1.Pendahuluan
Pemanenan energi frekuensi radio (RF) (RFEH) dan transfer daya nirkabel radiasi (WPT) telah menarik minat besar sebagai metode untuk mencapai jaringan nirkabel berkelanjutan tanpa baterai. Rectenna adalah landasan sistem WPT dan RFEH dan memiliki dampak signifikan terhadap daya DC yang disalurkan ke beban. Elemen antena pada rectenna secara langsung mempengaruhi 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: antena yang memperbaiki bandwidth impedansi dan karakteristik radiasi antena. Untuk setiap kriteria, angka kelayakan (FoM) untuk aplikasi yang berbeda 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 jarak jauh segala arah dibatasi oleh sifat fisik media propagasi (udara). Oleh karena itu, WPT komersial terutama terbatas pada transfer daya non-radiasi jarak dekat untuk pengisian daya elektronik konsumen nirkabel atau RFID.
Karena konsumsi daya perangkat semikonduktor dan node sensor nirkabel terus menurun, maka menjadi lebih layak untuk memberi daya pada node sensor menggunakan RFEH sekitar atau menggunakan pemancar omnidireksional berdaya rendah yang didistribusikan. Sistem daya nirkabel berdaya sangat rendah biasanya terdiri dari ujung depan 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 end-to-end sistem tenaga nirkabel dan arsitektur informasi nirkabel tersinkronisasi dan jaringan transfer daya 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 tahapan konversi daya, komponen utama 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 dipakai, dampak parameter antena tertentu terhadap penerimaan daya dan efisiensi konversi tidak dianalisis secara rinci.
Makalah ini mengulas teknik desain antena di rectennas 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 dalam antena canggih (SoA).
2. Bandwidth dan Pencocokan: Jaringan RF Non-50Ω
Impedansi karakteristik 50Ω merupakan pertimbangan awal kompromi antara redaman 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 kebisingan rendah (LNA), penguat daya, dan detektor biasanya dirancang dengan kecocokan impedansi masukan 50Ω, sumber 50Ω secara tradisional direferensikan.
Dalam rectenna, keluaran antena langsung dimasukkan ke dalam penyearah, dan ketidaklinieran dioda menyebabkan variasi besar dalam impedansi masukan, 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 secara teoritis dapat mencapai bandwidth tak terbatas atau ultra lebar menggunakan elemen periodik atau geometri pelengkap sendiri, bandwidth rectenna akan terhambat oleh jaringan pencocokan penyearah.
Beberapa topologi rectenna telah diusulkan untuk mencapai pemanenan single-band dan multi-band 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 end-to-end (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 berpasangan) dengan satu penyearah dan jaringan yang cocok per band. (c) Rectenna broadband dengan beberapa port RF dan jaringan pencocokan terpisah untuk setiap band. (d) Rectenna pita lebar dengan antena pita lebar dan jaringan pencocokan pita lebar. (e) Rectenna pita tunggal menggunakan antena kecil elektrik yang dicocokkan langsung dengan penyearah. (f) Antena pita tunggal, 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 end-to-end antara antena, penyearah, dan beban merupakan hal mendasar untuk mencapai efisiensi konversi daya (PCE) yang tinggi dari perspektif bandwidth. Namun demikian, rectenna WPT lebih fokus 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 WPT pita tunggal meningkatkan kekebalan sistem terhadap detuning, cacat produksi, dan parasit pengemasan. Di sisi lain, rectenna RFEH memprioritaskan operasi multi-band dan termasuk dalam topologi bd dan g, karena kerapatan spektral daya (PSD) dari satu pita 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 polarisasi linier (LP) atau polarisasi melingkar (CP) yang memancarkan patch 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 dari 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 sepenuhnya mengisolasinya dari rangkaian akuisisi dan konversi RF. Hal ini memerlukan beberapa sirkuit manajemen daya untuk setiap pita, yang dapat mengurangi efisiensi konverter penambah 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. 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 dibandingkan antena patch mikrostrip pada frekuensi yang sama dan menghasilkan gelombang LP atau CP, dan sering digunakan untuk rectenna lingkungan broadband. Bidang refleksi digunakan untuk meningkatkan isolasi dan meningkatkan penguatan, sehingga 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 berpasangan dan antena patch juga biasa digunakan dalam desain rectenna multi-band. Gambar 3 menunjukkan beberapa antena multi-band yang dilaporkan menggunakan lebih dari satu teknik peningkatan bandwidth.
Gambar 3
Pencocokan Impedansi Penyearah Antena
Mencocokkan antena 50Ω dengan penyearah nonlinier merupakan suatu tantangan karena impedansi inputnya sangat bervariasi terhadap frekuensi. Dalam topologi A dan B (Gambar 2), jaringan pencocokan yang umum adalah pencocokan LC yang menggunakan elemen yang digabungkan; namun, bandwidth relatif biasanya lebih rendah daripada kebanyakan pita komunikasi. Pencocokan stub pita tunggal biasanya digunakan dalam 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 keluaran, yang membuatnya sangat cocok untuk single-band aplikasi WPT band di band tidak berlisensi 24 GHz.
Rectenna di topologi C dan D memiliki jaringan pencocokan yang lebih kompleks. Jaringan pencocokan jalur terdistribusi penuh telah diusulkan untuk pencocokan broadband, dengan blok RF/hubung singkat DC (pass filter) pada port keluaran atau kapasitor pemblokiran DC sebagai jalur kembali untuk harmonik dioda. Komponen penyearah dapat diganti dengan kapasitor interdigitasi papan sirkuit cetak (PCB), yang disintesis menggunakan alat otomasi desain elektronik komersial. Jaringan pencocokan rectenna broadband lainnya yang dilaporkan menggabungkan elemen yang disatukan untuk mencocokkan dengan frekuensi yang lebih rendah dan elemen terdistribusi untuk menciptakan arus pendek RF pada input.
Memvariasikan impedansi masukan yang diamati oleh beban melalui suatu sumber (dikenal sebagai teknik tarikan sumber) telah digunakan untuk merancang penyearah broadband dengan bandwidth relatif 57% (1,25–2,25 GHz) dan PCE 10% lebih tinggi dibandingkan dengan rangkaian yang disatukan atau didistribusikan. . Meskipun jaringan pencocokan biasanya dirancang untuk mencocokkan antena pada seluruh bandwidth 50Ω, terdapat laporan dalam literatur di mana antena broadband telah dihubungkan ke penyearah pita sempit.
Jaringan pencocokan elemen gabungan dan elemen terdistribusi hibrid telah banyak digunakan dalam topologi C dan D, dengan induktor seri dan kapasitor menjadi elemen gabungan yang paling umum digunakan. Hal ini menghindari struktur kompleks seperti kapasitor interdigitasi, yang memerlukan pemodelan dan fabrikasi lebih akurat dibandingkan jalur mikrostrip standar.
Daya masukan ke penyearah mempengaruhi impedansi masukan karena nonlinier dioda. Oleh karena itu, rectenna dirancang untuk memaksimalkan PCE untuk tingkat daya input dan impedansi beban tertentu. Karena dioda terutama bersifat kapasitif impedansi tinggi pada frekuensi di bawah 3 GHz, rectenna broadband 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 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 standar 50Ω serta antena loop yang dirancang bersama. Telah dilaporkan bahwa detektor daya CMOS pasif digunakan untuk mengontrol sakelar yang mengarahkan keluaran antena ke penyearah berbeda dan jaringan yang cocok bergantung pada daya yang tersedia. Jaringan pencocokan yang dapat dikonfigurasi ulang menggunakan kapasitor merdu yang disamakan 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 dual-band.
Untuk mempelajari lebih lanjut tentang antena, silakan kunjungi:
Waktu posting: 09 Agustus 2024
