Ректе́на (від — «випрямна антена») — різновид приймальної антени, призначений для безпосереднього перетворення енергії електромагнітних хвиль на енергію постійного електричного струму. Ректени застосовують у системах бездротового передавання енергії та збирання радіочастотної енергії для живлення пасивних RFID-міток, безконтактних карток, автономних давачів та інших малопотужних електронних пристроїв.
Найпростіший елемент ректени складається з дипольної антени та під'єднаного до неї високочастотного випрямного діода, зазвичай діода Шотткі. Електромагнітна хвиля наводить в антені змінний струм, який діод випрямляє для живлення під'єднаного навантаження. Для приймання більшої потужності окремі елементи ректени можуть об'єднувати в антенні решітки.
Принцип дії
Приймальна антена перетворює енергію електромагнітної хвилі на високочастотний електричний сигнал. Між антеною та випрямлячем зазвичай вмикають узгоджувальне коло, яке забезпечує передавання до випрямного елемента якомога більшої частини прийнятої потужності.
Випрямляч перетворює високочастотний сигнал на постійний струм, а вихідний фільтр згладжує випрямлену напругу. Отримана електрична енергія подається на навантаження, накопичувач енергії або перетворювач живлення. На відміну від звичайного радіоприймального тракту, ректена призначена насамперед не для виділення інформаційного сигналу, а для отримання електричної потужності постійного струму.
Будова
Приймальна антена
Вимоги до антени залежать від призначення ректени. У системах спрямованого бездротового передавання енергії частота, напрямок приходу хвилі та її поляризація зазвичай відомі, тому застосовують спрямовані антени з великим коефіцієнтом підсилення. Під час збирання енергії навколишнього радіовипромінювання розташування джерел, частоти та поляризація сигналів можуть змінюватися; для таких систем використовують антени зі широкою діаграмою спрямованості, круговою або подвійною поляризацією, а також багатодіапазонні чи широкосмугові конструкції.
У ректенах застосовують дипольні, рамкові, спіральні, щілинні та мікросмужкові антени, а також антенні решітки. Вибір конструкції визначається робочою частотою, потрібною смугою пропускання, напрямком і поляризацією хвилі, допустимими розмірами та способом інтеграції з випрямлячем. Друковані антени зручні для виготовлення ректени разом із узгоджувальним і випрямним колами на спільній підкладці.
Узгоджувальна та фільтрувальна мережа Випрямляч
Випрямляч перетворює високочастотний сигнал з антени на постійний струм. У радіочастотних і мікрохвильових ректенах найчастіше застосовують діоди Шотткі, які мають мале падіння прямої напруги, високу швидкодію та порівняно малу ємність переходу. Ці властивості дають змогу випрямляти слабкі сигнали на високих частотах із меншими втратами, ніж у звичайних напівпровідникових діодах. Вибір діода визначається робочою частотою, рівнем вхідної потужності, допустимою зворотною напругою, опором навантаження, послідовним опором і ємністю переходу.
Найпростіші випрямлячі містять один діод, увімкнений послідовно або паралельно до високочастотного тракту. Такі однопівперіодні схеми мають малу кількість компонентів і невеликі втрати, але зазвичай створюють порівняно низьку вихідну напругу. Двопівперіодні та мостові схеми використовують обидва півперіоди вхідного сигналу, проте потребують більшої кількості діодів, втрати в яких особливо помітні за малої прийнятої потужності. Для збільшення вихідної напруги також застосовують помножувачі напруги, із збільшенням кількості ступенів, однак, збільшуються і втрати.
У системах спрямованої передачі значної потужності важливішими стають допустимі струм і зворотна напруга діодів, теплові втрати та придушення гармонік
На міліметрових, терагерцових та оптичних частотах роботу звичайних діодів обмежують паразитні ємності й індуктивності. Для таких ректен досліджують інтегровані діоди Шотткі, тунельні діоди, переходи метал—ізолятор—метал та інші надшвидкі нелінійні елементи.
Вихідне коло Масиви ректен
Ефективність і характеристики
За достатньо великої густини падаючої потужності мікрохвильові ректени можуть перетворювати на постійний струм понад 80 % прийнятої радіочастотної потужності. Так, під час експерименту на полігоні Голдстоун 1975 року решітка ректен площею 24 м², розташована на відстані 1,54 км від передавача, виробляла близько 30 кВт постійного струму. Розрахунковий коефіцієнт перетворення прийнятого випромінювання перевищував 80% В окремому експерименті 1998 року елемент ректени на частоті 5,8 ГГц досяг RF–DC-ефективності 82 % за вхідної потужності 50 мВт.
Такі значення отримують у системах спрямованого передавання енергії, де частота, напрямок і поляризація хвилі відомі, а потужність на вході випрямляча є порівняно великою. За слабких сигналів ефективність помітно знижується. Наприклад, компактна ректена на частоті 868 МГц показала 22,5 % за вхідної потужності близько 13 мкВт.
У пасивних UHF RFID-системах практичною характеристикою часто є не ККД, а мінімальна потужність, потрібна для запуску мікросхеми. Для сучасних серійних RFID-мікросхем чутливість читання може становити близько −24 дБм, тобто приблизно 4 мкВт на вході за узгодженої антени. Такий поріг означає можливість живлення самої мікросхеми та передавання відповіді методом зворотного розсіювання, але не наявність порівнянної потужності для зовнішнього навантаження.
У дослідній системі живлення імплантованого пристрою окремий випрямляч досягав RF–DC-ефективності 90 % за потужності 2 дБм, тоді як ефективність усього каналу передавання через тканини на частоті 1,47 ГГц становила лише 0,67 %.
Різновиди Однодіапазонні, багатодіапазонні та широкосмугові За поляризацією та напрямком приймання Радіочастотні та мікрохвильові ректени Оптичні ректени .
Застосування
Спрямоване бездротове передавання енергії
У системах спрямованого бездротового передавання енергії спеціальний передавач формує радіочастотний або мікрохвильовий промінь, який спрямовують на ректену. Оскільки частота, напрямок і поляризація випромінювання заздалегідь відомі, приймальну антену та випрямляч можна оптимізувати для конкретного режиму роботи. Залежно від необхідної потужності застосовують як окремі ректени, так і великі масиви з багатьох приймально-випрямних елементів.
Такі системи досліджують для живлення віддалених і мобільних пристроїв, літальних апаратів та передавання енергії від космічних сонячних електростанцій. Можливість передавання значної потужності була продемонстрована 1975 року на полігоні Голдстоун, де розташована на відстані 1,54 км ректенна решітка виробляла до 30,4 кВт постійного струму. Практичну ефективність повної системи при цьому обмежують ККД передавача, розсіювання променя, точність наведення та частка випромінювання, яку перехоплює приймальна апертура.
Збирання радіочастотної енергії
Основною сферою застосування цього способу є живлення електроніки наднизького енергоспоживання: автономних давачів, безбатарейних систем моніторингу, інтелектуальних етикеток і малопотужних вузлів Інтернету речей. Особливо корисними такі системи є там, де прокладання кабелю або регулярна заміна батарей ускладнені: усередині будівельних конструкцій, на промисловому обладнанні, у віддалених чи масово розміщених давачах.
Характерним прикладом є безбатарейний вузол, який накопичує енергію радіовипромінювання, періодично вмикається, вимірює температуру, вологість або вібрацію, передає коротке повідомлення і знову переходить у режим очікування. Такий режим дає змогу виконувати корисні вимірювання навіть тоді, коли середньої зібраної потужності недостатньо для безперервної роботи пристрою.
Джерелом енергії можуть бути сигнали радіо- і телевізійних передавачів, базових станцій мобільного зв'язку, мереж Wi-Fi та інших радіосистем. Потужність такого фонового випромінювання зазвичай невелика і змінюється залежно від місця, часу та розташування передавачів, тому ректену доповнюють накопичувачем енергії та схемою керування живленням. Для приймання кількох непередбачуваних джерел застосовують багатодіапазонні або широкосмугові антени й конструкції, менш чутливі до напрямку та поляризації хвилі.
RFID та пасивна електроніка
У пасивних UHF RFID-мітках енергія сигналу зчитувача використовується для живлення мікросхеми самої мітки. Антена разом із вбудованим випрямлячем утворює ректену, яка заряджає внутрішню ємність і забезпечує роботу логічної схеми. Відповідь передається переважно методом зворотного розсіювання: мікросхема змінює навантаження антени та модулює відбитий сигнал, не створюючи власного радіочастотного випромінювання.
Подібний принцип застосовують у безбатарейних давачах, пасивних радіомаяках, інтелектуальних етикетках та мережах зворотного розсіювання. Ректена може безпосередньо живити мікросхему або накопичувати енергію між короткими циклами вимірювання і передавання даних. Для таких пристроїв особливо важливими є мінімальна напруга запуску, споживання електроніки в режимі очікування та здатність працювати за слабкого сигналу.
Історія
Обмеження
Див. також
Примітки
Джерела
Зовнішні посилання
https://focus.ua/uk/digital/654122-peredacha-energiji-povitryam-yak-mikrohvili-mogli-b-zaryadzhati-droni-i-litaki-na-lotu
http://rt.nure.ua/article/view/299760/292274 - Ректени систем збору електромагнітної енергії з навколишнього простору