1. הקדמה
ראַדיאָ פרעקווענץ (RF) ענערגיע האַרוועסטינג (RFEH) און ראַדיאַטיווע וויירלעס מאַכט טראַנספער (WPT) האָבן געצויגן גרויס אינטערעס ווי מעטאָדן צו דערגרייכן באַטאַרייע-פֿרייַ סאַסטיינאַבאַל וויירלעס נעטוואָרקס. רעקטענאַס זענען דער ווינקלשטיין פון WPT און RFEH סיסטעמען און האָבן אַ באַטייטיק פּראַל אויף די דק מאַכט איבערגעגעבן צו די מאַסע. די אַנטענע עלעמענטן פון די רעקטענע גלייַך ווירקן די האַרוועסטינג עפעקטיווקייַט, וואָס קענען ווערייַרן די כאַרוועסטעד מאַכט דורך עטלעכע אָרדערס פון מאַגניטוד. די פּאַפּיר רעצענזירט די אַנטענע דיזיינז געניצט אין WPT און אַמביאַנט RFEH אַפּלאַקיישאַנז. די געמאלדן רעקטענאַס זענען קלאַסאַפייד לויט צוויי הויפּט קרייטיריאַ: די אַנטענע רעקטיינינג ימפּידאַנס באַנדווידט און די ראַדיאַציע קעראַקטעריסטיקס פון די אַנטענע. פֿאַר יעדער קריטעריאָן, די פיגור פון מעריט (FoM) פֿאַר פאַרשידענע אַפּלאַקיישאַנז איז באשלאסן און ריוויוד קאַמפּעראַטיוולי.
WPT איז פארגעשלאגן געווארן דורך טעסלא אין די פריע 20סטע יארהונדערט אלס א מעטאד צו טראנסמיטירן טויזנטער פערד-קראפט. דער טערמין רעקטענע, וואס באשרייבט אן אנטענע פארבונדן צו א גלייכרעכטער צו שניידן RF מאכט, איז ארויסגעקומען אין די 1950ער יארן פאר ספעיס מייקראכוועלווע מאכט טראנסמיסיע אפליקאציעס און צו שטארקן אויטאנאמישע דראנען. אמנידירעקשאנעל, לאנג-רייכווייט WPT איז באגרענעצט דורך די פיזישע אייגנשאפטן פון די פארשפרייטונג מעדיום (לופט). דעריבער, קאמערציעלע WPT איז מערסטנס באגרענעצט צו נאנט-פעלד נישט-שטראלנדיק מאכט טראנספער פאר ווייערלעס קאנסומער עלעקטראניק לאדונג אדער RFID.
ווי דער מאַכט קאַנסאַמשאַן פון האַלב-קאָנדוקטאָר דעוויסעס און וויירלעס סענסאָר נאָודז פאָרזעצט צו פאַרקלענערן, ווערט עס מער מעגלעך צו פּאַוערן סענסאָר נאָודז ניצן אַמביאַנט RFEH אָדער ניצן פאַרשפּרייט נידעריק-מאַכט אָמנידירעקשאַנאַל טראַנסמיטערס. אולטראַ-נידעריק-מאַכט וויירלעס מאַכט סיסטעמען יוזשאַוואַלי באַשטיין פון אַ RF אַקוויזישאַן פראָנט ענד, DC מאַכט און זכּרון פאַרוואַלטונג, און אַ נידעריק-מאַכט מיקראָפּראַסעסער און טראַנססיווער.
פיגור 1 ווייזט די ארכיטעקטור פון א RFEH ווייערלעס נאָדע און די אָפט געמאלדן RF פראָנט-ענד אימפּלעמענטאַציעס. די ענד-צו-ענד עפעקטיווקייט פון די ווייערלעס מאַכט סיסטעם און די ארכיטעקטור פון די סינגקראַנייזירטע ווייערלעס אינפֿאָרמאַציע און מאַכט אַריבערפירן נעץ דעפּענדס אויף די פאָרשטעלונג פון יחיד קאַמפּאָונאַנץ, אַזאַ ווי אַנטענעס, רעקטאַפייערז, און מאַכט פאַרוואַלטונג סערקאַץ. עטלעכע ליטעראַטור אַנקעטעס זענען דורכגעפירט געוואָרן פֿאַר פאַרשידענע טיילן פון די סיסטעם. טאַבעלע 1 סאַמערייזיז די מאַכט קאַנווערזשאַן בינע, שליסל קאַמפּאָונאַנץ פֿאַר עפעקטיוו מאַכט קאַנווערזשאַן, און פֿאַרבונדענע ליטעראַטור אַנקעטעס פֿאַר יעדן טייל. לעצטע ליטעראַטור פאָוקיסיז אויף מאַכט קאַנווערזשאַן טעכנאָלאָגיע, רעקטאַפייער טאָפּאָלאָגיעס, אָדער נעץ-באַוווסטזיניק RFEH.
פיגור 1
אבער, אנטענע דיזיין ווערט נישט באטראכט אלס א קריטישער קאמפאנענט אין RFEH. כאטש עטליכע ליטעראטור באטראכט אנטענע באנדווידט און עפעקטיווקייט פון אן אלגעמיינער פערספעקטיוו אדער פון א ספעציפישן אנטענע דיזיין פערספעקטיוו, ווי למשל מיניאטוריזירטע אדער טראגבארע אנטענעס, ווערט דער אימפאקט פון געוויסע אנטענע פאראמעטערס אויף מאכט אויפנעמונג און קאנווערזיע עפעקטיווקייט נישט אנאליזירט אין דעטאל.
די דאזיגע פאפיר באריכטעט אנטענע דיזיין טעכניקן אין רעקטענס מיטן ציל צו אונטערשיידן RFEH און WPT ספעציפישע אנטענע דיזיין טשאַלאַנדזשיז פון סטאַנדאַרט קאָמוניקאַציע אנטענע דיזיין. אַנטענעס ווערן פארגליכן פון צוויי פּערספּעקטיוון: ענד-צו-ענד ימפּידאַנס מאַטשינג און ראַדיאַציע קעראַקטעריסטיקס; אין יעדן פאַל, ווערט די FoM אידענטיפיצירט און באריכטעט אין די שטאַט-פון-די-קונסט (SoA) אַנטענעס.
2. באַנדווידט און צופּאַסונג: נישט-50Ω RF נעטוואָרקס
די כאַראַקטעריסטישע אימפּעדאַנס פון 50Ω איז אַ פריע באַטראַכטונג פון דעם קאָמפּראָמיס צווישן אַטענואַציע און מאַכט אין מייקראַווייוו אינזשעניריע אַפּלאַקיישאַנז. אין אַנטענעס, די ימפּעדאַנס באַנדווידט איז דעפינירט ווי די אָפטקייַט קייט וווּ די רעפלעקטעד מאַכט איז ווייניקער ווי 10% (S11< − 10 dB). זינט נידעריק ראַש אַמפּליפייערז (LNAs), מאַכט אַמפּליפייערז און דעטעקטאָרס זענען טיפּיקלי דיזיינד מיט אַ 50Ω אַרייַנשרייַב ימפּעדאַנס גלייַכן, אַ 50Ω מקור איז טראַדיציאָנעל רעפערענסעד.
אין א רעקטענע, ווערט דער אויסגאַנג פון דער אַנטענע גלייך אריינגעפֿירט אין דעם רעקטיפֿיער, און די נישט-לינעאַריטעט פון דער דיאָד פֿאַראורזאַכט אַ גרויסע וואַריאַציע אין דער אינפּוט אימפּעדאַנס, מיטן קאַפּאַסיטיוון קאָמפּאָנענט דאָמינירנדיק. אויב מיר נעמען אָן אַ 50Ω אַנטענע, איז די הויפּט אַרויסרוף צו דיזיינען אַן נאָך RF מעטשינג נעץ צו טראַנספֿאָרמירן די אינפּוט אימפּעדאַנס צו דער אימפּעדאַנס פון דעם רעקטיפֿיער ביי דער אינטערעסאַנטער פֿרעקווענץ און עס אָפּטימיזירן פֿאַר אַ ספּעציפֿישן מאַכט לעוועל. אין דעם פֿאַל, איז ענד-צו-ענד אימפּעדאַנס באַנדברייט נויטיק צו זיכער מאַכן עפֿעקטיווע RF צו DC קאָנווערסיע. דעריבער, כאָטש אַנטענעס קענען דערגרייכן טעאָרעטיש אומענדלעכע אָדער אולטראַ-ברייטע באַנדברייט ניצנדיק פּעריִאָדישע עלעמענטן אָדער זיך-קאָמפּלעמענטאַרע געאָמעטריע, וועט די באַנדברייט פון דער רעקטענע זיין פֿאַרהאַלטן דורך דעם רעקטיפֿיער מעטשינג נעץ.
עטלעכע רעקטענע טאָפּאָלאָגיעס זענען פארגעשטעלט געוואָרן צו דערגרייכן איין-באַנד און מולטי-באַנד האַרוועסטינג אדער WPT דורך מינימיזירן רעפלעקשאַנז און מאַקסאַמייזינג מאַכט אַריבערפירן צווישן די אַנטענע און די רעקטאַפייער. פיגור 2 ווייזט די סטרוקטורן פון די געמאלדן רעקטענע טאָפּאָלאָגיעס, קאַטעגאָריזירט דורך זייער ימפּידאַנס מאַטשינג אַרכיטעקטור. טאַבעלע 2 ווייזט ביישפילן פון הויך-פּערפאָרמאַנס רעקטענאַס אין באַצוג צו ענד-צו-ענד באַנדווידט (אין דעם פאַל, FoM) פֿאַר יעדער קאַטעגאָריע.
פיגור 2 רעקטענע טאָפּאָלאָגיעס פֿון דער פּערספּעקטיוו פֿון באַנדברייט און אימפּעדאַנס צופּאַסונג. (א) איין-באַנד רעקטענע מיט סטאַנדאַרט אַנטענע. (ב) מולטי-באַנד רעקטענע (צוזאַמענגעשטעלט פֿון קייפל קעגנצייַטיק פֿאַרבונדענע אַנטענעס) מיט איין רעקטיפֿיער און צופּאַסנדיק נעץ פּער באַנד. (ג) ברייטבאַנד רעקטענע מיט קייפל RF פּאָרץ און באַזונדערע צופּאַסנדיקע נעטוואָרקס פֿאַר יעדן באַנד. (ד) ברייטבאַנד רעקטענע מיט ברייטבאַנד אַנטענע און ברייטבאַנד צופּאַסנדיק נעץ. (ה) איין-באַנד רעקטענע וואָס ניצט עלעקטריש קליינע אַנטענע גלייך צוגעפּאַסט צום רעקטיפֿיער. (ו) איין-באַנד, עלעקטריש גרויסע אַנטענע מיט קאָמפּלעקסער אימפּעדאַנס צו קאָניוגירן מיטן רעקטיפֿיער. (ז) ברייטבאַנד רעקטענע מיט קאָמפּלעקסער אימפּעדאַנס צו קאָניוגירן מיטן רעקטיפֿיער איבער אַ קייט פֿון פֿרעקווענצן.
כאָטש WPT און אַמביענט RFEH פֿון דעדאַקייטאַד פֿיד זענען פֿאַרשידענע רעקטענאַ אַפּליקאַציעס, איז דערגרייכן ענד-צו-ענד מעטשינג צווישן אַנטענע, רעקטיפֿיער און לאָד פֿונדאַמענטאַל צו דערגרייכן הויך מאַכט קאָנווערסיע עפֿיקאַסי (PCE) פֿון אַ באַנדווידט פּערספּעקטיוו. דאָך, WPT רעקטענאַס פֿאָקוסירן מער אויף דערגרייכן העכער קוואַליטעט פֿאַקטאָר מעטשינג (נידעריקער S11) צו פֿאַרבעסערן איין-באַנד PCE ביי געוויסע מאַכט לעוועלס (טאָפּאָלאָגיעס a, e און f). די ברייטע באַנדווידט פֿון איין-באַנד WPT פֿאַרבעסערט די סיסטעם ימיונאַטי צו דיטונינג, מאַנופֿאַקטורינג חסרונות און פּאַקאַדזשינג פּאַראַזיטיקס. פֿון דער אַנדערער זײַט, RFEH רעקטענאַס פּרייאָריטעטירן מולטי-באַנד אָפּעראַציע און געהערן צו טאָפּאָלאָגיעס bd און g, ווײַל די מאַכט ספּעקטראַל געדיכטקייט (PSD) פֿון אַ איין באַנד איז בכלל נידעריקער.
3. רעכטעקיקע אַנטענע פּלאַן
1. איין-פרעקווענץ רעקטענע
דער אַנטענע פּלאַן פון איין-פרעקווענץ רעקטענע (טאָפּאָלאָגיע A) איז באַזירט הויפּטזעכלעך אויף אַ נאָרמאַלן אַנטענע פּלאַן, אַזאַ ווי לינעאַר פּאָלאַריזאַציע (LP) אָדער צירקולאַר פּאָלאַריזאַציע (CP) וואָס ראַדיירט אַ פּאַטש אויף דער ערד-פלאַך, דיפּאָל אַנטענע און ינווערטעד F אַנטענע. דיפערענציעל באַנד רעקטענע איז באַזירט אויף אַ DC קאָמבינאַציע אַרעי קאָנפיגורירט מיט קייפל אַנטענע-איינהייטן אָדער אַ געמישטע DC און RF קאָמבינאַציע פון קייפל פּאַטש-איינהייטן.
זינט אסאך פון די פארגעשלאגענע אנטענעס זענען איין-פרעקווענץ אנטענעס און טרעפן די באדערפענישן פון איין-פרעקווענץ WPT, ווען מען זוכט ענווייראמענטאלע מולטי-פרעקווענץ RFEH, ווערן קייפל איין-פרעקווענץ אנטענעס קאמבינירט אין מולטי-בענד רעקטענס (טאפאלאגיע B) מיט קעגנצייַטיקע קאַפּלינג סאַפּרעשאַן און אומאָפּהענגיקע DC קאָמבינאַציע נאָך דעם מאַכט פאַרוואַלטונג קרייז צו גאָר אפגעזונדערן זיי פון די RF אַקוויזישאַן און קאַנווערזשאַן קרייז. דאָס פארלאנגט קייפל מאַכט פאַרוואַלטונג קרייזן פֿאַר יעדער באַנד, וואָס קען רעדוצירן די עפעקטיווקייט פון די בוסט קאָנווערטער ווייַל די DC מאַכט פון אַ איין באַנד איז נידעריק.
2. מולטי-באַנד און ברייטבאַנד RFEH אַנטענעס
ענווייראָמענטאַלע RFEH איז אָפט פֿאַרבונדן מיט מולטי-באַנד אַקוויזישאַן; דעריבער, אַ פאַרשיידנקייט פון טעקניקס זענען פארגעשטעלט געוואָרן צו פֿאַרבעסערן די באַנדווידט פון נאָרמאַל אַנטענע דיזיינז און מעטאָדן פֿאַר שאַפֿן צוויי-באַנד אָדער באַנד אַנטענע אַררייז. אין דעם אָפּטייל, מיר באַטראַכטן מנהג אַנטענע דיזיינז פֿאַר RFEHs, ווי אויך קלאַסישע מולטי-באַנד אַנטענאַס מיט די פּאָטענציעל צו ווערן געניצט ווי רעקטענס.
קאפלאנאַרע וועיווגייד (CPW) מאָנאָפּאָל אַנטענעס נעמען ווייניקער שטח ווי מיקראָסטריפּ פּאַטש אַנטענעס ביי דער זעלבער פרעקווענץ און פּראָדוצירן LP אָדער CP כוואַליעס, און ווערן אָפט געניצט פֿאַר ברייטבאַנד ענווייראָנמענטאַל רעקטענאַז. רעפלעקציע פּליינז ווערן געניצט צו פאַרגרעסערן אפגעזונדערטקייט און פֿאַרבעסערן געווינס, ריזאַלטינג אין ראַדיאַציע פּאַטערנז ענלעך צו פּאַטש אַנטענעס. סלאַטיד קאפלאנאַרע וועיווגייד אַנטענעס ווערן געניצט צו פֿאַרבעסערן ימפּידאַנס באַנדווידטס פֿאַר קייפל פרעקווענץ באַנדס, אַזאַ ווי 1.8-2.7 GHz אָדער 1-3 GHz. קאַפּאַלד-געפֿידער סלאָט אַנטענעס און פּאַטש אַנטענעס ווערן אויך אָפט געניצט אין מולטי-באַנד רעקטענאַ דיזיינז. פיגור 3 ווייזט עטלעכע געמאלדן מולטי-באַנד אַנטענעס וואָס נוצן מער ווי איין באַנדווידט פֿאַרבעסערונג טעכניק.
פיגור 3
אַנטענע-גלייכרעכטער ימפּידאַנס גלייַכן
צופּאַסן אַ 50Ω אַנטענע צו אַ ניט-לינעאַר רעקטיפייער איז אַ שווערע אַרבעט ווייל איר אינפוט אימפּעדאַנס ווערייִרט שטאַרק מיט דער אָפטקייט. אין טאָפּאָלאָגיעס A און B (פיגור 2), איז די געוויינטלעכע מעטשינג נעץ אַן LC מעטשינג וואָס ניצט לאַמפּעד עלעמענטן; אָבער, די רעלאַטיווע באַנדברייט איז געוויינטלעך נידעריקער ווי רובֿ קאָמוניקאַציע באַנדס. איין-באַנד סטאַב מעטשינג ווערט געוויינטלעך געניצט אין מייקראַווייוו און מילימעטער-כוואַליע באַנדס אונטער 6 GHz, און די געמאָלדענע מילימעטער-כוואַליע רעקטענערס האָבן אַן אינהערענט שמאָלע באַנדברייט ווייל זייער PCE באַנדברייט איז באַטאַלנעק דורך אַוטפּוט האַרמאָניק סאַפּרעשאַן, וואָס מאַכט זיי באַזונדער פּאַסיק פֿאַר איין-באַנד WPT אַפּלאַקיישאַנז אין די 24 GHz אַנלייסאַנסט באַנד.
די רעקטענען אין טאָפּאָלאָגיעס C און D האָבן מער קאָמפּליצירטע מעטשינג נעטוואָרקס. גאָר פאַרשפּרייטע ליניע מעטשינג נעטוואָרקס זענען פארגעשטעלט געוואָרן פֿאַר ברייטבאַנד מעטשינג, מיט אַן RF בלאָק/DC קורץ קרייַז (פּאַס פילטער) ביים אַרויסגאַנג פּאָרט אָדער אַ DC בלאָקירן קאַפּאַסיטאָר ווי אַ צוריקקער וועג פֿאַר דיאָד האַרמאָניקס. די רעקטיפייער קאָמפּאָנענטן קענען זיין ריפּלייסט דורך געדרוקטע קרייַז ברעט (PCB) ינטערדידזשיטייטיד קאַפּאַסיטאָרס, וואָס זענען סינטעזירט מיט קאמערציעלע עלעקטראָנישע פּלאַן אָטאַמיישאַן מכשירים. אַנדערע געמאלדן ברייטבאַנד רעקטענען מעטשינג נעטוואָרקס קאַמביינירן לאַמפּטעד עלעמענטן פֿאַר מעטשינג צו נידעריקערע פרעקווענצן און פאַרשפּרייטע עלעמענטן פֿאַר שאַפֿן אַ RF קורץ קרייַז ביים אַרייַנגאַנג.
ווערייִרן די אינפוט אימפּעדאַנס באמערקט דורך די לאַסט דורך אַ מקור (באַקאַנט ווי די מקור-ציען טעכניק) איז געניצט געוואָרן צו דיזיינען אַ ברייטבאַנד רעקטיפייער מיט 57% רעלאַטיוו באַנדברייט (1.25–2.25 GHz) און 10% העכער PCE קאַמפּערד צו לאַמפּעד אָדער פאַרשפּרייט סערקאַץ. כאָטש מאַטשינג נעטוואָרקס זענען טיפּיקלי דיזיינד צו מאַטשינג אַנטענעס איבער די גאנצע 50Ω באַנדברייט, עס זענען באַריכטן אין דער ליטעראַטור וווּ ברייטבאַנד אַנטענעס זענען פארבונדן צו שמאָלבאַנד רעקטיפיערס.
כייבריד לאַמפּעד-עלעמענט און דיסטריביוטעד-עלעמענט מאַטשינג נעטוואָרקס זענען ברייט געניצט געוואָרן אין טאָפּאָלאָגיעס C און D, מיט סעריע אינדוקטאָרן און קאַפּאַסיטאָרן זייענדיק די מערסט אָפט געניצטע לאַמפּעד עלעמענטן. די ויסמיידן קאָמפּלעקסע סטרוקטורן ווי ינטערדידזשיטייטיד קאַפּאַסיטאָרן, וואָס דאַרפן מער פּינקטלעך מאָדעלינג און פאַבריקאַציע ווי נאָרמאַל מיקראָסטריפּ ליניעס.
די אינפוט מאַכט צום רעקטיפייער אַפעקטירט די אינפוט ימפּעדאַנס צוליב דער ניט-לינעאַריטעט פון דער דיאָד. דעריבער, איז די רעקטענע דיזיינד צו מאַקסאַמיזירן די PCE פֿאַר אַ ספּעציפֿישן אינפוט מאַכט מדרגה און לאָוד ימפּעדאַנס. ווייל דיאָדעס זענען בפֿרט קאַפּאַסיטיוו הויך ימפּעדאַנס ביי פרעקווענצן אונטער 3 GHz, האָבן ברייטבאַנד רעקטענס וואָס עלימינירן מעטשינג נעטוואָרקס אָדער מינימיזירן סימפּליפייד מעטשינג סערקאַץ זיך קאָנצענטרירט אויף פרעקווענצן Prf>0 dBm און העכער 1 GHz, ווייל די דיאָדעס האָבן אַ נידעריקע קאַפּאַסיטיוו ימפּעדאַנס און קענען גוט געפּאַסט ווערן צו דער אַנטענע, אַזוי אויסמיידנדיק דעם פּלאַן פון אַנטענעס מיט אינפוט רעאַקטאַנסן >1,000Ω.
אַדאַפּטיווע אדער רעקאָנפיגוראַבלע אימפּעדאַנס מאַטשינג איז געזען געוואָרן אין CMOS רעקטענעס, וואו די מאַטשינג נעץ באַשטייט פון אויף-טשיפּ קאַפּאַסיטאָר באַנקס און ינדוקטאָרן. סטאַטישע CMOS מאַטשינג נעטוואָרקס זענען אויך פארגעשטעלט געוואָרן פאר נאָרמאַל 50Ω אַנטענעס ווי אויך קאָ-דיזיינד שלייף אַנטענעס. עס איז געמאלדן געוואָרן אַז פּאַסיווע CMOS מאַכט דעטעקטאָרס ווערן גענוצט צו קאָנטראָלירן סוויטשיז וואָס ריכטן דעם אַוטפּוט פון דער אַנטענע צו פאַרשידענע רעקטאַפייערז און מאַטשינג נעטוואָרקס דיפּענדינג אויף די בנימצא מאַכט. א רעקאָנפיגוראַבלע מאַטשינג נעץ מיט לאַמפּעד טונאַבאַל קאַפּאַסיטאָרס איז פארגעשטעלט געוואָרן, וואָס איז טונד דורך פייַן-טונינג בשעת מעסטן די אַרייַנגאַנג ימפּעדאַנס מיט אַ וועקטאָר נעץ אַנאַליזער. אין רעקאָנפיגוראַבלע מיקראָסטריפּ מאַטשינג נעטוואָרקס, זענען פעלד ווירקונג טראַנזיסטאָר סוויטשיז גענוצט געוואָרן צו סטרויערן די מאַטשינג סטאַבס צו דערגרייכן צווייענדיק-באַנד קעראַקטעריסטיקס.
צו לערנען מער וועגן אַנטענעס, ביטע באַזוכט:
פּאָסט צייט: אויגוסט-09-2024
