Antenna-egyenirányító közös tervezés
A 2. ábrán látható EG topológiát követő rectennák jellemzője, hogy az antenna közvetlenül az egyenirányítóhoz van illesztve, szemben az 50Ω-os szabványsal, amely megköveteli az egyenirányító táplálásához szükséges illesztő áramkör minimalizálását vagy megszüntetését. Ez a szakasz a nem 50Ω-os antennákkal rendelkező SoA rectennák és az illesztő hálózatok nélküli rectennák előnyeit tekinti át.
1. Elektromosan kis antennák
Az LC rezonáns gyűrűantennákat széles körben alkalmazzák olyan alkalmazásokban, ahol a rendszer mérete kritikus fontosságú. 1 GHz alatti frekvenciákon a hullámhossz miatt a szabványos elosztott elemantennák több helyet foglalhatnak el, mint a rendszer teljes mérete, és az olyan alkalmazások, mint a teljesen integrált adó-vevők testbeültetésekhez, különösen előnyösek az elektromosan kis antennák használata a vezeték nélküli antennákhoz (WPT).
A kis antenna nagy induktív impedanciája (közel rezonancia) felhasználható az egyenirányító közvetlen összekapcsolására, vagy egy további, chipre integrált kapacitív illesztő hálózattal. Elektromosan kis antennákat jelentettek a WPT-ben 1 GHz alatti LP és CP frekvenciával Huygens dipólantennákat használva, ka=0,645 értékkel, míg ka=5,91 értékkel normál dipólusokban (ka=2πr/λ0).
2. Egyenirányító konjugált antenna
Egy dióda tipikus bemeneti impedanciája nagymértékben kapacitív, ezért induktív antennára van szükség a konjugált impedancia eléréséhez. A chip kapacitív impedanciája miatt a nagy impedanciájú induktív antennákat széles körben alkalmazzák az RFID-címkékben. A dipólantennák az utóbbi időben trenddé váltak a komplex impedanciájú RFID-antennákban, mivel a rezonanciafrekvenciájuk közelében nagy impedanciát (ellenállást és reaktanciát) mutatnak.
Induktív dipólantennákat alkalmaztak az egyenirányító nagy kapacitásának összehangolására az adott frekvenciasávban. Egy hajtogatott dipólantennában a kettős rövidvezeték (dipólhajtás) impedanciatranszformátorként működik, lehetővé téve egy rendkívül nagy impedanciájú antenna kialakítását. Alternatív megoldásként az előfeszített táplálás felelős az induktív reaktancia és a tényleges impedancia növeléséért is. Több előfeszített dipólelem kombinálása kiegyensúlyozatlan csokornyakkendős radiális csonkokkal kettős szélessávú, nagy impedanciájú antennát alkot. A 4. ábra néhány ismert egyenirányító konjugált antennát mutat.
4. ábra
Sugárzási jellemzők RFEH-ben és WPT-ben
A Friis-modellben az adótól d távolságra lévő antenna által vett PRX teljesítmény a vevő és az adó erősítésének (GRX, GTX) közvetlen függvénye.
Az antenna fő lebenyének irányítottsága és polarizációja közvetlenül befolyásolja a beeső hullámból begyűjtött teljesítmény mennyiségét. Az antenna sugárzási jellemzői kulcsfontosságú paraméterek, amelyek megkülönböztetik a környezeti RFEH-t és a WPT-t (5. ábra). Bár mindkét alkalmazásban a terjedő közeg ismeretlen lehet, és figyelembe kell venni a vett hullámra gyakorolt hatását, az adóantenna ismerete hasznosítható. A 3. táblázat bemutatja az ebben a szakaszban tárgyalt főbb paramétereket és azok RFEH-re és WPT-re való alkalmazhatóságát.
5. ábra
1. Irányítottság és erősítés
A legtöbb RFEH és WPT alkalmazásban feltételezik, hogy a gyűjtő nem ismeri a beeső sugárzás irányát, és nincs rálátási (LoS) útvonal. Ebben a munkában több antenna kialakítását és elhelyezését vizsgálták meg, hogy maximalizálják az ismeretlen forrásból származó vételi teljesítményt, függetlenül az adó és a vevő közötti fő lebeny beállításától.
A körsugárzó antennákat széles körben alkalmazzák környezeti RFEH (rádiófrekvenciás hőfejlődés) antennákban. Az irodalomban a PSD (potenciálkülönbség) az antenna orientációjától függően változik. A teljesítményváltozást azonban még nem magyarázták meg, így nem lehet megállapítani, hogy a változás az antenna sugárzási mintázatának vagy a polarizációs eltérésnek köszönhető-e.
Az RFEH alkalmazások mellett széles körben számoltak be nagy nyereségű irányított antennákról és antennatömbökről mikrohullámú WPT-hez, hogy javítsák az alacsony RF teljesítménysűrűség begyűjtési hatékonyságát vagy leküzdjék a terjedési veszteségeket. A Yagi-Uda rectenna antennatömbök, a bowtie antennatömbök, a spirál antennatömbök, a szorosan csatolt Vivaldi antennatömbök, a CPW CP antennatömbök és a patch antennatömbök a skálázható rectenna implementációk közé tartoznak, amelyek maximalizálhatják a beeső teljesítménysűrűséget egy bizonyos területen. Az antennaerősítés javítására irányuló egyéb megközelítések közé tartozik a szubsztráttal integrált hullámvezető (SIW) technológia mikrohullámú és milliméteres hullámsávokban, amely kifejezetten a WPT-re jellemző. A nagy nyereségű rectennákat azonban keskeny nyalábszélesség jellemzi, ami miatt a hullámok vétele tetszőleges irányban nem hatékony. Az antennaelemek és portok számának vizsgálata arra a következtetésre jutott, hogy a nagyobb irányítottság nem jelent nagyobb begyűjtött teljesítményt a környezeti RFEH-ban, feltételezve a háromdimenziós tetszőleges beesést; ezt városi környezetben végzett terepi mérések is igazolták. A nagy nyereségű antennatömbök a WPT alkalmazásokra korlátozódhatnak.
A nagy nyereségű antennák előnyeinek tetszőleges RFEH-ekre való átviteléhez tokozási vagy elrendezési megoldásokat alkalmaznak az irányítottsági probléma leküzdésére. Egy kettős patch-es antenna csuklópántot javasolnak az energia vételére a környezeti Wi-Fi RFEH-kből két irányban. A környezeti celluláris RFEH antennákat szintén 3D dobozként tervezik, és külső felületekre nyomtatják vagy ragasztják, hogy csökkentsék a rendszer területét és lehetővé tegyék a többirányú begyűjtést. A kocka alakú rectenna szerkezetek nagyobb valószínűséggel rendelkeznek energiavételre a környezeti RFEH-kban.
Az antenna kialakításának fejlesztéseit – beleértve a kiegészítő parazita foltelemeket is – a nyalábszélesség növelése érdekében végezték el, hogy javítsák a 2,4 GHz-es, 4 × 1-es antennatömbökön a sávszélességet. Javasoltak egy 6 GHz-es, több nyalábtartományú hálóantennát is, amely portonként több nyalábot demonstrált. Többportos, több egyenirányítós felületi egyenes antennákat és mindenirányú sugárzási mintázatú energiagyűjtő antennákat javasoltak többirányú és többpolarizált RFEH-hoz. Nagy nyereségű, többirányú energiagyűjtő nyalábformáló mátrixú több egyenirányítókat és többportos antennatömböket is javasoltak.
Összefoglalva, míg a nagy nyereségű antennákat részesítik előnyben az alacsony rádiófrekvenciás sűrűségekből kinyert teljesítmény javítása érdekében, a nagymértékben irányított vevők nem feltétlenül ideálisak olyan alkalmazásokban, ahol az adó iránya ismeretlen (pl. környezeti RFEH vagy WPT ismeretlen terjedési csatornákon keresztül). Ebben a munkában több többnyalábos megközelítést javasolunk többirányú, nagy nyereségű WPT és RFEH esetén.
2. Antenna polarizáció
Az antenna polarizációja az elektromos térerő vektorának az antenna terjedési irányához viszonyított mozgását írja le. A polarizációs eltérések az antennák közötti átvitel/vétel csökkenéséhez vezethetnek, még akkor is, ha a főhullámú antennák iránya megegyezik. Például, ha egy függőleges LP antennát használnak adásra, és egy vízszintes LP antennát vételre, akkor nem fog teljesítményt venni. Ebben a szakaszban a vezeték nélküli vételi hatékonyság maximalizálására és a polarizációs eltérési veszteségek elkerülésére szolgáló módszereket tekintjük át. A javasolt rectenna architektúra polarizációs összefoglalása a 6. ábrán, egy példa SoA-ra pedig a 4. táblázatban látható.
6. ábra
A mobilkommunikációban a bázisállomások és a mobiltelefonok közötti lineáris polarizáció-illesztés valószínűleg nem érhető el, ezért a bázisállomás-antennákat kettős vagy többpolarizációjúra tervezik, hogy elkerüljék a polarizációs eltérési veszteségeket. Az LP-hullámok polarizációjának változása a többutas hatások miatt azonban továbbra is megoldatlan probléma. A többpolarizációs mobil bázisállomások feltételezése alapján a celluláris RFEH-antennákat LP-antennaként tervezik.
A CP rectennákat főként a WPT-ben használják, mivel viszonylag ellenállóak az eltéréssel szemben. A CP antennák képesek azonos forgási irányú (bal vagy jobb CP) CP sugárzás vételére az összes LP hullám mellett teljesítményveszteség nélkül. Mindenesetre a CP antenna 3 dB veszteséggel ad, az LP antenna pedig vesz (50%-os teljesítményveszteség). A CP rectennákról azt írják, hogy alkalmasak 900 MHz, 2,4 GHz és 5,8 GHz ipari, tudományos és orvosi sávokban, valamint milliméteres hullámokon. Az önkényesen polarizált hullámok RFEH-jában a polarizációdiverzitás potenciális megoldást jelent a polarizációs eltérési veszteségekre.
A teljes polarizációt, más néven multipolarizációt, javasolták a polarizációs eltérési veszteségek teljes kiküszöbölésére, lehetővé téve mind a CP, mind az LP hullámok összegyűjtését, ahol két kettős polarizációjú ortogonális LP elem hatékonyan fogadja az összes LP és CP hullámot. Ennek szemléltetésére a függőleges és vízszintes hálózati feszültségek (VV és VH) állandóak maradnak a polarizációs szögtől függetlenül:
CP elektromágneses hullám „E” elektromos mező, ahol a teljesítményt kétszer gyűjtik össze (egységenként egyszer), ezáltal teljes mértékben befogadják a CP komponenst és leküzdik a 3 dB-es polarizációs eltérés veszteséget:
Végül, egyenáramú kombináció révén tetszőleges polarizációjú beeső hullámok vehetők fel. A 7. ábra a bemutatott teljesen polarizált egyenes vonal geometriáját mutatja.
7. ábra
Összefoglalva, a dedikált tápegységekkel rendelkező vezeték nélküli antenna alkalmazásokban a CP az előnyösebb, mivel javítja a vezeték nélküli antenna hatékonyságát az antenna polarizációs szögétől függetlenül. Másrészt több forrásból származó jelvétel esetén, különösen környezeti forrásokból, a teljesen polarizált antennák jobb vételt és maximális hordozhatóságot érhetnek el; a többportos/több egyenirányítós architektúrákra van szükség a teljesen polarizált teljesítmény rádiófrekvenciás vagy egyenáramú egyenáramú kombinálásához.
Összefoglalás
Ez a tanulmány áttekintést nyújt az RFEH és WPT antennák tervezésében elért legújabb eredményekről, és javaslatot tesz az RFEH és WPT antennák tervezésének egy olyan szabványos osztályozására, amelyet a korábbi szakirodalomban még nem javasoltak. A magas RF-DC hatásfok eléréséhez három alapvető antennakövetelményt azonosítottak:
1. Antenna-egyenirányító impedancia sávszélessége az RFEH és WPT sávokban;
2. A WPT-ben az adó és a vevő közötti fő lebeny beállítása egy dedikált betáplálásról;
3. A rectenna és a beeső hullám polarizációs egyezése a szögtől és a helyzettől függetlenül.
Az impedancia alapján a rectennákat 50Ω-os és egyenirányító konjugált rectennákba sorolják, különös tekintettel a különböző sávok és terhelések közötti impedanciaillesztésre, valamint az egyes illesztési módszerek hatékonyságára.
A SoA rectennák sugárzási jellemzőit irányítottság és polarizáció szempontjából tekintették át. Megvitatták a nyalábformálás és -csomagolás révén történő erősítésnövelési módszereket a keskeny nyalábszélesség leküzdésére. Végül áttekintették a WPT-hez való CP rectennákat, valamint a polarizációtól független vétel elérését célzó különböző megvalósításokat WPT és RFEH esetén.
Az antennákról bővebben itt olvashat:
Közzététel ideje: 2024. augusztus 16.
