1. Pendahuluan
Pemanfaatan energi frekuensi radio (RF) (RFEH) dan transfer daya nirkabel radiatif (WPT) telah menarik minat besar sebagai metode untuk mencapai jaringan nirkabel berkelanjutan tanpa baterai. Rectenna merupakan landasan sistem WPT dan RFEH dan memiliki dampak signifikan pada daya DC yang disalurkan ke beban. Elemen antena rectenna secara langsung memengaruhi efisiensi pemanenan, yang dapat memvariasikan daya yang dipanen hingga beberapa orde besarnya. Makalah ini meninjau desain antena yang digunakan dalam aplikasi WPT dan RFEH ambien. Rectenna yang dilaporkan diklasifikasikan menurut dua kriteria utama: bandwidth impedansi penyearah antena dan karakteristik radiasi antena. Untuk setiap kriteria, angka kualitas (FoM) untuk berbagai aplikasi ditentukan dan ditinjau secara komparatif.
WPT (Wireless Power Transfer) diusulkan oleh Tesla pada awal abad ke-20 sebagai metode untuk mentransmisikan ribuan tenaga kuda. Istilah rectenna, yang menggambarkan antena yang terhubung ke penyearah untuk memanen daya RF, muncul pada tahun 1950-an untuk aplikasi transmisi daya gelombang mikro di ruang angkasa dan untuk memberi daya pada drone otonom. WPT omnidirectional jarak jauh dibatasi oleh sifat fisik medium perambatan (udara). Oleh karena itu, WPT komersial sebagian besar terbatas pada transfer daya non-radiatif jarak dekat untuk pengisian daya elektronik konsumen nirkabel atau RFID.
Seiring dengan terus menurunnya konsumsi daya perangkat semikonduktor dan node sensor nirkabel, semakin memungkinkan untuk memberi daya pada node sensor menggunakan RFEH ambien atau menggunakan pemancar omnidirectional berdaya rendah yang terdistribusi. Sistem daya nirkabel ultra-rendah biasanya terdiri dari front end akuisisi RF, manajemen daya dan memori DC, serta mikroprosesor dan transceiver berdaya rendah.
Gambar 1 menunjukkan arsitektur node nirkabel RFEH dan implementasi front-end RF yang umum dilaporkan. Efisiensi ujung-ke-ujung sistem daya nirkabel dan arsitektur jaringan transfer informasi dan daya nirkabel yang tersinkronisasi bergantung pada kinerja komponen individual, seperti antena, penyearah, dan sirkuit manajemen daya. Beberapa survei literatur telah dilakukan untuk berbagai bagian sistem. Tabel 1 merangkum tahap konversi daya, komponen kunci untuk konversi daya yang efisien, dan survei literatur terkait untuk setiap bagian. Literatur terbaru berfokus pada teknologi konversi daya, topologi penyearah, atau RFEH yang sadar jaringan.
Gambar 1
Namun, desain antena tidak dianggap sebagai komponen penting dalam RFEH. Meskipun beberapa literatur mempertimbangkan bandwidth dan efisiensi antena dari perspektif keseluruhan atau dari perspektif desain antena tertentu, seperti antena mini atau antena yang dapat dikenakan, dampak parameter antena tertentu pada penerimaan daya dan efisiensi konversi tidak dianalisis secara detail.
Makalah ini mengulas teknik desain antena pada rectenna dengan tujuan membedakan tantangan desain antena spesifik RFEH dan WPT dari desain antena komunikasi standar. Antena dibandingkan dari dua perspektif: pencocokan impedansi ujung-ke-ujung dan karakteristik radiasi; dalam setiap kasus, FoM diidentifikasi dan diulas pada antena canggih (state-of-the-art/SoA).
2. Bandwidth dan Pencocokan: Jaringan RF Non-50Ω
Impedansi karakteristik 50Ω merupakan pertimbangan awal dalam kompromi antara atenuasi dan daya dalam aplikasi teknik gelombang mikro. Pada antena, bandwidth impedansi didefinisikan sebagai rentang frekuensi di mana daya pantulan kurang dari 10% (S11 < − 10 dB). Karena penguat noise rendah (LNA), penguat daya, dan detektor biasanya dirancang dengan pencocokan impedansi input 50Ω, maka sumber 50Ω secara tradisional digunakan sebagai referensi.
Pada rectenna, output antena langsung dialirkan ke penyearah, dan nonlinieritas dioda menyebabkan variasi besar pada impedansi input, dengan komponen kapasitif yang mendominasi. Dengan asumsi antena 50Ω, tantangan utamanya adalah merancang jaringan pencocokan RF tambahan untuk mengubah impedansi input menjadi impedansi penyearah pada frekuensi yang diinginkan dan mengoptimalkannya untuk tingkat daya tertentu. Dalam hal ini, bandwidth impedansi ujung-ke-ujung diperlukan untuk memastikan konversi RF ke DC yang efisien. Oleh karena itu, meskipun antena secara teoritis dapat mencapai bandwidth tak terbatas atau ultra-lebar menggunakan elemen periodik atau geometri komplementer sendiri, bandwidth rectenna akan terhambat oleh jaringan pencocokan penyearah.
Beberapa topologi rectenna telah diusulkan untuk mencapai pemanenan pita tunggal dan multi-pita atau WPT dengan meminimalkan refleksi dan memaksimalkan transfer daya antara antena dan penyearah. Gambar 2 menunjukkan struktur topologi rectenna yang dilaporkan, dikategorikan berdasarkan arsitektur pencocokan impedansinya. Tabel 2 menunjukkan contoh rectenna berkinerja tinggi sehubungan dengan bandwidth ujung-ke-ujung (dalam hal ini, FoM) untuk setiap kategori.
Gambar 2 Topologi Rectenna dari perspektif bandwidth dan pencocokan impedansi. (a) Rectenna pita tunggal dengan antena standar. (b) Rectenna multiband (terdiri dari beberapa antena yang saling terhubung) dengan satu penyearah dan jaringan pencocokan per pita. (c) Rectenna pita lebar dengan beberapa port RF dan jaringan pencocokan terpisah untuk setiap pita. (d) Rectenna pita lebar dengan antena pita lebar dan jaringan pencocokan pita lebar. (e) Rectenna pita tunggal menggunakan antena berukuran kecil secara elektrik yang langsung dicocokkan dengan penyearah. (f) Rectenna pita tunggal, antena berukuran besar secara elektrik dengan impedansi kompleks untuk dikonjugasikan dengan penyearah. (g) Rectenna pita lebar dengan impedansi kompleks untuk dikonjugasikan dengan penyearah pada rentang frekuensi.
Meskipun WPT dan RFEH ambien dari umpan khusus merupakan aplikasi rectenna yang berbeda, mencapai pencocokan ujung-ke-ujung antara antena, penyearah, dan beban sangat penting untuk mencapai efisiensi konversi daya (PCE) yang tinggi dari perspektif bandwidth. Namun demikian, rectenna WPT lebih berfokus pada pencapaian pencocokan faktor kualitas yang lebih tinggi (S11 lebih rendah) untuk meningkatkan PCE pita tunggal pada tingkat daya tertentu (topologi a, e, dan f). Bandwidth lebar dari WPT pita tunggal meningkatkan kekebalan sistem terhadap detuning, cacat manufaktur, dan parasit kemasan. Di sisi lain, rectenna RFEH memprioritaskan operasi multi-band dan termasuk dalam topologi bd dan g, karena kerapatan spektral daya (PSD) dari pita tunggal umumnya lebih rendah.
3. Desain antena persegi panjang
1. Rectenna frekuensi tunggal
Desain antena rectenna frekuensi tunggal (topologi A) terutama didasarkan pada desain antena standar, seperti patch pemancar polarisasi linier (LP) atau polarisasi melingkar (CP) pada bidang tanah, antena dipol, dan antena F terbalik. Rectenna pita diferensial didasarkan pada susunan kombinasi DC yang dikonfigurasi dengan beberapa unit antena atau kombinasi campuran DC dan RF dari beberapa unit patch.
Karena banyak antena yang diusulkan adalah antena frekuensi tunggal dan memenuhi persyaratan WPT frekuensi tunggal, ketika mencari RFEH multi-frekuensi lingkungan, beberapa antena frekuensi tunggal digabungkan menjadi rectenna multi-band (topologi B) dengan penekanan kopling timbal balik dan kombinasi DC independen setelah rangkaian manajemen daya untuk mengisolasi sepenuhnya dari rangkaian akuisisi dan konversi RF. Hal ini membutuhkan beberapa rangkaian manajemen daya untuk setiap band, yang dapat mengurangi efisiensi konverter boost karena daya DC dari satu band rendah.
2. Antena RFEH multi-band dan broadband
Radiofer elektronik lingkungan (RFEH) sering dikaitkan dengan akuisisi multi-band; oleh karena itu, berbagai teknik telah diusulkan untuk meningkatkan bandwidth desain antena standar dan metode untuk membentuk susunan antena dual-band atau band. Pada bagian ini, kami meninjau desain antena khusus untuk RFEH, serta antena multi-band klasik yang berpotensi digunakan sebagai rectenna.
Antena monopole pandu gelombang koplanar (CPW) menempati area yang lebih kecil daripada antena patch mikrostrip pada frekuensi yang sama dan menghasilkan gelombang LP atau CP, dan sering digunakan untuk rectenna lingkungan pita lebar. Bidang refleksi digunakan untuk meningkatkan isolasi dan meningkatkan gain, menghasilkan pola radiasi yang mirip dengan antena patch. Antena pandu gelombang koplanar berlubang digunakan untuk meningkatkan bandwidth impedansi untuk beberapa pita frekuensi, seperti 1,8–2,7 GHz atau 1–3 GHz. Antena slot yang diberi daya secara kopling dan antena patch juga umum digunakan dalam desain rectenna multi-band. Gambar 3 menunjukkan beberapa antena multi-band yang dilaporkan yang memanfaatkan lebih dari satu teknik peningkatan bandwidth.
Gambar 3
Pencocokan Impedansi Antena-Penyearah
Mencocokkan antena 50Ω dengan penyearah nonlinier merupakan tantangan karena impedansi inputnya sangat bervariasi dengan frekuensi. Pada topologi A dan B (Gambar 2), jaringan pencocokan umum adalah pencocokan LC menggunakan elemen terpusat; namun, bandwidth relatifnya biasanya lebih rendah daripada sebagian besar pita komunikasi. Pencocokan stub pita tunggal umumnya digunakan pada pita gelombang mikro dan gelombang milimeter di bawah 6 GHz, dan rectenna gelombang milimeter yang dilaporkan memiliki bandwidth yang sempit karena bandwidth PCE-nya terhambat oleh penekanan harmonik output, yang membuatnya sangat cocok untuk aplikasi WPT pita tunggal pada pita tanpa lisensi 24 GHz.
Rectenna pada topologi C dan D memiliki jaringan pencocokan yang lebih kompleks. Jaringan pencocokan saluran terdistribusi penuh telah diusulkan untuk pencocokan pita lebar, dengan blok RF/hubung singkat DC (filter lolos) pada port keluaran atau kapasitor pemblokir DC sebagai jalur balik untuk harmonik dioda. Komponen penyearah dapat diganti dengan kapasitor interdigitated papan sirkuit tercetak (PCB), yang disintesis menggunakan perangkat lunak otomatisasi desain elektronik komersial. Jaringan pencocokan rectenna pita lebar lainnya yang dilaporkan menggabungkan elemen terpusat untuk pencocokan ke frekuensi yang lebih rendah dan elemen terdistribusi untuk menciptakan hubung singkat RF pada input.
Dengan memvariasikan impedansi input yang diamati oleh beban melalui sumber (dikenal sebagai teknik source-pull), telah digunakan untuk mendesain penyearah pita lebar dengan bandwidth relatif 57% (1,25–2,25 GHz) dan efisiensi konversi daya (PCE) 10% lebih tinggi dibandingkan dengan rangkaian terpusat atau terdistribusi. Meskipun jaringan pencocokan biasanya dirancang untuk mencocokkan antena di seluruh bandwidth 50Ω, terdapat laporan dalam literatur di mana antena pita lebar telah dihubungkan ke penyearah pita sempit.
Jaringan pencocokan elemen terpusat dan elemen terdistribusi hibrida telah banyak digunakan dalam topologi C dan D, dengan induktor dan kapasitor seri sebagai elemen terpusat yang paling umum digunakan. Hal ini menghindari struktur kompleks seperti kapasitor interdigitated, yang membutuhkan pemodelan dan fabrikasi yang lebih akurat daripada saluran mikrostrip standar.
Daya masukan ke penyearah memengaruhi impedansi masukan karena nonlinieritas dioda. Oleh karena itu, rectenna dirancang untuk memaksimalkan PCE (Pulse Change Efficiency) untuk tingkat daya masukan dan impedansi beban tertentu. Karena dioda pada dasarnya memiliki impedansi kapasitif tinggi pada frekuensi di bawah 3 GHz, rectenna pita lebar yang menghilangkan jaringan pencocokan atau meminimalkan rangkaian pencocokan yang disederhanakan telah difokuskan pada frekuensi Prf>0 dBm dan di atas 1 GHz, karena dioda memiliki impedansi kapasitif rendah dan dapat dicocokkan dengan baik ke antena, sehingga menghindari desain antena dengan reaktansi masukan >1.000Ω.
Pencocokan impedansi adaptif atau yang dapat dikonfigurasi ulang telah terlihat pada rectenna CMOS, di mana jaringan pencocokan terdiri dari bank kapasitor dan induktor on-chip. Jaringan pencocokan CMOS statis juga telah diusulkan untuk antena 50Ω standar serta antena loop yang dirancang bersama. Telah dilaporkan bahwa detektor daya CMOS pasif digunakan untuk mengontrol sakelar yang mengarahkan keluaran antena ke penyearah dan jaringan pencocokan yang berbeda tergantung pada daya yang tersedia. Jaringan pencocokan yang dapat dikonfigurasi ulang menggunakan kapasitor tunabel terpusat telah diusulkan, yang disetel dengan penyetelan halus sambil mengukur impedansi masukan menggunakan penganalisis jaringan vektor. Dalam jaringan pencocokan mikrostrip yang dapat dikonfigurasi ulang, sakelar transistor efek medan telah digunakan untuk menyesuaikan stub pencocokan untuk mencapai karakteristik pita ganda.
Untuk mempelajari lebih lanjut tentang antena, silakan kunjungi:
Waktu posting: 09-Agustus-2024
