาน เสาอากาศจะถูกเปรียบเทียบจากสองมุมมอง ได้แก่ การจับคู่อิมพีแดนซ์แบบ end-to-end และคุณลักษณะการแผ่รังสี ในแต่ละกรณี FoM จะถูกระบุและตรวจสอบในเสาอากาศที่ทันสมัย (SoA)
2. แบนด์วิดท์และการจับคู่: เครือข่าย RF ที่ไม่ใช่ 50Ω
อิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะที่ 50Ω เป็นข้อพิจารณาเบื้องต้นในการประนีประนอมระหว่างการลดทอนและกำลังไฟฟ้าในการประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรมไมโครเวฟ ในเสาอากาศ แบนด์วิดท์อิมพีแดนซ์ถูกกำหนดให้เป็นช่วงความถี่ที่กำลังไฟฟ้าสะท้อนกลับน้อยกว่า 10% (S11< − 10 dB) เนื่องจากเครื่องขยายสัญญาณรบกวนต่ำ (LNA) เครื่องขยายสัญญาณกำลังไฟฟ้า และเครื่องตรวจจับสัญญาณมักได้รับการออกแบบให้มีค่าอิมพีแดนซ์อินพุตตรงกันที่ 50Ω จึงมักใช้แหล่งกำเนิดสัญญาณที่ 50Ω เป็นมาตรฐาน
ในเรกเทนนา เอาต์พุตของเสาอากาศจะถูกป้อนเข้าสู่วงจรเรียงกระแสโดยตรง และความไม่เชิงเส้นของไดโอดทำให้เกิดความแปรผันอย่างมากในอิมพีแดนซ์อินพุต โดยมีส่วนประกอบแบบคาปาซิทีฟเป็นส่วนใหญ่ สมมติว่าเป็นเสาอากาศขนาด 50 โอห์ม ความท้าทายหลักคือการออกแบบเครือข่ายจับคู่ RF เพิ่มเติมเพื่อแปลงอิมพีแดนซ์อินพุตให้เป็นอิมพีแดนซ์ของวงจรเรียงกระแสที่ความถี่ที่ต้องการ และปรับให้เหมาะสมที่สุดสำหรับระดับพลังงานที่กำหนด ในกรณีนี้ จำเป็นต้องใช้แบนด์วิดท์อิมพีแดนซ์แบบ end-to-end เพื่อให้มั่นใจว่าการแปลง RF เป็น DC มีประสิทธิภาพ ดังนั้น แม้ว่าเสาอากาศจะสามารถบรรลุแบนด์วิดท์ที่ไม่จำกัดในทางทฤษฎีหรือกว้างมากโดยใช้องค์ประกอบแบบคาบหรือรูปทรงเรขาคณิตที่เสริมกันเอง แต่แบนด์วิดท์ของเรกเทนนาจะติดขัดเนื่องจากเครือข่ายจับคู่ของวงจรเรียงกระแส
โทโพโลยีเรกเทนนาหลายแบบได้รับการเสนอขึ้นเพื่อให้เกิดการเก็บเกี่ยวสัญญาณแบบแบนด์เดียวและหลายแบนด์ หรือ WPT โดยการลดแสงสะท้อนให้เหลือน้อยที่สุดและเพิ่มการถ่ายโอนพลังงานระหว่างเสาอากาศและตัวเรียงกระแสให้มากที่สุด รูปที่ 2 แสดงโครงสร้างของโทโพโลยีเรกเทนนาที่รายงานไว้ โดยแบ่งประเภทตามสถาปัตยกรรมการจับคู่อิมพีแดนซ์ ตารางที่ 2 แสดงตัวอย่างของเรกเทนนาประสิทธิภาพสูงเมื่อเทียบกับแบนด์วิดท์แบบเอนด์ทูเอนด์ (ในกรณีนี้คือ FoM) สำหรับแต่ละประเภท
รูปที่ 2 โทโพโลยี Rectenna จากมุมมองของการจับคู่แบนด์วิดท์และอิมพีแดนซ์ (a) Rectenna แบนด์เดียวพร้อมเสาอากาศมาตรฐาน (b) Rectenna หลายแบนด์ (ประกอบด้วยเสาอากาศที่เชื่อมต่อกันหลายเสา) พร้อมวงจรเรียงกระแสหนึ่งตัวและเครือข่ายจับคู่ต่อแบนด์ (c) Rectenna บรอดแบนด์พร้อมพอร์ต RF หลายพอร์ตและเครือข่ายจับคู่แยกกันสำหรับแต่ละแบนด์ (d) Rectenna บรอดแบนด์พร้อมเสาอากาศบรอดแบนด์และเครือข่ายจับคู่บรอดแบนด์ (e) Rectenna แบนด์เดียวที่ใช้เสาอากาศขนาดเล็กทางไฟฟ้าจับคู่โดยตรงกับวงจรเรียงกระแส (f) เสาอากาศแบนด์เดียวขนาดใหญ่ทางไฟฟ้าที่มีอิมพีแดนซ์เชิงซ้อนเพื่อเชื่อมต่อกับวงจรเรียงกระแส (g) Rectenna บรอดแบนด์ที่มีอิมพีแดนซ์เชิงซ้อนเพื่อเชื่อมต่อกับวงจรเรียงกระแสในช่วงความถี่ต่างๆ
แม้ว่า WPT และ RFEH แวดล้อมจากฟีดเฉพาะจะเป็นแอปพลิเคชันเรกเทนนาที่แตกต่างกัน แต่การจับคู่แบบ end-to-end ระหว่างเสาอากาศ ตัวเรียงกระแส และโหลด ถือเป็นพื้นฐานสำคัญในการบรรลุประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน (PCE) สูงจากมุมมองของแบนด์วิดท์ อย่างไรก็ตาม เรกเทนนา WPT มุ่งเน้นที่การจับคู่ปัจจัยคุณภาพสูง (S11) ที่ต่ำกว่า เพื่อปรับปรุง PCE แบนด์วิดท์เดียวที่ระดับพลังงานที่กำหนด (โทโพโลยี a, e และ f) แบนด์วิดท์ที่กว้างของ WPT แบนด์วิดท์เดียวช่วยเพิ่มภูมิคุ้มกันของระบบต่อปัญหา detuning ข้อบกพร่องในการผลิต และปรสิตในบรรจุภัณฑ์ ในทางกลับกัน เรกเทนนา RFEH ให้ความสำคัญกับการทำงานแบบหลายแบนด์วิดท์และจัดอยู่ในโทโพโลยี bd และ g เนื่องจากความหนาแน่นสเปกตรัมกำลัง (PSD) ของแบนด์วิดท์เดียวโดยทั่วไปจะต่ำกว่า
3. การออกแบบเสาอากาศแบบสี่เหลี่ยมผืนผ้า
1. เรกเทนนาความถี่เดียว
การออกแบบเสาอากาศเรกเทนนาความถี่เดียว (โทโพโลยี A) ส่วนใหญ่ยึดตามการออกแบบเสาอากาศมาตรฐาน เช่น แพทช์แผ่คลื่นแบบโพลาไรเซชันเชิงเส้น (LP) หรือโพลาไรเซชันวงกลม (CP) บนแผ่นกราวด์ เสาอากาศไดโพล และเสาอากาศ F กลับหัว เรกเทนนาย่านความถี่ดิฟเฟอเรนเชียลใช้อาร์เรย์แบบรวมกระแสตรงที่กำหนดค่าด้วยเสาอากาศหลายชุด หรือแบบผสมกระแสตรงและ RF ของแพทช์หลายชุด
เนื่องจากเสาอากาศที่เสนอหลายตัวเป็นเสาอากาศความถี่เดียวและตรงตามข้อกำหนดของ WPT ความถี่เดียว เมื่อพิจารณา RFEH หลายความถี่ในสภาพแวดล้อม เสาอากาศความถี่เดียวหลายตัวจะถูกรวมเข้าด้วยกันเป็นเรกเทนนาหลายแบนด์ (โทโพโลยี B) พร้อมระบบตัดการเชื่อมต่อแบบคู่ขนานและการรวมกระแสตรงอิสระหลังจากวงจรจัดการพลังงาน เพื่อแยกเสาอากาศเหล่านี้ออกจากวงจรรับและแปลง RF อย่างสมบูรณ์ วิธีนี้จำเป็นต้องใช้วงจรจัดการพลังงานหลายวงจรสำหรับแต่ละแบนด์ ซึ่งอาจลดประสิทธิภาพของตัวแปลงบูสต์เนื่องจากกำลังไฟฟ้ากระแสตรงของแบนด์เดียวต่ำ
2. เสาอากาศ RFEH แบบหลายแบนด์และบรอดแบนด์
RFEH ด้านสิ่งแวดล้อมมักเกี่ยวข้องกับการรับข้อมูลแบบหลายแบนด์ ดังนั้นจึงมีการเสนอเทคนิคที่หลากหลายเพื่อปรับปรุงแบนด์วิดท์ของการออกแบบเสาอากาศมาตรฐานและวิธีการสร้างเสาอากาศแบบแถวเรียงสองแบนด์หรือแบบแบนด์ ในส่วนนี้ เราจะทบทวนการออกแบบเสาอากาศแบบกำหนดเองสำหรับ RFEH รวมถึงเสาอากาศแบบหลายแบนด์แบบคลาสสิกที่มีศักยภาพในการนำไปใช้เป็นเรกเทนนา
เสาอากาศแบบโมโนโพลของท่อนำคลื่นโคพลานาร์ (CPW) มีพื้นที่น้อยกว่าเสาอากาศแบบแพทช์ไมโครสตริปที่ความถี่เดียวกัน และผลิตคลื่น LP หรือ CP และมักใช้กับเรกเทนนาสิ่งแวดล้อมแบบบรอดแบนด์ ระนาบสะท้อนแสงถูกใช้เพื่อเพิ่มการแยกสัญญาณและเพิ่มเกน ทำให้เกิดรูปแบบการแผ่รังสีคล้ายกับเสาอากาศแบบแพทช์ เสาอากาศแบบท่อนำคลื่นโคพลานาร์แบบมีร่องใช้เพื่อปรับปรุงแบนด์วิดท์อิมพีแดนซ์สำหรับหลายย่านความถี่ เช่น 1.8–2.7 GHz หรือ 1–3 GHz เสาอากาศแบบสล็อตฟีดแบบคัปเปิลและเสาอากาศแบบแพทช์ก็มักใช้ในการออกแบบเรกเทนนาแบบหลายย่านความถี่เช่นกัน รูปที่ 3 แสดงเสาอากาศหลายย่านความถี่ที่มีการรายงาน ซึ่งใช้เทคนิคการปรับปรุงแบนด์วิดท์มากกว่าหนึ่งวิธี
รูปที่ 3
การจับคู่อิมพีแดนซ์ของเสาอากาศ-วงจรเรียงกระแส
การจับคู่เสาอากาศ 50Ω กับวงจรเรียงกระแสแบบไม่เชิงเส้นนั้นเป็นเรื่องที่ท้าทาย เนื่องจากอิมพีแดนซ์อินพุตของเสาอากาศจะแปรผันอย่างมากตามความถี่ ในโทโพโลยี A และ B (รูปที่ 2) เครือข่ายการจับคู่ทั่วไปคือการจับคู่แบบ LC โดยใช้องค์ประกอบแบบรวม อย่างไรก็ตาม แบนด์วิดท์สัมพัทธ์มักจะต่ำกว่าย่านความถี่การสื่อสารส่วนใหญ่ การจับคู่แบบสตับแบนด์เดียวมักใช้ในย่านไมโครเวฟและย่านความถี่คลื่นมิลลิเมตรที่ต่ำกว่า 6 GHz และวงจรเรียงกระแสคลื่นมิลลิเมตรที่มีการรายงานมีแบนด์วิดท์แคบโดยเนื้อแท้ เนื่องจากแบนด์วิดท์ PCE ของเสาอากาศเหล่านี้ถูกจำกัดด้วยการลดฮาร์มอนิกเอาต์พุต ซึ่งทำให้เสาอากาศเหล่านี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งาน WPT ย่านความถี่เดียวในย่านความถี่ 24 GHz ที่ไม่มีใบอนุญาต
เรกเทนนาในโทโพโลยี C และ D มีเครือข่ายการจับคู่ที่ซับซ้อนกว่า เครือข่ายการจับคู่แบบกระจายสายอย่างสมบูรณ์ถูกเสนอขึ้นสำหรับการจับคู่แบบบรอดแบนด์ โดยมีบล็อก RF/วงจรลัด DC (ตัวกรองผ่าน) ที่พอร์ตเอาต์พุต หรือตัวเก็บประจุบล็อก DC เป็นเส้นทางกลับสำหรับฮาร์มอนิกไดโอด ส่วนประกอบของวงจรเรียงกระแสสามารถแทนที่ด้วยตัวเก็บประจุแบบสลับวงจรพิมพ์ (PCB) ซึ่งสังเคราะห์โดยใช้เครื่องมือออกแบบอิเล็กทรอนิกส์อัตโนมัติเชิงพาณิชย์ เครือข่ายการจับคู่เรกเทนนาแบบบรอดแบนด์อื่นๆ ที่มีการรายงานไว้จะรวมองค์ประกอบแบบรวมสำหรับการจับคู่กับความถี่ต่ำและองค์ประกอบแบบกระจายเพื่อสร้าง RF short ที่อินพุต
การเปลี่ยนแปลงค่าอิมพีแดนซ์อินพุตที่สังเกตได้จากโหลดผ่านแหล่งจ่าย (หรือที่เรียกว่าเทคนิค source-pull) ถูกนำมาใช้เพื่อออกแบบวงจรเรียงกระแสบรอดแบนด์ที่มีแบนด์วิดท์สัมพัทธ์ 57% (1.25–2.25 GHz) และมีค่า PCE สูงกว่า 10% เมื่อเทียบกับวงจรแบบรวมหรือแบบกระจาย แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วเครือข่ายที่จับคู่กันจะได้รับการออกแบบให้จับคู่เสาอากาศได้ตลอดแบนด์วิดท์ 50Ω ทั้งหมด แต่ก็มีรายงานในเอกสารที่ระบุว่าเสาอากาศบรอดแบนด์ถูกเชื่อมต่อกับวงจรเรียงกระแสแบนด์แคบ
เครือข่ายการจับคู่องค์ประกอบแบบผสมแบบรวมและแบบกระจายถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในโทโพโลยี C และ D โดยตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุแบบอนุกรมเป็นองค์ประกอบแบบรวมที่นิยมใช้มากที่สุด สิ่งเหล่านี้หลีกเลี่ยงโครงสร้างที่ซับซ้อน เช่น ตัวเก็บประจุแบบสลับ ซึ่งต้องการการสร้างแบบจำลองและการผลิตที่แม่นยำกว่าสายไมโครสตริปมาตรฐาน
กำลังไฟฟ้าเข้าที่วงจรเรียงกระแสมีผลต่ออิมพีแดนซ์ขาเข้าเนื่องจากความไม่เชิงเส้นของไดโอด ดังนั้น เรกเทนนาจึงได้รับการออกแบบเพื่อเพิ่มค่า PCE สูงสุดสำหรับระดับกำลังไฟฟ้าเข้าและอิมพีแดนซ์โหลดที่กำหนด เนื่องจากไดโอดเป็นตัวเก็บประจุที่มีอิมพีแดนซ์สูงที่ความถี่ต่ำกว่า 3 GHz เรกเทนนาแบบบรอดแบนด์ที่ตัดวงจรจับคู่หรือลดวงจรจับคู่แบบง่ายจึงมุ่งเน้นไปที่ความถี่ Prf>0 dBm และสูงกว่า 1 GHz เนื่องจากไดโอดมีอิมพีแดนซ์แบบตัวเก็บประจุต่ำและสามารถจับคู่กับเสาอากาศได้ดี จึงหลีกเลี่ยงการออกแบบเสาอากาศที่มีค่ารีแอกแตนซ์ขาเข้ามากกว่า 1,000 Ω
การจับคู่อิมพีแดนซ์แบบปรับได้หรือแบบกำหนดค่าใหม่ได้นั้นพบเห็นได้ในวงจรเรียงกระแส CMOS ซึ่งเครือข่ายการจับคู่ประกอบด้วยชุดตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำบนชิป นอกจากนี้ยังมีการเสนอเครือข่ายการจับคู่ CMOS แบบคงที่สำหรับเสาอากาศมาตรฐาน 50 โอห์ม รวมถึงเสาอากาศแบบลูปที่ออกแบบร่วมกัน มีรายงานว่ามีการใช้ตัวตรวจจับกำลังไฟฟ้า CMOS แบบพาสซีฟเพื่อควบคุมสวิตช์ที่ส่งเอาต์พุตของเสาอากาศไปยังวงจรเรียงกระแสและเครือข่ายการจับคู่ที่แตกต่างกันตามกำลังไฟฟ้าที่มีอยู่ มีการเสนอเครือข่ายการจับคู่แบบกำหนดค่าใหม่โดยใช้ตัวเก็บประจุแบบปรับแต่งได้แบบรวมกลุ่ม ซึ่งปรับแต่งได้โดยการปรับละเอียดขณะวัดอิมพีแดนซ์อินพุตโดยใช้เครื่องวิเคราะห์เครือข่ายเวกเตอร์ ในเครือข่ายการจับคู่ไมโครสตริปแบบกำหนดค่าใหม่ได้ สวิตช์ทรานซิสเตอร์แบบเอฟเฟกต์สนามถูกนำมาใช้เพื่อปรับสตับการจับคู่เพื่อให้ได้คุณสมบัติแบบดูอัลแบนด์
หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเสาอากาศ โปรดไปที่:
เวลาโพสต์: 09 ส.ค. 2567
