1.บทนำ
การเก็บพลังงานด้วยคลื่นความถี่วิทยุ (RF) (RFEH) และการถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายด้วยการแผ่รังสี (WPT) ได้รับความสนใจอย่างมากในฐานะวิธีการในการสร้างเครือข่ายไร้สายที่ยั่งยืนโดยไม่ต้องใช้แบตเตอรี่ เรกเทนนาถือเป็นรากฐานสำคัญของระบบ WPT และ RFEH และส่งผลอย่างมากต่อพลังงาน DC ที่ส่งไปยังโหลด องค์ประกอบของเสาอากาศของเรกเทนนาส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพในการเก็บเกี่ยว ซึ่งอาจทำให้พลังงานที่เก็บเกี่ยวได้แตกต่างกันหลายระดับ บทความนี้ทบทวนการออกแบบเสาอากาศที่ใช้ใน WPT และแอปพลิเคชัน RFEH โดยรอบ เรกเทนนาที่รายงานจะถูกจำแนกตามเกณฑ์หลักสองประการ ได้แก่ แบนด์วิดท์อิมพีแดนซ์ของเสาอากาศที่แก้ไขและลักษณะการแผ่รังสีของเสาอากาศ สำหรับเกณฑ์แต่ละข้อ จะมีการกำหนดและตรวจสอบตัวเลขคุณค่า (FoM) สำหรับการใช้งานที่แตกต่างกันโดยเปรียบเทียบกัน
เทสลาเสนอ WPT ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 เพื่อเป็นวิธีการส่งกำลังหลายพันแรงม้า คำว่าเรกเทนนาซึ่งใช้เรียกเสาอากาศที่เชื่อมต่อกับเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าเพื่อเก็บเกี่ยวพลังงาน RF เกิดขึ้นในช่วงทศวรรษปี 1950 สำหรับการใช้งานส่งกำลังไมโครเวฟในอวกาศและเพื่อส่งกำลังให้กับโดรนอัตโนมัติ WPT แบบรอบทิศทางระยะไกลถูกจำกัดด้วยคุณสมบัติทางกายภาพของตัวกลางการแพร่กระจาย (อากาศ) ดังนั้น WPT เชิงพาณิชย์จึงจำกัดอยู่เพียงการส่งกำลังแบบไม่แผ่รังสีในสนามใกล้สำหรับการชาร์จอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคแบบไร้สายหรือ RFID
เนื่องจากการใช้พลังงานของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์และโหนดเซ็นเซอร์ไร้สายลดลงอย่างต่อเนื่อง จึงเป็นไปได้มากขึ้นที่จะจ่ายไฟให้โหนดเซ็นเซอร์โดยใช้ RFEH แวดล้อมหรือใช้เครื่องส่งสัญญาณรอบทิศทางพลังงานต่ำแบบกระจาย ระบบจ่ายไฟไร้สายพลังงานต่ำพิเศษมักประกอบด้วยส่วนหน้าการรับ RF การจัดการพลังงาน DC และหน่วยความจำ และไมโครโปรเซสเซอร์และทรานซีฟเวอร์พลังงานต่ำ
รูปที่ 1 แสดงสถาปัตยกรรมของโหนดไร้สาย RFEH และการใช้งาน RF front-end ที่รายงานกันทั่วไป ประสิทธิภาพแบบครบวงจรของระบบไฟฟ้าไร้สายและสถาปัตยกรรมของเครือข่ายข้อมูลและการถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายแบบซิงโครไนซ์ขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของส่วนประกอบแต่ละชิ้น เช่น เสาอากาศ ตัวแปลงกระแสไฟฟ้า และวงจรจัดการพลังงาน มีการสำรวจเอกสารอ้างอิงหลายฉบับสำหรับส่วนต่างๆ ของระบบ ตารางที่ 1 สรุปขั้นตอนการแปลงพลังงาน ส่วนประกอบสำคัญสำหรับการแปลงพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ และการสำรวจเอกสารอ้างอิงที่เกี่ยวข้องสำหรับแต่ละส่วน เอกสารอ้างอิงล่าสุดเน้นที่เทคโนโลยีการแปลงพลังงาน โทโพโลยีตัวแปลงกระแสไฟฟ้า หรือ RFEH ที่รับรู้เครือข่าย
รูปที่ 1
อย่างไรก็ตาม การออกแบบเสาอากาศไม่ถือเป็นองค์ประกอบที่สำคัญใน RFEH แม้ว่าจะมีเอกสารบางฉบับพิจารณาแบนด์วิดท์และประสิทธิภาพของเสาอากาศจากมุมมองโดยรวมหรือจากมุมมองการออกแบบเสาอากาศเฉพาะ เช่น เสาอากาศขนาดเล็กหรือแบบสวมใส่ได้ แต่ผลกระทบของพารามิเตอร์เสาอากาศบางอย่างต่อการรับสัญญาณพลังงานและประสิทธิภาพการแปลงไม่ได้รับการวิเคราะห์อย่างละเอียด
เอกสารนี้ทบทวนเทคนิคการออกแบบเสาอากาศในเรกเทนนาโดยมีเป้าหมายเพื่อแยกแยะความท้าทายในการออกแบบเสาอากาศเฉพาะ RFEH และ WPT จากการออกแบบเสาอากาศสื่อสารมาตรฐาน เสาอากาศจะถูกเปรียบเทียบจากสองมุมมอง: การจับคู่อิมพีแดนซ์แบบ end-to-end และลักษณะการแผ่รังสี ในแต่ละกรณี FoM จะถูกระบุและตรวจสอบในเสาอากาศที่ทันสมัยที่สุด (SoA)
2. แบนด์วิดท์และการจับคู่: เครือข่าย RF ที่ไม่ใช่ 50Ω
ค่าอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของ 50Ω เป็นข้อพิจารณาเบื้องต้นในการประนีประนอมระหว่างการลดทอนและกำลังไฟฟ้าในแอปพลิเคชันวิศวกรรมไมโครเวฟ ในเสาอากาศ แบนด์วิดท์อิมพีแดนซ์ถูกกำหนดให้เป็นช่วงความถี่ที่พลังงานสะท้อนน้อยกว่า 10% (S11< − 10 dB) เนื่องจากเครื่องขยายสัญญาณรบกวนต่ำ (LNA) เครื่องขยายกำลังไฟฟ้า และเครื่องตรวจจับมักได้รับการออกแบบด้วยการจับคู่อิมพีแดนซ์อินพุต 50Ω จึงมักใช้แหล่งสัญญาณ 50Ω เป็นมาตรฐาน
ในเรกเทนนา เอาต์พุตของเสาอากาศจะถูกป้อนเข้าในเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าโดยตรง และความไม่เป็นเชิงเส้นของไดโอดทำให้ค่าอิมพีแดนซ์อินพุตแปรผันอย่างมาก โดยที่ส่วนประกอบแบบเก็บประจุจะมีบทบาทสำคัญ หากใช้เสาอากาศขนาด 50Ω ความท้าทายหลักคือการออกแบบเครือข่ายจับคู่ RF เพิ่มเติมเพื่อแปลงค่าอิมพีแดนซ์อินพุตให้เป็นค่าอิมพีแดนซ์ของเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าที่ความถี่ที่สนใจ และปรับให้เหมาะสมสำหรับระดับพลังงานที่เฉพาะเจาะจง ในกรณีนี้ จำเป็นต้องมีแบนด์วิดท์อิมพีแดนซ์แบบครบวงจรเพื่อให้แน่ใจว่าการแปลง RF เป็น DC มีประสิทธิภาพ ดังนั้น แม้ว่าเสาอากาศจะบรรลุแบนด์วิดท์ที่ไม่จำกัดในทางทฤษฎีหรือกว้างเป็นพิเศษโดยใช้องค์ประกอบเป็นระยะหรือรูปทรงเรขาคณิตที่เสริมซึ่งกันและกัน แต่แบนด์วิดท์ของเรกเทนนาจะถูกจำกัดโดยเครือข่ายจับคู่ของเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า
มีการเสนอโครงร่างเรกเทนนาหลายแบบเพื่อให้ได้การเก็บเกี่ยวแบบแบนด์เดียวและหลายแบนด์หรือ WPT โดยลดการสะท้อนให้เหลือน้อยที่สุดและเพิ่มการถ่ายโอนพลังงานระหว่างเสาอากาศและเครื่องแปลงสัญญาณให้สูงสุด รูปที่ 2 แสดงโครงสร้างของโครงร่างเรกเทนนาที่รายงาน โดยแบ่งประเภทตามสถาปัตยกรรมการจับคู่ค่าอิมพีแดนซ์ ตารางที่ 2 แสดงตัวอย่างของเรกเทนนาประสิทธิภาพสูงเมื่อเทียบกับแบนด์วิดท์แบบเอนด์ทูเอนด์ (ในกรณีนี้คือ FoM) สำหรับแต่ละประเภท
รูปที่ 2 โทโพโลยี Rectenna จากมุมมองของการจับคู่แบนด์วิดท์และอิมพีแดนซ์ (a) เรกเทนนาแบนด์เดียวพร้อมเสาอากาศมาตรฐาน (b) เรกเทนนาหลายแบนด์ (ประกอบด้วยเสาอากาศที่เชื่อมต่อกันหลายเสา) พร้อมเครื่องแปลงสัญญาณหนึ่งเครื่องและเครือข่ายจับคู่ต่อแบนด์ (c) เรกเทนนาแบบบรอดแบนด์พร้อมพอร์ต RF หลายพอร์ตและเครือข่ายจับคู่แยกกันสำหรับแต่ละแบนด์ (d) เรกเทนนาแบบบรอดแบนด์พร้อมเสาอากาศบรอดแบนด์และเครือข่ายจับคู่บรอดแบนด์ (e) เรกเทนนาแบนด์เดียวที่ใช้เสาอากาศขนาดเล็กที่จับคู่กับเครื่องแปลงสัญญาณโดยตรง (f) เสาอากาศขนาดใหญ่แบบแบนด์เดียวที่มีอิมพีแดนซ์ที่ซับซ้อนเพื่อจับคู่กับเครื่องแปลงสัญญาณ (g) เรกเทนนาแบบบรอดแบนด์ที่มีอิมพีแดนซ์ที่ซับซ้อนเพื่อจับคู่กับเครื่องแปลงสัญญาณในช่วงความถี่ต่างๆ
ในขณะที่ WPT และ RFEH แวดล้อมจากฟีดเฉพาะเป็นแอปพลิเคชันเรกเทนนาที่แตกต่างกัน การบรรลุการจับคู่แบบ end-to-end ระหว่างเสาอากาศ เรกเทนนา และโหลดถือเป็นพื้นฐานในการบรรลุประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน (PCE) สูงจากมุมมองของแบนด์วิดท์ อย่างไรก็ตาม เรกเทนนา WPT มุ่งเน้นที่การบรรลุการจับคู่ปัจจัยคุณภาพสูงขึ้น (S11 ต่ำกว่า) เพื่อปรับปรุง PCE แบนด์วิดท์เดียวที่ระดับพลังงานบางระดับ (โทโพโลยี a, e และ f) แบนด์วิดท์กว้างของ WPT แบนด์วิดท์เดียวช่วยเพิ่มภูมิคุ้มกันของระบบต่อการปรับจูน ข้อบกพร่องในการผลิต และปรสิตในบรรจุภัณฑ์ ในทางกลับกัน เรกเทนนา RFEH ให้ความสำคัญกับการทำงานหลายแบนด์และอยู่ในโทโพโลยี bd และ g เนื่องจากความหนาแน่นสเปกตรัมพลังงาน (PSD) ของแบนด์เดียวโดยทั่วไปจะต่ำกว่า
3. การออกแบบเสาอากาศแบบสี่เหลี่ยมผืนผ้า
1. เรกเทนนาความถี่เดียว
การออกแบบเสาอากาศของเรกเทนนาความถี่เดียว (โทโพโลยี A) ส่วนใหญ่จะขึ้นอยู่กับการออกแบบเสาอากาศมาตรฐาน เช่น แพทช์แผ่คลื่นโพลาไรเซชันเชิงเส้น (LP) หรือโพลาไรเซชันวงกลม (CP) บนระนาบกราวด์ เสาอากาศไดโพล และเสาอากาศ F คว่ำ เรกเทนนาแบนด์ดิฟเฟอเรนเชียลนั้นขึ้นอยู่กับอาร์เรย์รวม DC ที่กำหนดค่าด้วยหน่วยเสาอากาศหลายหน่วยหรือการผสมผสาน DC และ RF ของหน่วยแพทช์หลายหน่วย
เนื่องจากเสาอากาศที่เสนอมาหลายตัวเป็นเสาอากาศความถี่เดียวและตรงตามข้อกำหนดของ WPT ความถี่เดียว เมื่อค้นหา RFEH หลายความถี่ด้านสิ่งแวดล้อม เสาอากาศความถี่เดียวหลายตัวจะรวมกันเป็นเรกเทนนาหลายแบนด์ (โทโพโลยี B) พร้อมการระงับการเชื่อมโยงซึ่งกันและกันและการรวม DC อิสระหลังจากวงจรจัดการพลังงานเพื่อแยกออกจากวงจรการรับและแปลง RF อย่างสมบูรณ์ ซึ่งต้องใช้วงจรจัดการพลังงานหลายวงจรสำหรับแต่ละแบนด์ ซึ่งอาจลดประสิทธิภาพของตัวแปลงบูสต์เนื่องจากพลังงาน DC ของแบนด์เดียวต่ำ
2. เสาอากาศ RFEH แบบมัลติแบนด์และบรอดแบนด์
RFEH ด้านสิ่งแวดล้อมมักเกี่ยวข้องกับการรับข้อมูลหลายแบนด์ ดังนั้น จึงมีการเสนอเทคนิคต่างๆ มากมายเพื่อปรับปรุงแบนด์วิดท์ของการออกแบบเสาอากาศมาตรฐานและวิธีการในการสร้างอาร์เรย์เสาอากาศแบบสองแบนด์หรือแบนด์ ในส่วนนี้ เราจะทบทวนการออกแบบเสาอากาศแบบกำหนดเองสำหรับ RFEH รวมถึงเสาอากาศหลายแบนด์แบบคลาสสิกที่มีศักยภาพในการใช้เป็นเรกเทนนา
เสาอากาศแบบโมโนโพล Coplanar waveguide (CPW) ครอบครองพื้นที่น้อยกว่าเสาอากาศแบบแพทช์ไมโครสตริปที่ความถี่เดียวกันและสร้างคลื่น LP หรือ CP และมักใช้สำหรับเรกเทนนาสิ่งแวดล้อมแบบแบนด์วิดท์กว้าง ระนาบสะท้อนจะใช้เพื่อเพิ่มการแยกสัญญาณและปรับปรุงเกน ส่งผลให้รูปแบบการแผ่รังสีคล้ายกับเสาอากาศแบบแพทช์ เสาอากาศแบบ Coplanar waveguide ที่มีช่องจะใช้เพื่อปรับปรุงแบนด์วิดท์อิมพีแดนซ์สำหรับแบนด์วิดท์หลายแบนด์ เช่น 1.8–2.7 GHz หรือ 1–3 GHz เสาอากาศแบบ Coupled-fed slotd และเสาอากาศแบบแพทช์ยังใช้กันทั่วไปในการออกแบบเรกเทนนาแบบมัลติแบนด์ รูปที่ 3 แสดงเสาอากาศมัลติแบนด์บางส่วนที่รายงานซึ่งใช้เทคนิคการปรับปรุงแบนด์วิดท์มากกว่าหนึ่งวิธี
รูปที่ 3
การจับคู่อิมพีแดนซ์ของเสาอากาศ-เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า
การจับคู่เสาอากาศ 50Ω กับเครื่องแปลงสัญญาณแบบไม่เชิงเส้นเป็นเรื่องท้าทายเนื่องจากค่าอิมพีแดนซ์อินพุตจะแตกต่างกันอย่างมากตามความถี่ ในโทโพโลยี A และ B (รูปที่ 2) เครือข่ายการจับคู่ทั่วไปคือการจับคู่ LC โดยใช้องค์ประกอบแบบรวม อย่างไรก็ตาม แบนด์วิดท์สัมพันธ์กันมักจะต่ำกว่าแบนด์การสื่อสารส่วนใหญ่ การจับคู่สตับแบนด์เดียวมักใช้ในแบนด์ไมโครเวฟและแบนด์คลื่นมิลลิเมตรที่ต่ำกว่า 6 GHz และเรกเทนนาคลื่นมิลลิเมตรที่รายงานมีแบนด์วิดท์แคบโดยเนื้อแท้เนื่องจากแบนด์วิดท์ PCE ถูกจำกัดโดยการปราบปรามฮาร์มอนิกเอาต์พุต ซึ่งทำให้เหมาะเป็นพิเศษสำหรับแอปพลิเคชัน WPT แบนด์เดียวในแบนด์ที่ไม่มีใบอนุญาต 24 GHz
เครือข่ายเรกเทนนาในโทโพโลยี C และ D มีเครือข่ายการจับคู่ที่ซับซ้อนกว่า เครือข่ายการจับคู่แบบกระจายสายอย่างสมบูรณ์ได้รับการเสนอสำหรับการจับคู่แบนด์วิดท์กว้าง โดยมีบล็อก RF/วงจรลัดวงจร DC (ตัวกรองแบบพาส) ที่พอร์ตเอาต์พุตหรือตัวเก็บประจุบล็อก DC เป็นเส้นทางกลับสำหรับฮาร์มอนิกไดโอด ส่วนประกอบของวงจรเรียงกระแสสามารถแทนที่ได้ด้วยตัวเก็บประจุแบบสลับวงจรพิมพ์ (PCB) ซึ่งสังเคราะห์โดยใช้เครื่องมืออัตโนมัติสำหรับการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์เชิงพาณิชย์ เครือข่ายการจับคู่เรกเทนนาแบนด์วิดท์กว้างอื่นๆ ที่มีการรายงานจะรวมองค์ประกอบแบบรวมสำหรับการจับคู่กับความถี่ต่ำและองค์ประกอบแบบกระจายเพื่อสร้างไฟฟ้าลัดวงจร RF ที่อินพุต
การเปลี่ยนแปลงค่าอิมพีแดนซ์อินพุตที่สังเกตได้จากโหลดผ่านแหล่ง (เรียกว่าเทคนิค source-pull) ถูกนำมาใช้ในการออกแบบวงจรเรียงกระแสบรอดแบนด์ที่มีแบนด์วิดท์สัมพันธ์ 57% (1.25–2.25 GHz) และ PCE สูงกว่า 10% เมื่อเทียบกับวงจรรวมหรือวงจรกระจาย แม้ว่าเครือข่ายที่จับคู่กันโดยทั่วไปจะออกแบบมาเพื่อจับคู่เสาอากาศตลอดแบนด์วิดท์ 50Ω ทั้งหมด แต่ก็มีรายงานในเอกสารที่ระบุว่าเสาอากาศบรอดแบนด์เชื่อมต่อกับวงจรเรียงกระแสแบนด์แคบ
เครือข่ายการจับคู่องค์ประกอบแบบผสมและแบบกระจายได้รับการใช้กันอย่างแพร่หลายในโทโพโลยี C และ D โดยตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุแบบอนุกรมเป็นองค์ประกอบแบบผสมที่ใช้กันทั่วไปที่สุด สิ่งเหล่านี้หลีกเลี่ยงโครงสร้างที่ซับซ้อน เช่น ตัวเก็บประจุแบบสลับกัน ซึ่งต้องมีการสร้างแบบจำลองและการผลิตที่แม่นยำกว่าสายไมโครสตริปมาตรฐาน
กำลังไฟฟ้าที่ป้อนเข้าสู่วงจรเรียงกระแสจะส่งผลต่อค่าอิมพีแดนซ์อินพุตเนื่องจากความไม่เชิงเส้นของไดโอด ดังนั้น วงจรเรียงกระแสจึงได้รับการออกแบบมาเพื่อเพิ่มค่า PCE สูงสุดสำหรับระดับกำลังไฟฟ้าอินพุตและอิมพีแดนซ์โหลดที่เฉพาะเจาะจง เนื่องจากไดโอดเป็นวงจรเรียงกระแสแบบคาปาซิทีฟที่มีค่าอิมพีแดนซ์สูงเป็นหลักที่ความถี่ต่ำกว่า 3 GHz วงจรเรียงกระแสแบบบรอดแบนด์ที่ขจัดเครือข่ายการจับคู่หรือลดวงจรการจับคู่แบบง่ายจึงมุ่งเน้นไปที่ความถี่ Prf>0 dBm และสูงกว่า 1 GHz เนื่องจากไดโอดมีค่าอิมพีแดนซ์คาปาซิทีฟต่ำและสามารถจับคู่กับเสาอากาศได้ดี จึงหลีกเลี่ยงการออกแบบเสาอากาศที่มีค่ารีแอกแตนซ์อินพุต >1,000Ω
การจับคู่ค่าอิมพีแดนซ์แบบปรับได้หรือแบบกำหนดค่าใหม่ได้นั้นพบเห็นได้ในเรกเทนนา CMOS ซึ่งเครือข่ายการจับคู่ประกอบด้วยธนาคารตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำบนชิป เครือข่ายการจับคู่ CMOS แบบคงที่ยังได้รับการเสนอสำหรับเสาอากาศมาตรฐาน 50Ω เช่นเดียวกับเสาอากาศแบบลูปที่ออกแบบร่วมกัน มีรายงานว่าเครื่องตรวจจับพลังงาน CMOS แบบพาสซีฟถูกใช้เพื่อควบคุมสวิตช์ที่ส่งเอาต์พุตของเสาอากาศไปยังเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าและเครือข่ายการจับคู่ที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับพลังงานที่มีอยู่ มีการเสนอเครือข่ายการจับคู่แบบกำหนดค่าใหม่โดยใช้ตัวเก็บประจุแบบปรับได้แบบรวมกลุ่ม ซึ่งปรับแต่งได้โดยการปรับแต่งอย่างละเอียดในขณะที่วัดค่าอิมพีแดนซ์อินพุตโดยใช้เครื่องวิเคราะห์เครือข่ายเวกเตอร์ ในเครือข่ายการจับคู่ไมโครสตริปแบบกำหนดค่าใหม่ สวิตช์ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามถูกนำมาใช้เพื่อปรับสตับการจับคู่เพื่อให้ได้ลักษณะแบนด์คู่
หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเสาอากาศ โปรดไปที่:
เวลาโพสต์ : 09-08-2024
