1. Introductio
Magnum studium excitavit energiae radiofrequentiae (RF) captatio (RFEH) et translatio potentiae radiativae sine filo (WPT) ut methodi ad retia sine filo sustinabilia sine batteria efficienda. Recennae sunt fundamentum systematum WPT et RFEH et magnum impulsum habent in potentiam DC oneri traditam. Elementa antennae rectennae directe efficientiam captationis afficiunt, quae potentiam captam pluribus magnitudinum ordinibus variare potest. Haec dissertatio designia antennarum in applicationibus WPT et RFEH ambientalibus adhibita recenset. Recennae relatae secundum duo criteria principalia classificantur: latitudinem impedantiae rectificantis antennae et proprietates radiationis antennae. Pro quolibet criterio, figura meriti (FoM) pro diversis applicationibus determinatur et comparative recensetur.
Tesla initio saeculi XX proposuit transitum transmissionis potentiae (WPT) ut methodus ad milia equorum virium transmittendarum. Vocabulum "rectenna", quod antennam describit rectificatori connexam ad vim RF colligendam, annis 1950 ortum est ad usus transmissionis potentiae microfluctuum spatialium et ad potentiam dronorum autonomorum. WPT omnidirectionalis et longi distantiae a proprietatibus physicis medii propagationis (aeris) coercetur. Ergo, WPT commercialis praecipue limitatur ad translationem potentiae non-radiativae in campo pro impletione electronicorum sine filo vel RFID.
Cum consumptio energiae instrumentorum semiconductorum et nodorum sensoriorum sine filo decrescat, magis fit possibile nodos sensorios potentiam dare per RFEH ambienti vel per transmissores omnidirectionales parvae potentiae distributos. Systema potentiae sine filo parvae potentiae plerumque constant ex parte anteriore acquisitionis RF, potentia continua et administratione memoriae, et microprocessore et transceptore parvae potentiae.
Figura 1 architecturam nodi sine filo RFEH et implementationes frontales RF vulgo relatas ostendit. Efficacia ab initio ad finem systematis potentiae sine filo et architectura retiaculi synchronizati informationis et translationis potentiae sine filo ab effectu singularum partium, ut antennarum, rectificatorum, et circuituum administrationis potentiae, pendet. Plures investigationes litterarum pro diversis partibus systematis factae sunt. Tabula 1 stadium conversionis potentiae, partes clavis pro conversione potentiae efficaci, et investigationes litterarum pertinentes pro singulis partibus summatim exhibet. Litterae recentes in technologia conversionis potentiae, topologiis rectificatorum, vel RFEH reti-conscio intendunt.
Figura 1
Attamen, designatio antennarum non habetur pars critica in RFEH. Quamquam nonnullae litterae latitudinem antennarum et efficaciam ex prospectu generali vel ex prospectu designationis antennarum specificae, ut antennae miniaturizatae vel portatiles, considerant, effectus quorundam parametrorum antennarum in receptionem potentiae et efficaciam conversionis non accurate investigatur.
Haec dissertatio rationes designandi antennas in retentis (rectennis) perlustrat, eo consilio ut difficultates designandi antennas proprias RFEH et WPT a designandis antennarum communicationis consuetis distinguantur. Antennae ex duobus prospectibus comparantur: adaptatione impedantiae a fine ad finem et proprietatibus radiationis; in utroque casu, FoM (FoM) in antennis artis recentissimis (SoA) identificatur et perlustratur.
2. Latitudo Frequentiae et Congruentia: Retia RF Non-50Ω
Impediantia propria 50Ω est prima consideratio compromissi inter attenuationem et potentiam in applicationibus machinationis micro-undarum. In antennis, latitudo impedantiae definitur ut ambitus frequentiae ubi potentia reflexa minor est quam 10% (S11 < − 10 dB). Cum amplificatores humilis strepitus (LNA), amplificatores potentiae, et detectores typice cum impedantiae ingressu 50Ω designantur, fons 50Ω traditione adhibitus est.
In rectenna, egressus antennae directe in rectificatorem immittitur, et nonlinearitas diodi magnam variationem in impedantiae ingressu efficit, cum componente capacitiva dominante. Antenna 50Ω assumpta, principale impedimentum est reticulum adaptationis RF additionale designare ad impedantiam ingressum in impedantiam rectificatoris ad frequentiam desideratam transformandam et eam ad certum gradum potentiae optimizandam. Hoc in casu, latitudo impedantiae a fine ad finem requiritur ad conversionem RF ad DC efficientem curandam. Ergo, quamquam antennae latitudinem theoretice infinitam vel ultra-latam consequi possunt elementis periodicis vel geometria auto-complementaria utentes, latitudo rectinnae a reti adaptationis rectificatoris cohibebitur.
Plures topologiae rectennarum propositae sunt ad collectionem unius et multi-fasciae sive WPT (Wi-First Transit Harvesting) assequendam, reflexiones minuendo et translationem potentiae inter antennam et rectificatorem amplificando. Figura 2 structuras topologiarum rectennarum relatarum ostendit, secundum architecturam impedantiae adaptandae digestas. Tabula 2 exempla rectennarum altae efficaciae respectu latitudinis frequentiae a fine ad finem (hoc in casu, FoM) pro singulis categoriis ostendit.
Figura 2. Topologiae Rectennae ex prospectu adaptationis latitudinis frequentiae et impedantiae. (a) Rectenna unius fasciae cum antenna normali. (b) Rectenna multifascia (composita ex multis antennis inter se conexis) cum uno rectificatore et rete adaptationis per fasciam. (c) Rectenna lata fascia cum multis portibus RF et retibus adaptationis separatis pro qualibet fascia. (d) Rectenna lata fascia cum antenna lata fascia et rete adaptationis lata fascia. (e) Rectenna unius fasciae utens antenna electrica parva directe rectificatori adaptata. (f) Antenna unius fasciae, electrica magna cum impedantia complexa ad coniungendam cum rectificatore. (g) Rectenna lata fascia cum impedantia complexa ad coniungendam cum rectificatore per seriem frequentiarum.
Quamquam WPT et RFEH ambientis e fonte dedicato diversae applicationes rectennae sunt, congruentia ab initio ad finem inter antennam, rectificatorem et onus assequi fundamentalis est ad efficientiam conversionis potentiae (PCE) magnam ex prospectu latitudinis frequentiae consequendam. Nihilominus, rectennae WPT magis in congruentia factorum qualitatis altioris (S11 inferiore) adipiscenda intendunt ad PCE unius fasciae ad certos gradus potentiae (topologiae a, e et f) emendandam. Ampla latitudinis frequentiae WPT unius fasciae immunitatem systematis contra detuning, vitia fabricationis et parasitica involucri auget. Contra, rectennae RFEH operationem multi-fascialem praeferunt et ad topologias bd et g pertinent, cum densitas spectralis potentiae (PSD) unius fasciae plerumque inferior sit.
3. Designatio antennae rectangularis
1. Rectenna frequentiae singularis
Designatio antennae unius frequentiae rectennae (topologia A) praecipue innititur designationi antennae normali, ut polarizatione lineari (LP) vel polarizatione circulari (CP) radianti in plano terrae, antenna dipola et antenna inversa F. Recenna differentialis fasciae fundatur in combinatione seriei continuae continuae (DC) configuratae cum multis unitatibus antennarum vel combinatione mixta DC et RF plurium unitatum patch.
Cum multae antennae propositae sint antennae unius frequentiae et requisitis WPT unius frequentiae satisfaciant, cum RFEH multifrequentiae environmentalis quaeritur, plures antennae unius frequentiae in rectennas multibandas (topologia B) cum suppressione mutua copulationis et combinatione DC independenti post circuitum administrationis potentiae coniunguntur ut omnino a circuitu acquisitionis et conversionis RF separentur. Hoc requirit plures circuitos administrationis potentiae pro qualibet banda, quod efficientiam convertoris amplificantis minuere potest quia potentia DC unius bandae humilis est.
2. Antennae RFEH multibandae et latae bandae
RFEH environmentalis saepe cum acquisitione multi-banda coniungitur; ergo, variae technicae propositae sunt ad latitudinem bandae designorum antennarum communium emendandam et methodi ad ordines antennarum dualis-bandae vel-bandae formandos. In hac sectione, designationes antennarum consuetudinarias pro RFEH, necnon antennas multi-bandae classicas cum potentia ut rectennae adhibeantur, recensemus.
Antennae monopolares ductuum undarum coplanarium (CPW), aream minorem quam antennae microstrip patch eadem frequentia occupant et undas LP vel CP producunt, et saepe ad rectennas ambientales latae bandae adhibentur. Plana reflexionis ad isolationem augendam et amplificandum lucrum adhibentur, quod in exemplaribus radiationis similibus antennis patch efficit. Antennae ductuum undarum coplanares sulcatae ad impedantiam latitudinis pro multis bandeis frequentiae emendandam adhibentur, ut 1.8–2.7 GHz vel 1–3 GHz. Antennae sulcatae copulatae et antennae patch etiam vulgo in designis rectennarum multibandarum adhibentur. Figura 3 quasdam antennas multibandarum relatas ostendit quae plus quam unam technicam emendationis latitudinis utuntur.
Figura III
Adaptatio Impedantiae Antennae-Rectificatoris
Antennae 50Ω rectificatori non lineari aptatio difficilis est, quia impedantia eius ingressus cum frequentia magnopere variat. In topologiis A et B (Figura 2), rete aptationis communis est aptatio LC elementis concentratis utens; tamen, latitudo frequentiae relativa plerumque inferior est quam pleraeque bandae communicationis. Aptatio antennae unius bandae vulgo adhibetur in banda micro-undarum et undarum millimetricarum infra 6 GHz, et rectennae undarum millimetricarum relatae latitudinem frequentiae natura sua angustam habent, quia latitudo frequentiae PCE earum a suppressione harmonicarum exitus impeditur, quod eas praecipue aptas reddit ad applicationes WPT unius bandae in banda sine licentia 24 GHz.
Rectennae in topologiis C et D retia adaptationis complexiora habent. Retia adaptationis linearum plene distributa ad adaptationem latae frequentiae proposita sunt, cum circuitu brevi RF/DC (filtro transeunte) ad portam exitus vel condensatore DC obstruente ut via reditus pro harmonicis diodicis. Componentes rectificatoris condensatoribus interdigitatis in tabula circuiti impressi (PCB), qui instrumentis automationis designationis electronicae commercialibus synthesizantur, substitui possunt. Alia retia adaptationis rectennarum latae frequentiae relata elementa congesta ad adaptationem cum frequentiis inferioribus et elementa distributa ad creandum circuitum breve RF ad ingressum coniungunt.
Variatio impedantiae ingressus ab onere per fontem observatae (quae methodus "source-pull" appellatur) adhibita est ad rectificatorium latitudinis frequentiae cum 57% latitudinis relativae (1.25–2.25 GHz) et 10% altiore PCE comparato cum circuitibus dispersis vel dispersis designandum. Quamquam retia adaptationis typice designantur ut antennae per totam latitudinem frequentiae 50Ω adaptentur, in litteris relationes inveniuntur ubi antennae latitudinis frequentiae rectificatoribus angustioris frequentiae connexae sunt.
Retia adaptationis hybrida elementorum cumulatorum et elementorum distributorum late in topologiis C et D adhibita sunt, cum inductoribus seriei et capacitoribus elementis cumulatis usitatissimis. Haec structuras complexas, ut capacitores interdigitatos, vitant, quae accuratiorem exemplarisationem et fabricationem requirunt quam lineae microstrip normales.
Potentia ingressa ad rectificatorem impedantiam ingressam afficit propter nonlinearitatem diodi. Ergo, rectenna designata est ad PCE (Expected Electrical Extension) amplificandum pro certo gradu potentiae ingressae et impedantiae oneris. Cum diodae imprimis sint capacitivae altae impedantiae ad frequentias infra 3 GHz, rectennae latae bandae quae retia adaptationis eliminant vel circuitus adaptationis simplificatos minimizant in frequentiis Prf > 0 dBm et supra 1 GHz intentae sunt, cum diodae impedantiam capacitivam humilem habeant et antennae bene adaptari possint, ita vitando designationem antennarum cum reactantiis ingressae > 1000Ω.
Adaptatio impedantiae adaptiva sive reconfigurabilis in rectennis CMOS visa est, ubi rete adaptationis constat ex bancis condensatorum in chip et inductoribus. Retia adaptationis CMOS statica etiam proposita sunt pro antennis 50Ω normalibus necnon antennis ansatis co-designedibus. Relatum est detectores potentiae CMOS passivos adhiberi ad moderandos interruptores qui exitum antennae ad diversos rectificatores et retia adaptationis dirigunt secundum potentiam praesto. Rete adaptationis reconfigurabile utens condensatoribus adaptabilibus cumulatis proposita est, quod adaptatur per adaptationem subtilem dum impedantia ingressus metitur utens analysatore retium vectorilium. In retibus adaptationis microstrip reconfigurabilibus, interruptores transistoris effectus campi adhibiti sunt ad adaptandos stubs adaptationis ad proprietates dualis fasciae consequendas.
Ut plura de antennis discas, quaeso visita:
Tempus publicationis: IX Augusti, MMXXIV
