Развитие технологии беспроводных систем и потребности в маломощных интегральных электронных схемах, сопровождаются тенденцией к изучению новых возможностей питания таких схем. В частности, рассматриваются возможности питания за счёт сбора свободной энергии из окружающего электромагнитного пространства или от специального источника радиочастоты. Большое внимание сейчас уделяется технологиям сбора и беспроводной передачи энергии как экологически чистым и возобновляемым энергетическим источникам. Одной из технологий здесь рассматривается система ректенна (Rectenna) — выпрямляющая антенна.
СОДЕРЖИМОЕ ПУБЛИКАЦИИ :
Система ректенна – обзор возможных схемных решений
Ректенна вполне допускает как устройство использование, к примеру, для беспроводной зарядки аккумуляторов нескольких сенсорных сетей «Интернета вещей» (IoT). Такие устройства обычно используются:
- в составе «умного» дома,
- в конструкциях имплантированных медицинских устройств,
- в приложениях автомобильного назначения и т.д.
Ректенна применяется для преобразования радиочастотной энергии в полезную электрическую энергию постоянного тока. Соответственно, конструкция в основном представляет комбинацию приёмной антенны и электронной схемы выпрямителя (детектора).
Рассмотрим несколько конструкций одно- и многополосных ректенн, обладающих различными техническими характеристиками, как инструмент сбора и преобразования энергии. Одно- и многополосные антенны, а также схемы выпрямителя, дополненные согласующими цепями, представлены как законченные действующие модели полноценных схем выпрямителей.
Беспроводная передача энергии тремя категориями
Беспроводную передачу энергии – БПЭ или WPT (Wireless Power Transmission) условно можно разделить на три разные категории:
- Индуктивная или резонансная связь в ближнем поле,
- Директивное (направленное) питание в дальней зоне.
- Сбор энергии окружающей среды в дальней зоне.
Для первой категории действие обычно происходит между двумя катушками, одна из которых выступает первичной, другая — вторичной. Основная цель системы — передача мощности от первичной обмотки вторичной обмотке, удалённых одна от другой (обычно не более, чем на несколько сантиметров).
Для этого типа беспроводной передачи энергии предлагается множество различных конструкций на основе так называемых дефектных наземных структур – ДНС или DGS (Defected Ground Structure). Главная цель — получение высокоэффективной связанной системы.
Вторая категория БПЭ — это директивное питание в дальней зоне, используемое с директивной передачей мощности. То есть передача происходит в дальней зоне, но с чётко определённым направлением источника. Этот вид беспроводной передачи энергии полезен для применений в качестве спутниковой солнечной энергии (SPS).
Или же допустим вариант с преднамеренным питанием, таким как использование выделенного источника, с хорошо известным направлением для питания сети беспроводных датчиков. Каждый датчик имеет встроенную ректенну, выступающую источником питания возобновляемой энергией этого подключенного датчика.
Третья категория БПЭ — сбор энергии в дальней зоне. При этом направление принимаемой мощности остаётся неизвестным. Таким образом, одна из основных целей разработки устройств этой категории беспроводной передачи энергии — увеличение вероятности приёма мощности. Делается это путём разработки антенн, обладающих широкой шириной луча и множественными (широкополосными) резонансными частотами.
Ректенна: плюсы и минусы каждой категории
Беспроводная передача энергии ближним полем предлагает решение для питания электронных устройств на малых расстояниях. Эта технология становится широко распространяемой в коммерческом секторе для использования в нескольких беспроводных решениях.
Передача ближним полем также рассматривается полезной технологией для беспроводных медицинских имплантируемых устройств. Тем не менее, БПЭ ближнего поля имеет серьёзную проблему в отношении дальности передачи энергии. Здесь охватываются только очень короткие расстояния (буквально — несколько сантиметров).
С другой стороны, схема питания выделенного источника в дальней зоне или метод свободного внешнего питания способны решить эту проблему по причине возможности зарядки на большом расстоянии.
Научным сообществом представлен ряд исследований, касающихся сбора беспроводной энергии. Несмотря на то, что большое внимание уделяется беспроводному сбору энергии, существует масса препятствий на пути к сбору энергии из безвозмездных (бесплатных) источников.
Одна из главных проблем — низкие уровни входной мощности окружающей энергии. Поэтому большое число исследовательских работ посвящено именно ректеннам под низкие уровни входной мощности.
Между тем, однополосные ректенны имеют простую структуру. Многими исследователями изучались многополосные ректенны в качестве пробного увеличения принимаемой мощности сглаживания с помощью того же самого устройства ректенна.
Ректенна низкой входной принимаемой мощности
Одна из маломощных ректенн — компактная двухдиапазонная конструкция, показана на картинке ниже. Ректенна имеет эффективность преобразования 37% и 30% на частотах 915 МГц и 2,45 ГГц, соответственно. Достижим такой результат при входной мощности 9 дБм/Вт и резистивной нагрузке 2,2 кОм.
Двухдиапазонная ректенна с использованием антенны Yagi для применений с низкой входной мощностью, показана на следующей картинке. Конструкция предлагает приемлемые значения для эффективности преобразования, уровень которой достигает до 34% на частоте 1,84 ГГц и 30% на частоте 2,14 ГГц для уровня входной мощности 20 дБм/Вт.
Комбинацию сбора солнечной и радиочастотной энергии представляет очередная конструкция, так называемая «солнечная» ректенна. Система такого типа обеспечивает эффективность преобразования RF-DC 15% при входной мощности 20 дБм/Вт на частотах 850 МГц и 2,45 ГГц, соответственно. Используется КМОП-выпрямитель длиной волны 130 нм для сверхнизкой входной мощности.
В целом разработано и применяется на практике достаточно большое конструкционное разнообразие подобных систем. При желании всегда есть возможность подобрать схему ректенны для требуемой мощности и под конкретное применение. Здесь отмечены лишь основы технологии и небольшое число примеров чисто для поверхностного знакомства.
При помощи информации: IntechOpen