1.はじめに
無線周波数 (RF) エネルギーハーベスティング (RFEH) と放射無線電力伝送 (WPT) は、バッテリー不要の持続可能な無線ネットワークを実現する方法として大きな関心を集めています。レクテナは WPT および RFEH システムの基礎であり、負荷に供給される DC 電力に大きな影響を与えます。レクテナのアンテナ要素は収集効率に直接影響し、収集される電力が数桁変化する可能性があります。このペーパーでは、WPT およびアンビエント RFEH アプリケーションで採用されているアンテナ設計をレビューします。報告されたレクテナは、アンテナ整流インピーダンス帯域幅とアンテナの放射特性という 2 つの主な基準に従って分類されます。各基準について、さまざまな用途の性能指数 (FoM) が決定され、比較検討されます。
WPT は、20 世紀初頭にテスラによって数千馬力を伝送する方法として提案されました。レクテナという用語は、RF 電力を収集するために整流器に接続されたアンテナを指し、1950 年代に宇宙マイクロ波電力伝送用途や自律型ドローンに電力を供給するために登場しました。全方向性、長距離 WPT は、伝播媒体 (空気) の物理的特性によって制約されます。したがって、商用 WPT は主に、家庭用電化製品のワイヤレス充電または RFID のための近距離非放射電力伝送に限定されています。
半導体デバイスとワイヤレス センサー ノードの消費電力が減少し続けるにつれて、アンビエント RFEH または分散型低電力全方向性送信機を使用してセンサー ノードに電力を供給することがより現実的になってきています。超低電力ワイヤレス パワー システムは通常、RF 取得フロント エンド、DC 電源とメモリ管理、低電力マイクロプロセッサとトランシーバで構成されます。
図 1 は、RFEH ワイヤレス ノードのアーキテクチャと、一般的に報告されている RF フロントエンドの実装を示しています。ワイヤレス電力システムのエンドツーエンドの効率と、同期されたワイヤレス情報および電力伝送ネットワークのアーキテクチャは、アンテナ、整流器、電力管理回路などの個々のコンポーネントの性能に依存します。システムのさまざまな部分について、いくつかの文献調査が実施されました。表 1 は、電力変換段階、効率的な電力変換のための主要コンポーネント、および各部分の関連文献調査をまとめたものです。最近の文献は、電力変換技術、整流器トポロジ、またはネットワーク対応 RFEH に焦点を当てています。
図1
ただし、アンテナ設計は RFEH では重要なコンポーネントとはみなされません。一部の文献では、アンテナの帯域幅と効率を全体的な観点から、または小型アンテナやウェアラブル アンテナなどの特定のアンテナ設計の観点から検討していますが、特定のアンテナ パラメータが電力受信や変換効率に及ぼす影響は詳細には分析されていません。
このペーパーでは、RFEH および WPT 固有のアンテナ設計の課題を標準の通信アンテナ設計から区別することを目的として、レクテナのアンテナ設計手法をレビューします。アンテナは、エンドツーエンドのインピーダンス整合と放射特性の 2 つの観点から比較されます。いずれの場合も、FoM は最先端 (SoA) アンテナで識別され、レビューされます。
2. 帯域幅とマッチング: 非 50Ω RF ネットワーク
50Ω という特性インピーダンスは、マイクロ波工学アプリケーションにおける減衰と電力の間の妥協点について初期に考慮されたものです。アンテナでは、インピーダンス帯域幅は、反射電力が 10% 未満となる周波数範囲 (S11< - 10 dB) として定義されます。低ノイズアンプ (LNA)、パワーアンプ、および検波器は通常、50Ω の入力インピーダンス整合を考慮して設計されているため、伝統的に 50Ω ソースが基準とされています。
レクテナでは、アンテナの出力が整流器に直接供給され、ダイオードの非直線性により、容量成分が支配的な状態で入力インピーダンスに大きな変動が生じます。 50Ω アンテナを想定すると、主な課題は、追加の RF マッチング ネットワークを設計して、入力インピーダンスを対象の周波数での整流器のインピーダンスに変換し、特定の電力レベルに合わせて最適化することです。この場合、効率的な RF から DC への変換を保証するには、エンドツーエンドのインピーダンス帯域幅が必要です。したがって、アンテナは周期的要素または自己相補的な形状を使用して理論的には無限または超広帯域幅を実現できますが、レクテナの帯域幅は整流器整合ネットワークによってボトルネックになります。
反射を最小限に抑え、アンテナと整流器間の電力伝送を最大化することにより、シングルバンドおよびマルチバンドのハーベスティングまたは WPT を実現するために、いくつかのレクテナ トポロジが提案されています。図 2 は、報告されているレクテナ トポロジの構造を、インピーダンス マッチング アーキテクチャによって分類して示しています。表 2 は、各カテゴリのエンドツーエンド帯域幅 (この場合は FoM) に関する高性能レクテナの例を示しています。
図 2 帯域幅とインピーダンス整合の観点から見たレクテナ トポロジ。 (a) 標準アンテナを備えたシングルバンド レクテナ。 (b) 帯域ごとに 1 つの整流器と整合ネットワークを備えたマルチバンド レクテナ (相互に結合された複数のアンテナで構成される)。 (c) 複数の RF ポートと各帯域の個別のマッチング ネットワークを備えたブロードバンド レクテナ。 (d) 広帯域アンテナと広帯域整合ネットワークを備えた広帯域レクテナ。 (e) 整流器に直接整合する電気的に小さなアンテナを使用するシングルバンド レクテナ。 (f) 整流器と共役する複素インピーダンスを備えた単一バンドの電気的に大きなアンテナ。 (g) 周波数範囲にわたって整流器と共役する複素インピーダンスを備えた広帯域レクテナ。
WPT と専用フィードからのアンビエント RFEH は異なるレクテナ アプリケーションですが、帯域幅の観点から高い電力変換効率 (PCE) を達成するには、アンテナ、整流器、負荷間のエンドツーエンドのマッチングを達成することが基本です。それにもかかわらず、WPT レクテナは、特定の電力レベル (トポロジー a、e、f) でのシングルバンド PCE を向上させるために、より高い品質係数マッチング (より低い S11) を達成することに重点を置いています。シングルバンド WPT の広帯域幅により、システムの離調、製造欠陥、パッケージング寄生に対する耐性が向上します。一方、RFEH レクテナはマルチバンド動作を優先し、単一バンドのパワー スペクトル密度 (PSD) が一般的に低いため、トポロジ bd および g に属します。
3. 長方形アンテナ設計
1. 単一周波数レクテナ
単一周波数レクテナ (トポロジ A) のアンテナ設計は、主に、グランド プレーン上の直線偏波 (LP) または円偏波 (CP) 放射パッチ、ダイポール アンテナ、逆 F アンテナなどの標準的なアンテナ設計に基づいています。差動帯域レクテナは、複数のアンテナ ユニットで構成された DC 組み合わせアレイ、または複数のパッチ ユニットの DC と RF の混合組み合わせに基づいています。
提案されているアンテナの多くは単一周波数アンテナであり、単一周波数 WPT の要件を満たしているため、環境マルチ周波数 RFEH を求める場合は、複数の単一周波数アンテナを結合して相互結合抑制機能を備えたマルチバンド レクテナ (トポロジー B) となります。電源管理回路の後に独立した DC を組み合わせて、RF 取得および変換回路から完全に分離します。これには、帯域ごとに複数の電力管理回路が必要ですが、単一帯域の DC 電力が低いため、昇圧コンバータの効率が低下する可能性があります。
2. マルチバンドおよびブロードバンド RFEH アンテナ
環境 RFEH は、多くの場合、マルチバンド取得に関連しています。したがって、標準アンテナ設計の帯域幅を改善するためのさまざまな技術や、デュアルバンドまたはバンド アンテナ アレイを形成する方法が提案されています。このセクションでは、RFEH 用のカスタム アンテナ設計と、レクテナとして使用できる可能性のある従来のマルチバンド アンテナについて検討します。
コプレーナ導波管 (CPW) モノポール アンテナは、同じ周波数のマイクロストリップ パッチ アンテナより占有面積が小さく、LP 波または CP 波を生成するため、広帯域環境レクテナによく使用されます。反射面を使用して分離を高め、ゲインを向上させると、パッチ アンテナと同様の放射パターンが得られます。スロット付きコプレーナ導波管アンテナは、1.8 ～ 2.7 GHz や 1 ～ 3 GHz などの複数の周波数帯域のインピーダンス帯域幅を改善するために使用されます。結合給電スロット アンテナとパッチ アンテナも、マルチバンド レクテナ設計で一般的に使用されます。図 3 は、複数の帯域幅改善技術を利用したいくつかの報告されたマルチバンド アンテナを示しています。
図3
アンテナと整流器のインピーダンス整合
50Ω アンテナの入力インピーダンスは周波数によって大きく変化するため、50Ω アンテナを非線形整流器に整合させることは困難です。トポロジ A および B (図 2) では、共通のマッチング ネットワークは集中要素を使用した LC マッチングです。ただし、相対的な帯域幅は通常、ほとんどの通信帯域よりも低くなります。シングルバンド スタブ マッチングは、6 GHz 未満のマイクロ波およびミリ波帯で一般的に使用されており、報告されているミリ波レクテナは、PCE 帯域幅が出力高調波抑制によってボトルネックになっているため、本質的に帯域幅が狭く、特に単一帯域のスタブ マッチングに適しています。 24 GHz アンライセンスバンドの WPT アプリケーション。
トポロジ C および D のレクテナには、より複雑なマッチング ネットワークがあります。出力ポートでの RF ブロック/DC 短絡 (パス フィルター) またはダイオード高調波のリターン パスとしての DC ブロッキング コンデンサを備えた、広帯域整合用の完全分散型線路整合ネットワークが提案されています。整流器コンポーネントは、市販の電子設計自動化ツールを使用して合成されるプリント回路基板 (PCB) インターデジット コンデンサーで置き換えることができます。他の報告されている広帯域レクテナ整合ネットワークは、より低い周波数に整合するための集中素子と、入力で RF ショートを生成するための分散素子を組み合わせています。
ソースを介して負荷によって観測される入力インピーダンスを変化させる (ソースプル技術として知られている) ことは、集中回路または分散回路と比較して 57% の相対帯域幅 (1.25 ～ 2.25 GHz) と 10% 高い PCE を備えた広帯域整流器を設計するために使用されています。 。整合ネットワークは通常、50Ω 帯域幅全体にわたってアンテナを整合するように設計されていますが、文献には広帯域アンテナが狭帯域整流器に接続されているという報告があります。
ハイブリッド集中素子および分散素子整合ネットワークはトポロジ C および D で広く使用されており、直列インダクタとコンデンサが最も一般的に使用される集中素子です。これらにより、標準のマイクロストリップ ラインよりも正確なモデリングと製造が必要な、インターデジット コンデンサなどの複雑な構造が回避されます。
整流器への入力電力は、ダイオードの非直線性により入力インピーダンスに影響を与えます。したがって、レクテナは、特定の入力電力レベルと負荷インピーダンスに対して PCE を最大化するように設計されています。ダイオードは主に 3 GHz 未満の周波数では容量性の高インピーダンスであるため、ダイオードの容量性インピーダンスが低く、十分に整合できるため、整合ネットワークを排除するか、単純化された整合回路を最小限に抑える広帯域レクテナは、Prf>0 dBm および 1 GHz を超える周波数に焦点を当ててきました。これにより、入力リアクタンスが 1,000Ω を超えるアンテナの設計が回避されます。
適応型または再構成可能なインピーダンス整合は、整合ネットワークがオンチップのコンデンサ バンクとインダクタで構成される CMOS レクテナで見られます。静的 CMOS マッチング ネットワークは、標準の 50Ω アンテナや共同設計されたループ アンテナに対しても提案されています。パッシブ CMOS 電力検出器は、利用可能な電力に応じてアンテナの出力をさまざまな整流器および整合ネットワークに向けるスイッチを制御するために使用されることが報告されています。ベクトルネットワークアナライザを用いて入力インピーダンスを測定しながら微調整することにより調整可能な集中同調コンデンサを用いた再構成可能な整合回路網が提案されている。再構成可能なマイクロストリップマッチングネットワークでは、デュアルバンド特性を実現するためにマッチングスタブを調整するために電界効果トランジスタスイッチが使用されてきました。
アンテナの詳細については、次のサイトをご覧ください。
投稿時刻: 2024 年 8 月 9 日
