1.Pendahuluan
Pemanenan 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 fondasi sistem WPT dan RFEH dan memiliki dampak signifikan terhadap daya DC yang disalurkan ke beban. Elemen antena rectenna secara langsung memengaruhi efisiensi pemanenan, yang dapat memvariasikan daya yang dipanen hingga beberapa kali lipat. Makalah ini mengulas desain antena yang digunakan dalam aplikasi WPT dan RFEH ambien. Rectenna yang dilaporkan diklasifikasikan berdasarkan dua kriteria utama: lebar pita impedansi penyearah antena dan karakteristik radiasi antena. Untuk setiap kriteria, angka keunggulan (FoM) untuk berbagai aplikasi ditentukan dan ditinjau secara komparatif.
WPT 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 ruang angkasa dan untuk memberi daya pada drone otonom. WPT omnidirectional dan jarak jauh dibatasi oleh sifat fisik media propagasi (udara). Oleh karena itu, WPT komersial terutama terbatas pada transfer daya non-radiatif medan 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 berdaya sangat rendah biasanya terdiri dari antarmuka 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 informasi dan transfer daya nirkabel yang tersinkronisasi bergantung pada kinerja masing-masing komponen, seperti antena, penyearah, dan sirkuit manajemen daya. Beberapa survei literatur telah dilakukan untuk berbagai bagian sistem. Tabel 1 merangkum tahap konversi daya, komponen-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 peka terhadap 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 miniatur atau antena yang dapat dikenakan (wearable), dampak parameter antena tertentu terhadap penerimaan daya dan efisiensi konversi tidak dianalisis secara detail.
Makalah ini mengulas teknik desain antena pada rectenna dengan tujuan membedakan tantangan desain antena khusus 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 ditinjau pada antena mutakhir (SoA).
2. Bandwidth dan Pencocokan: Jaringan RF Non-50Ω
Impedansi karakteristik 50Ω merupakan pertimbangan awal untuk kompromi antara redaman dan daya dalam aplikasi rekayasa gelombang mikro. Dalam antena, lebar pita impedansi didefinisikan sebagai rentang frekuensi di mana daya pantul kurang dari 10% (S11< − 10 dB). Karena penguat derau rendah (LNA), penguat daya, dan detektor biasanya dirancang dengan pencocokan impedansi masukan 50Ω, sumber 50Ω biasanya dijadikan referensi.
Pada rectenna, keluaran antena langsung diumpankan ke penyearah, dan nonlinieritas dioda menyebabkan variasi impedansi masukan yang besar, dengan komponen kapasitif mendominasi. Dengan asumsi antena 50Ω, tantangan utamanya adalah merancang jaringan pencocokan RF tambahan untuk mengubah impedansi masukan 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 dapat mencapai bandwidth tak terbatas atau ultra-lebar secara teoritis 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 pantulan 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 terkait bandwidth ujung ke ujung (dalam hal ini, FoM) untuk setiap kategori.
Gambar 2 Topologi Rectenna dari perspektif pencocokan bandwidth dan 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 porta 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 kecil yang secara elektrik dicocokkan langsung dengan penyearah. (f) Antena pita tunggal yang secara elektrik besar 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 yang lebih rendah) untuk meningkatkan PCE pita tunggal pada tingkat daya tertentu (topologi a, e, dan f). Bandwidth lebar WPT pita tunggal meningkatkan kekebalan sistem terhadap detuning, cacat produksi, dan parasit pengemasan. Di sisi lain, rectenna RFEH memprioritaskan operasi multi-pita dan termasuk dalam topologi bd dan g, karena kerapatan spektral daya (PSD) 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 radiasi 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 DC dan RF campuran dari beberapa unit patch.
Karena banyak antena yang diusulkan merupakan antena frekuensi tunggal dan memenuhi persyaratan WPT frekuensi tunggal, ketika menginginkan RFEH multi-frekuensi lingkungan, beberapa antena frekuensi tunggal digabungkan menjadi rectena multi-pita (topologi B) dengan penekanan kopling bersama dan kombinasi DC independen setelah rangkaian manajemen daya untuk mengisolasi antena tersebut sepenuhnya dari rangkaian akuisisi dan konversi RF. Hal ini memerlukan beberapa rangkaian manajemen daya untuk setiap pita, yang dapat mengurangi efisiensi konverter penguat karena daya DC pada satu pita rendah.
2. Antena RFEH multi-band dan broadband
RFEH lingkungan 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. Di bagian ini, kami meninjau desain antena khusus untuk RFEH, serta antena multi-band klasik yang berpotensi digunakan sebagai rectena.
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, serta sering digunakan untuk rectenna lingkungan pita lebar. Bidang refleksi digunakan untuk meningkatkan isolasi dan penguatan, sehingga menghasilkan pola radiasi yang serupa dengan antena patch. Antena pandu gelombang koplanar beralur digunakan untuk meningkatkan lebar pita impedansi untuk beberapa pita frekuensi, seperti 1,8–2,7 GHz atau 1–3 GHz. Antena slot dengan umpan kopling dan antena patch juga umum digunakan dalam desain rectenna multi-pita. Gambar 3 menunjukkan beberapa antena multi-pita yang dilaporkan menggunakan lebih dari satu teknik peningkatan lebar pita.
Gambar 3
Pencocokan Impedansi Antena-Penyearah
Pencocokan antena 50Ω dengan penyearah nonlinier cukup menantang karena impedansi masukannya sangat bervariasi terhadap frekuensi. Pada topologi A dan B (Gambar 2), jaringan pencocokan yang umum adalah pencocokan LC menggunakan elemen lumped; namun, bandwidth relatifnya biasanya lebih rendah daripada kebanyakan pita komunikasi. Pencocokan stub pita tunggal umumnya digunakan pada pita gelombang mikro dan gelombang milimeter di bawah 6 GHz, dan penyearah gelombang milimeter yang dilaporkan memiliki bandwidth yang secara inheren sempit karena bandwidth PCE-nya terhambat oleh penekanan harmonik keluaran, yang membuatnya sangat cocok untuk aplikasi WPT pita tunggal pada pita 24 GHz tanpa lisensi.
Rectena 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 pemblokiran DC sebagai jalur balik untuk harmonisa dioda. Komponen penyearah dapat digantikan oleh kapasitor interdigitasi papan sirkuit cetak (PCB), yang disintesis menggunakan perangkat otomasi desain elektronik komersial. Jaringan pencocokan rectenna pita lebar lain yang dilaporkan menggabungkan elemen-elemen tergabung untuk pencocokan ke frekuensi yang lebih rendah dan elemen-elemen terdistribusi untuk menciptakan hubungan singkat RF pada masukan.
Memvariasikan impedansi masukan yang diamati oleh beban melalui suatu sumber (dikenal sebagai teknik tarik-sumber) telah digunakan untuk merancang penyearah pita lebar dengan lebar pita relatif 57% (1,25–2,25 GHz) dan PCE 10% lebih tinggi dibandingkan dengan rangkaian tergabung atau terdistribusi. Meskipun jaringan pencocokan biasanya dirancang untuk mencocokkan antena di seluruh lebar pita 50Ω, terdapat laporan dalam literatur yang menghubungkan antena pita lebar ke penyearah pita sempit.
Jaringan pencocokan elemen tergabung dan elemen terdistribusi hibrida telah banyak digunakan dalam topologi C dan D, dengan induktor dan kapasitor seri menjadi elemen tergabung yang paling umum digunakan. Hal ini menghindari struktur kompleks seperti kapasitor interdigitasi, yang membutuhkan pemodelan dan fabrikasi yang lebih akurat dibandingkan saluran mikrostrip standar.
Daya masukan ke penyearah memengaruhi impedansi masukan karena nonlinieritas dioda. Oleh karena itu, rectenna dirancang untuk memaksimalkan PCE untuk level daya masukan dan impedansi beban tertentu. Karena dioda pada dasarnya bersifat kapasitif dengan impedansi 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 dengan antena, sehingga menghindari desain antena dengan reaktansi masukan >1.000Ω.
Pencocokan impedansi adaptif atau yang dapat dikonfigurasi ulang telah ditemukan pada rectena CMOS, di mana jaringan pencocokan terdiri dari bank kapasitor dan induktor pada chip. Jaringan pencocokan CMOS statis juga telah diusulkan untuk antena standar 50Ω serta antena loop yang dirancang bersama. Telah dilaporkan bahwa detektor daya CMOS pasif digunakan untuk mengendalikan sakelar yang mengarahkan keluaran antena ke berbagai penyearah dan jaringan pencocokan, tergantung pada daya yang tersedia. Jaringan pencocokan yang dapat dikonfigurasi ulang menggunakan kapasitor yang dapat disetel secara lumped telah diusulkan, yang disetel dengan fine-tuning 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 guna mencapai karakteristik pita ganda.
Untuk mempelajari lebih lanjut tentang antena, silakan kunjungi:
Waktu posting: 09-Agu-2024
