1.Introduction
La récupération d'énergie par radiofréquence (RF) (RFEH) et le transfert de puissance radiatif sans fil (WPT) ont suscité un grand intérêt en tant que méthodes permettant de réaliser des réseaux sans fil durables sans batterie. Les Rectennas sont la pierre angulaire des systèmes WPT et RFEH et ont un impact significatif sur la puissance CC fournie à la charge. Les éléments d'antenne de la rectenne affectent directement l'efficacité de la récolte, ce qui peut faire varier la puissance récoltée de plusieurs ordres de grandeur. Cet article passe en revue les conceptions d'antennes utilisées dans les applications WPT et RFEH ambiantes. Les rectennas rapportées sont classées selon deux critères principaux : la bande passante de l'impédance de redressement de l'antenne et les caractéristiques de rayonnement de l'antenne. Pour chaque critère, le facteur de mérite (FoM) des différentes candidatures est déterminé et examiné de manière comparative.
Le WPT a été proposé par Tesla au début du 20e siècle comme méthode permettant de transmettre des milliers de chevaux. Le terme rectenna, qui décrit une antenne connectée à un redresseur pour récolter de l'énergie RF, est apparu dans les années 1950 pour les applications spatiales de transmission de puissance par micro-ondes et pour alimenter des drones autonomes. Le WPT omnidirectionnel à longue portée est limité par les propriétés physiques du milieu de propagation (air). Par conséquent, le WPT commercial se limite principalement au transfert de puissance non radiative en champ proche pour le chargement sans fil d’appareils électroniques grand public ou RFID.
À mesure que la consommation électrique des dispositifs à semi-conducteurs et des nœuds de capteurs sans fil continue de diminuer, il devient plus possible d'alimenter les nœuds de capteurs à l'aide du RFEH ambiant ou d'émetteurs omnidirectionnels distribués de faible puissance. Les systèmes d'alimentation sans fil à très faible consommation se composent généralement d'un frontal d'acquisition RF, d'une alimentation CC et d'une gestion de la mémoire, ainsi que d'un microprocesseur et d'un émetteur-récepteur de faible consommation.
La figure 1 montre l'architecture d'un nœud sans fil RFEH et les implémentations frontales RF couramment signalées. L'efficacité de bout en bout du système d'alimentation sans fil et l'architecture du réseau de transfert d'informations et d'énergie sans fil synchronisé dépendent des performances de composants individuels, tels que les antennes, les redresseurs et les circuits de gestion de l'énergie. Plusieurs études de littérature ont été menées pour différentes parties du système. Le tableau 1 résume l'étape de conversion de puissance, les composants clés pour une conversion de puissance efficace et les études de littérature associées pour chaque partie. La littérature récente se concentre sur la technologie de conversion de puissance, les topologies de redresseurs ou le RFEH sensible au réseau.
Figure 1
Cependant, la conception de l’antenne n’est pas considérée comme un élément critique du RFEH. Bien que certaines publications considèrent la bande passante et l'efficacité de l'antenne d'un point de vue global ou d'une perspective spécifique de conception d'antenne, comme les antennes miniaturisées ou portables, l'impact de certains paramètres d'antenne sur la réception de puissance et l'efficacité de conversion n'est pas analysé en détail.
Cet article passe en revue les techniques de conception d'antennes dans les rectennes dans le but de distinguer les défis de conception d'antennes spécifiques au RFEH et au WPT de la conception d'antennes de communication standard. Les antennes sont comparées sous deux angles : l'adaptation d'impédance et les caractéristiques de rayonnement de bout en bout ; dans chaque cas, le FoM est identifié et examiné dans les antennes de pointe (SoA).
2. Bande passante et adaptation : réseaux RF non 50 Ω
L'impédance caractéristique de 50 Ω est l'une des premières considérations du compromis entre atténuation et puissance dans les applications d'ingénierie micro-ondes. Dans les antennes, la bande passante d'impédance est définie comme la plage de fréquences où la puissance réfléchie est inférieure à 10 % (S11 < − 10 dB). Étant donné que les amplificateurs à faible bruit (LNA), les amplificateurs de puissance et les détecteurs sont généralement conçus avec une adaptation d'impédance d'entrée de 50 Ω, une source de 50 Ω est traditionnellement référencée.
Dans une rectenne, la sortie de l'antenne est directement injectée dans le redresseur, et la non-linéarité de la diode provoque une forte variation de l'impédance d'entrée, la composante capacitive étant dominante. En supposant une antenne de 50 Ω, le principal défi consiste à concevoir un réseau d'adaptation RF supplémentaire pour transformer l'impédance d'entrée en impédance du redresseur à la fréquence d'intérêt et l'optimiser pour un niveau de puissance spécifique. Dans ce cas, une bande passante d'impédance de bout en bout est nécessaire pour garantir une conversion RF vers DC efficace. Par conséquent, bien que les antennes puissent théoriquement atteindre une bande passante infinie ou ultra-large en utilisant des éléments périodiques ou une géométrie auto-complémentaire, la bande passante de la rectenne sera goulot d'étranglement par le réseau d'adaptation des redresseurs.
Plusieurs topologies de rectenne ont été proposées pour réaliser une récolte monobande et multibande ou WPT en minimisant les réflexions et en maximisant le transfert de puissance entre l'antenne et le redresseur. La figure 2 montre les structures des topologies de rectenne rapportées, classées selon leur architecture d'adaptation d'impédance. Le tableau 2 montre des exemples de rectennas hautes performances en ce qui concerne la bande passante de bout en bout (dans ce cas, FoM) pour chaque catégorie.
Figure 2 Topologies Rectenna du point de vue de l'adaptation de la bande passante et de l'impédance. (a) Rectenne monobande avec antenne standard. (b) Rectenne multibande (composée de plusieurs antennes couplées mutuellement) avec un redresseur et un réseau d'adaptation par bande. (c) Rectenne à large bande avec plusieurs ports RF et réseaux d'adaptation séparés pour chaque bande. (d) Rectenne à large bande avec antenne à large bande et réseau d'adaptation à large bande. (e) Rectenne monobande utilisant une petite antenne électriquement adaptée directement au redresseur. (f) Antenne monobande, électriquement grande, avec une impédance complexe à conjuguer avec le redresseur. (g) Rectenne à large bande avec impédance complexe à conjuguer avec le redresseur sur une gamme de fréquences.
Bien que le WPT et le RFEH ambiant provenant d'une alimentation dédiée soient des applications de rectenna différentes, il est fondamental d'obtenir une correspondance de bout en bout entre l'antenne, le redresseur et la charge pour obtenir un rendement de conversion de puissance (PCE) élevé du point de vue de la bande passante. Néanmoins, les rectennas WPT se concentrent davantage sur l'obtention d'une adaptation de facteur de qualité supérieure (S11 inférieur) afin d'améliorer le PCE monobande à certains niveaux de puissance (topologies a, e et f). La large bande passante du WPT monobande améliore l'immunité du système contre le désaccord, les défauts de fabrication et les parasites d'emballage. D'autre part, les rectennas RFEH privilégient le fonctionnement multibande et appartiennent aux topologies bd et g, car la densité spectrale de puissance (PSD) d'une seule bande est généralement plus faible.
3. Conception d'antenne rectangulaire
1. Rectenne monofréquence
La conception de l'antenne de la rectenna monofréquence (topologie A) est principalement basée sur la conception d'antenne standard, telle qu'une plaque rayonnante à polarisation linéaire (LP) ou à polarisation circulaire (CP) sur le plan de masse, une antenne dipôle et une antenne F inversée. La rectenna à bande différentielle est basée sur un réseau combiné DC configuré avec plusieurs unités d'antenne ou une combinaison mixte DC et RF de plusieurs unités de patch.
Étant donné que la plupart des antennes proposées sont des antennes monofréquence et répondent aux exigences du TESF monofréquence, lors de la recherche d'un RFEH multifréquence environnemental, plusieurs antennes monofréquence sont combinées en rectennas multibandes (topologie B) avec suppression de couplage mutuel et combinaison cc indépendante après le circuit de gestion de l'alimentation pour les isoler complètement du circuit d'acquisition et de conversion RF. Cela nécessite plusieurs circuits de gestion de puissance pour chaque bande, ce qui peut réduire l'efficacité du convertisseur élévateur car la puissance CC d'une seule bande est faible.
2. Antennes RFEH multibandes et large bande
Le RFEH environnemental est souvent associé à l'acquisition multibande ; par conséquent, diverses techniques ont été proposées pour améliorer la bande passante des conceptions d'antennes standard et des procédés pour former des réseaux d'antennes à double bande ou à bande. Dans cette section, nous passons en revue les conceptions d'antennes personnalisées pour les RFEH, ainsi que les antennes multibandes classiques pouvant être utilisées comme rectennes.
Les antennes monopôles à guide d'ondes coplanaire (CPW) occupent moins de surface que les antennes patch microruban à la même fréquence et produisent des ondes LP ou CP, et sont souvent utilisées pour les rectennas environnementales à large bande. Les plans de réflexion sont utilisés pour augmenter l'isolation et améliorer le gain, ce qui donne lieu à des diagrammes de rayonnement similaires à ceux des antennes patch. Les antennes à guide d'ondes coplanaire à fentes sont utilisées pour améliorer les bandes passantes d'impédance pour plusieurs bandes de fréquences, telles que 1,8 à 2,7 GHz ou 1 à 3 GHz. Les antennes à fentes à alimentation couplée et les antennes patch sont également couramment utilisées dans les conceptions de rectennas multibandes. La figure 3 montre certaines antennes multibandes signalées qui utilisent plusieurs techniques d'amélioration de la bande passante.
Figure 3
Adaptation d'impédance antenne-redresseur
Faire correspondre une antenne de 50 Ω à un redresseur non linéaire est un défi car son impédance d'entrée varie considérablement avec la fréquence. Dans les topologies A et B (Figure 2), le réseau de correspondance commun est une correspondance LC utilisant des éléments regroupés ; cependant, la bande passante relative est généralement inférieure à celle de la plupart des bandes de communication. L'adaptation de stub à bande unique est couramment utilisée dans les bandes de micro-ondes et d'ondes millimétriques inférieures à 6 GHz, et les rectennas à ondes millimétriques signalées ont une bande passante intrinsèquement étroite car leur bande passante PCE est goulot d'étranglement par la suppression des harmoniques de sortie, ce qui les rend particulièrement adaptés aux applications à bande unique. applications TESF dans la bande sans licence des 24 GHz.
Les rectennas des topologies C et D ont des réseaux d'adaptation plus complexes. Des réseaux d'adaptation de ligne entièrement distribués ont été proposés pour l'adaptation à large bande, avec un bloc RF/court-circuit DC (filtre passe-partout) au port de sortie ou un condensateur de blocage DC comme chemin de retour pour les harmoniques de diode. Les composants du redresseur peuvent être remplacés par des condensateurs interdigités sur carte de circuit imprimé (PCB), qui sont synthétisés à l’aide d’outils commerciaux d’automatisation de la conception électronique. D'autres réseaux d'adaptation de rectenna à large bande signalés combinent des éléments groupés pour l'adaptation aux fréquences inférieures et des éléments distribués pour créer un court-circuit RF à l'entrée.
La variation de l'impédance d'entrée observée par la charge à travers une source (connue sous le nom de technique de source-pull) a été utilisée pour concevoir un redresseur à large bande avec une bande passante relative de 57 % (1,25 à 2,25 GHz) et un PCE 10 % plus élevé par rapport aux circuits localisés ou distribués. . Bien que les réseaux d'adaptation soient généralement conçus pour adapter les antennes sur toute la bande passante de 50 Ω, il existe des rapports dans la littérature dans lesquels des antennes à large bande ont été connectées à des redresseurs à bande étroite.
Les réseaux hybrides d'adaptation d'éléments localisés et d'éléments distribués ont été largement utilisés dans les topologies C et D, les inductances et condensateurs en série étant les éléments localisés les plus couramment utilisés. Ceux-ci évitent les structures complexes telles que les condensateurs interdigités, qui nécessitent une modélisation et une fabrication plus précises que les lignes microruban standard.
La puissance d'entrée du redresseur affecte l'impédance d'entrée en raison de la non-linéarité de la diode. Par conséquent, la rectenna est conçue pour maximiser le PCE pour un niveau de puissance d’entrée et une impédance de charge spécifiques. Étant donné que les diodes sont principalement capacitives à haute impédance à des fréquences inférieures à 3 GHz, les redresseurs à large bande qui éliminent les réseaux d'adaptation ou minimisent les circuits d'adaptation simplifiés se sont concentrés sur les fréquences Prf>0 dBm et supérieures à 1 GHz, car les diodes ont une faible impédance capacitive et peuvent être bien adaptées. à l'antenne, évitant ainsi la conception d'antennes avec des réactances d'entrée > 1 000 Ω.
Une adaptation d'impédance adaptative ou reconfigurable a été observée dans les redresseurs CMOS, où le réseau d'adaptation se compose de batteries de condensateurs et d'inductances sur puce. Des réseaux d'adaptation CMOS statiques ont également été proposés pour les antennes standard de 50 Ω ainsi que pour les antennes-cadres co-conçues. Il a été rapporté que des détecteurs de puissance CMOS passifs sont utilisés pour contrôler les commutateurs qui dirigent la sortie de l'antenne vers différents redresseurs et réseaux d'adaptation en fonction de la puissance disponible. Un réseau d'adaptation reconfigurable utilisant des condensateurs accordables localisés a été proposé, qui est réglé par réglage fin tout en mesurant l'impédance d'entrée à l'aide d'un analyseur de réseau vectoriel. Dans les réseaux d'adaptation microruban reconfigurables, des commutateurs à transistors à effet de champ ont été utilisés pour ajuster les talons d'adaptation afin d'obtenir des caractéristiques bi-bande.
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Heure de publication : 09 août 2024
