1. Réamhrá
Tá spéis mhór tarraingthe ag fómhar fuinnimh minicíochta raidió (RF) (RFEH) agus aistriú cumhachta gan sreang radaíochta (WPT) mar mhodhanna chun líonraí gan sreang inbhuanaithe saor ó chadhnraí a bhaint amach. Is iad na rectennas bunchloch chórais WPT agus RFEH agus tá tionchar suntasach acu ar an gcumhacht DC a sheachadtar chuig an ualach. Bíonn tionchar díreach ag eilimintí antenna an rectenna ar an éifeachtúlacht fómhair, rud a fhéadfaidh an chumhacht fómhair a athrú faoi roinnt orduithe méide. Déanann an páipéar seo athbhreithniú ar na dearaí antenna a úsáidtear in iarratais WPT agus RFEH comhthimpeallacha. Déantar na rectennas tuairiscithe a aicmiú de réir dhá phríomhchritéar: bandaleithead impedance ceartúcháin antenna agus tréithe radaíochta an antenna. I gcás gach critéar, déantar an figiúr fiúntais (FoM) d'iarratais éagsúla a chinneadh agus a athbhreithniú go comparáideach.
Mhol Tesla tarchur cumhachta micreathonnta uile-threorach (WPT) go luath san 20ú haois mar mhodh chun na mílte each-chumhacht a tharchur. Tháinig an téarma rectenna, a chuireann síos ar antenna atá ceangailte le coigeartóir chun cumhacht RF a bhailiú, chun cinn sna 1950idí le haghaidh feidhmchlár tarchuir cumhachta micreathonnta spáis agus chun dróin uathrialacha a chumhachtú. Tá srian ar tharchur cumhachta uile-threorach, fadraoin ag airíonna fisiceacha an mheáin iomadúcháin (aer). Dá bhrí sin, tá WPT tráchtála teoranta den chuid is mó d'aistriú cumhachta neamh-radaíochta gar-réimse le haghaidh muirearú leictreonaice tomhaltóra gan sreang nó RFID.
De réir mar a leanann tomhaltas cumhachta gléasanna leathsheoltóra agus nóid braiteoirí gan sreang ag laghdú, éiríonn sé níos indéanta nóid braiteoirí a chumhachtú ag baint úsáide as RFEH comhthimpeallach nó ag baint úsáide as tarchuradóirí uilethreocha ísealchumhachta dáilte. De ghnáth bíonn foirceann tosaigh fála RF, bainistíocht cumhachta agus cuimhne DC, agus micreaphróiseálaí agus tarchuradóir ísealchumhachta i gcórais chumhachta gan sreang sár-ísealchumhachta.
Taispeánann Fíor 1 ailtireacht nóid gan sreang RFEH agus na cur i bhfeidhm tosaigh RF a thuairiscítear go coitianta. Braitheann éifeachtúlacht ó cheann ceann an chórais chumhachta gan sreang agus ailtireacht an líonra aistrithe cumhachta agus faisnéise gan sreang sioncrónaithe ar fheidhmíocht na gcomhpháirteanna aonair, amhail antennas, coigeartóirí, agus ciorcaid bainistíochta cumhachta. Rinneadh roinnt suirbhéanna litríochta do chodanna éagsúla den chóras. Déanann Tábla 1 achoimre ar chéim an chomhshó cumhachta, ar phríomhchodanna le haghaidh comhshó cumhachta éifeachtúil, agus ar shuirbhéanna litríochta gaolmhara do gach cuid. Díríonn litríocht le déanaí ar theicneolaíocht chomhshó cumhachta, ar thoipeolaíochtaí coigeartóra, nó RFEH atá feasach ar líonra.
Fíor 1
Mar sin féin, ní mheastar gur cuid ríthábhachtach de RFEH dearadh antenna. Cé go mbreathnaíonn roinnt litríochta ar bhandaleithead agus éifeachtúlacht antenna ó pheirspictíocht fhoriomlán nó ó pheirspictíocht shonrach dearaidh antenna, amhail antennas miondealú nó inchaite, ní dhéantar anailís mhionsonraithe ar thionchar paraiméadair antenna áirithe ar ghlacadh cumhachta agus ar éifeachtúlacht chomhshó.
Déanann an páipéar seo athbhreithniú ar theicnící deartha antenna i rectennas leis an aidhm idirdhealú a dhéanamh idir dúshláin deartha antenna RFEH agus WPT atá sainiúil don chóras imoibrithe (WPT) agus dearadh caighdeánach antenna cumarsáide. Déantar comparáid idir antennas ó dhá pheirspictíocht: meaitseáil impedance foirceann go foirceann agus tréithe radaíochta; i ngach cás, aithnítear agus déantar athbhreithniú ar an FoM sna haennóga úrscothacha (SoA).
2. Bandaleithead agus Meaitseáil: Líonraí RF Neamh-50Ω
Is breithniú luath é an bac tréith 50Ω ar an gcomhréiteach idir maolú agus cumhacht in iarratais innealtóireachta micreathonnta. In antennas, sainmhínítear an bandaleithead bac mar an raon minicíochta ina bhfuil an chumhacht fhrithchaite níos lú ná 10% (S11< − 10 dB). Ós rud é go mbíonn aimplitheoirí íseal-torainn (LNAanna), aimplitheoirí cumhachta, agus brathadóirí deartha de ghnáth le meaitseáil bac ionchuir 50Ω, is gnách tagairt a dhéanamh do fhoinse 50Ω.
I rectenna, beathaítear aschur na haeróige go díreach isteach sa choigeartóir, agus is cúis le neamhlíneacht an dé-óid éagsúlacht mhór san fhriotaíocht ionchuir, agus an chomhpháirt toilleasach i réim. Ag glacadh leis go bhfuil aeróg 50Ω ann, is é an príomhdhúshlán ná líonra meaitseála RF breise a dhearadh chun an fhriotaíocht ionchuir a chlaochlú go dtí friotaíocht an choigeartóra ag an minicíocht spéise agus é a bharrfheabhsú do leibhéal cumhachta ar leith. Sa chás seo, tá bandaleithead friotaíochta foirceann go foirceann ag teastáil chun tiontú éifeachtach RF go DC a chinntiú. Dá bhrí sin, cé gur féidir le haeróga bandaleithead teoiriciúil gan teorainn nó thar a bheith leathan a bhaint amach ag baint úsáide as eilimintí tréimhsiúla nó geoiméadracht féin-chomhlántach, beidh bandaleithead an rectenna faoi chois ag an líonra meaitseála coigeartóra.
Tá roinnt toipeolaíochtaí rectenna molta chun fómhar aonbhanda agus ilbhanda nó WPT a bhaint amach trí fhrithchaitheamh a íoslaghdú agus aistriú cumhachta idir an t-antenna agus an coigeartóir a uasmhéadú. Taispeánann Fíor 2 struchtúir na dtoipeolaíochtaí rectenna tuairiscithe, rangaithe de réir a n-ailtireacht meaitseála impedance. Taispeánann Tábla 2 samplaí de rectennas ardfheidhmíochta maidir le bandaleithead foirceann go foirceann (sa chás seo, FoM) do gach catagóir.
Fíor 2 Toipeolaíochtaí rectéine ó pheirspictíocht an bhandaleithid agus an mheaitseála impedance. (a) Rectéine aonbhanda le haeróg chaighdeánach. (b) Rectéine ilbhanda (comhdhéanta d'il-aeróga atá cúpláilte go frithpháirteach) le coigeartóir amháin agus líonra meaitseála in aghaidh an bhanda. (c) Rectéine leathanbhanda le calafoirt RF iolracha agus líonraí meaitseála ar leithligh do gach banda. (d) Rectéine leathanbhanda le haeróg leathanbhanda agus líonra meaitseála leathanbhanda. (e) Rectéine aonbhanda ag baint úsáide as aeróg bheag ó thaobh leictreachais de atá meaitseáilte go díreach leis an gcoigeartóir. (f) Aeróg aonbhanda, mhór ó thaobh leictreachais de le impedance casta chun comhchuingigh leis an gcoigeartóir. (g) Rectéine leathanbhanda le impedance casta chun comhchuingigh leis an gcoigeartóir thar raon minicíochtaí.
Cé gur feidhmeanna difriúla iad rectenna WPT agus RFEH comhthimpeallach ó bheatha tiomnaithe, tá meaitseáil ó cheann ceann go ceann idir antenna, an coigeartóir agus an t-ualach bunúsach chun ard-éifeachtúlacht chomhshó cumhachta (PCE) a bhaint amach ó pheirspictíocht bandaleithead. Mar sin féin, díríonn rectennas WPT níos mó ar mheaitseáil fachtóirí ardchaighdeáin (S11 níos ísle) a bhaint amach chun PCE aonbhanda a fheabhsú ag leibhéil chumhachta áirithe (toipeolaíochtaí a, e agus f). Feabhsaíonn bandaleithead leathan WPT aonbhanda díolúine an chórais i gcoinne díthiúnadh, lochtanna déantúsaíochta agus seadáin phacáistithe. Ar an láimh eile, tugann rectennas RFEH tús áite d'oibriú ilbhanda agus baineann siad le toipeolaíochtaí bd agus g, toisc go mbíonn dlús speictreach cumhachta (PSD) banda aonair níos ísle i gcoitinne.
3. Dearadh antenna dronuilleogach
1. Droichidín minicíochta aonair
Tá dearadh antenna an rectenna aon-minicíochta (toipeolaíocht A) bunaithe go príomha ar dhearadh antenna caighdeánach, amhail paiste radaíochta polaraíochta líneach (LP) nó polaraíochta ciorclaigh (CP) ar an eitleán talún, antenna dépholach agus antenna F inbhéartaithe. Tá rectenna banda difreálach bunaithe ar eagar teaglaim DC atá cumraithe le haonaid antenna iolracha nó teaglaim mheasctha DC agus RF d'aonaid phaiste iolracha.
Ós rud é gur antennaí minicíochta aonair iad cuid mhór de na haeróga atá beartaithe agus go gcomhlíonann siad riachtanais WPT minicíochta aonair, agus RFEH ilmhinicíochta comhshaoil á lorg, cuirtear il-aeróga minicíochta aonair le chéile i ndeireictíní ilbhanda (toipeolaíocht B) le cosc cúplála frithpháirteach agus teaglaim DC neamhspleách tar éis an chiorcaid bainistíochta cumhachta chun iad a leithlisiú go hiomlán ón gciorcad fála agus comhshó RF. Éilíonn sé seo ilchiorcaid bainistíochta cumhachta do gach banda, rud a d'fhéadfadh éifeachtúlacht an tiontaire borrtha a laghdú toisc go bhfuil cumhacht DC banda aonair íseal.
2. Antennaí RFEH ilbhanda agus leathanbhanda
Is minic a bhaineann RFEH comhshaoil le fáil ilbhanda; dá bhrí sin, tá réimse teicnící molta chun bandaleithead dearaí antenna caighdeánacha agus modhanna chun eagair antenna dé-bhanda nó banda a fhoirmiú a fheabhsú. Sa chuid seo, déanaimid athbhreithniú ar dhearaí antenna saincheaptha do RFEHanna, chomh maith le haeróga ilbhanda clasaiceacha a bhfuil an cumas iontu a úsáid mar dronuilleoga.
Glacann antennas monapóil threorach tonnta chomhphlánacha (CPW) níos lú achair ná antennas paiste micristiallacha ag an minicíocht chéanna agus táirgeann siad tonnta LP nó CP, agus is minic a úsáidtear iad le haghaidh dronuilleoga leathanbhanda comhshaoil. Úsáidtear plánaí machnaimh chun an t-aonrú a mhéadú agus gnóthachan a fheabhsú, rud a fhágann patrúin radaíochta cosúil le haeróga paiste. Úsáidtear antennas threorach tonnta chomhphlánacha sliotáilte chun bandaleithead impedance a fheabhsú do bhandaí minicíochta iolracha, amhail 1.8–2.7 GHz nó 1–3 GHz. Úsáidtear antennas sliotán cothaithe cúpláilte agus antennas paiste go coitianta i ndearaí dronuilleoga ilbhanda freisin. Taispeánann Fíor 3 roinnt antennas ilbhanda tuairiscithe a úsáideann níos mó ná teicníc feabhsúcháin bandaleithead amháin.
Fíor 3
Meaitseáil Impedance Antenna-Reactífóra
Is dúshlán é antenna 50Ω a mheaitseáil le coigeartóir neamhlíneach toisc go n-athraíonn a bhac ionchuir go mór leis an minicíocht. I dtoipeolaíochtaí A agus B (Fíor 2), is meaitseáil LC é an líonra meaitseála coiteann ag baint úsáide as eilimintí cnapánacha; áfach, is gnách go mbíonn an bandaleithead coibhneasta níos ísle ná formhór na mbandaí cumarsáide. Úsáidtear meaitseáil stumpa aonbhanda go coitianta i mbandaí micreathonnta agus tonnta milliméadair faoi bhun 6 GHz, agus tá bandaleithead cúng ó dhúchas ag na coigeartáin tonnta milliméadair a tuairiscíodh toisc go bhfuil a mbandaleithead PCE bactha ag cosc armónach aschuir, rud a fhágann go bhfuil siad oiriúnach go háirithe d'fheidhmchláir WPT aonbhanda sa bhanda neamhcheadúnaithe 24 GHz.
Tá líonraí meaitseála níos casta ag na rectéiní i dtoipeolaíochtaí C agus D. Tá líonraí meaitseála líne lándáilte molta le haghaidh meaitseáil leathanbhanda, le gearrchiorcad bloc RF/DC (scagaire pas) ag an gcalafort aschuir nó toilleoir blocála DC mar chonair fillte do chomhchuibhithe dé-óid. Is féidir comhpháirteanna an cheartaitheora a athsholáthar le toilleoirí idirnasctha boird chiorcaid phriontáilte (PCB), a shintéisiú ag baint úsáide as uirlisí uathoibrithe dearaidh leictreonaigh tráchtála. Comhcheanglaíonn líonraí meaitseála rectéiní leathanbhanda eile a tuairiscíodh eilimintí cnapánacha le haghaidh meaitseáil le minicíochtaí níos ísle agus eilimintí dáilte chun gearrchiorcad RF a chruthú ag an ionchur.
Baineadh úsáid as athrú ar an mbacainníocht ionchuir a bhreathnaíonn an t-ualach trí fhoinse (ar a dtugtar an teicníc tarraingthe foinse) chun coigeartóir leathanbhanda a dhearadh le bandaleithead coibhneasta 57% (1.25–2.25 GHz) agus PCE 10% níos airde i gcomparáid le ciorcaid chnapánacha nó dáilte. Cé go mbíonn líonraí meaitseála deartha de ghnáth chun antennas a mheaitseáil thar an bandaleithead 50Ω iomlán, tá tuairiscí sa litríocht inar ceanglaíodh antennas leathanbhanda le coigeartóirí caolbhanda.
Tá líonraí meaitseála eilimintí cnapánacha agus eilimintí dáilte hibrideacha in úsáid go forleathan i dtoipeolaíochtaí C agus D, agus is iad ionduchtóirí sraitheacha agus toilleoirí na heilimintí cnapánacha is coitianta a úsáidtear. Seachnaíonn siad seo struchtúir chasta amhail toilleoirí idirnasctha, a éilíonn samhaltú agus monarú níos cruinne ná línte micristialla caighdeánacha.
Bíonn tionchar ag cumhacht ionchuir an choigeartóra ar an mbacainníocht ionchuir mar gheall ar neamhlíneacht an dé-óid. Dá bhrí sin, tá an rectenna deartha chun an PCE a uasmhéadú le haghaidh leibhéal cumhachta ionchuir agus bacainníocht ualaigh ar leith. Ós rud é go mbíonn bacainníocht ard toilleasach ag dé-óidí den chuid is mó ag minicíochtaí faoi bhun 3 GHz, tá rectennas leathanbhanda a chuireann deireadh le líonraí meaitseála nó a íoslaghdaíonn ciorcaid meaitseála simplithe dírithe ar mhinicíochtaí Prf>0 dBm agus os cionn 1 GHz, ós rud é go bhfuil bacainníocht íseal toilleasach ag na dé-óidí agus gur féidir iad a mheaitseáil go maith leis an antenna, rud a sheachnaíonn dearadh antennas le himoibrithe ionchuir >1,000Ω.
Tá meaitseáil impedance oiriúnaitheach nó athchumraithe feicthe i ndroch-chroíleáin CMOS, áit a bhfuil bainc toilleora agus ionduchtóirí ar an sliseanna sa líonra meaitseála. Tá líonraí meaitseála CMOS statach molta freisin d'aintéiní caighdeánacha 50Ω chomh maith le haeréiní lúb comhdheartha. Tuairiscíodh go n-úsáidtear brathadóirí cumhachta CMOS éighníomhacha chun lasca a rialú a threoraíonn aschur na haeróige chuig coigeartaitheoirí agus líonraí meaitseála éagsúla ag brath ar an gcumhacht atá ar fáil. Tá líonra meaitseála athchumraithe molta ag baint úsáide as toilleoirí inchoigeartaithe cnapánacha, a dhéantar a choigeartú trí mhionchoigeartú agus an impedance ionchuir á thomhas ag baint úsáide as anailíseoir líonra veicteora. I líonraí meaitseála micristripe athchumraithe, úsáideadh lasca trasraitheora éifeacht réimse chun na stubaí meaitseála a choigeartú chun tréithe dé-bhanda a bhaint amach.
Chun tuilleadh eolais a fháil faoi antennas, tabhair cuairt ar:
Am an phoist: 9 Lúnasa 2024
