Antenna-Egyenirányító Társ tervezés
A 2. ábrán látható EG topológiát követő egyenirányítók jellemzője, hogy az antenna közvetlenül az egyenirányítóhoz van illesztve, nem pedig az 50 Ω-os szabványhoz, ami az egyenirányító tápellátásához szükséges illesztő áramkör minimalizálását vagy megszüntetését igényli. Ez a rész áttekinti a nem 50Ω-os antennákkal és a megfelelő hálózatok nélküli rectennák előnyeit.
1. Elektromosan kisméretű antennák
Az LC rezonáns gyűrűs antennákat széles körben használják olyan alkalmazásokban, ahol a rendszer mérete kritikus. 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 testimplantátumok adó-vevői, különösen előnyösek az elektromosan kisméretű WPT antennák használatából.
A kis antenna nagy induktív impedanciája (közel rezonancia) használható az egyenirányító közvetlen csatlakoztatására, vagy egy további chipen lévő kapacitív illesztő hálózattal. Elektromosan kicsi antennákról számoltak be a WPT-ben LP és CP 1 GHz alatt Huygens dipólus antennákkal, ahol ka=0,645, míg ka=5,91 normál dipólusban (ka=2πr/λ0).
2. Egyenirányító konjugált antenna
A diódák tipikus bemeneti impedanciája erősen kapacitív, ezért induktív antenna szükséges a konjugált impedancia eléréséhez. A chip kapacitív impedanciája miatt a nagy impedanciájú induktív antennákat széles körben alkalmazzák az RFID-címkékben. A dipólantennák a közelmúltban a komplex impedanciájú RFID antennák trendjévé váltak, és nagy impedanciát (ellenállást és reaktanciát) mutatnak a rezonanciafrekvenciájuk közelében.
Induktív dipólantennákat alkalmaztak az egyenirányító nagy kapacitásának a kívánt frekvenciasávban való összehangolására. Hajtogatott dipólus antennában a dupla rövid vezeték (dipólus hajtás) impedancia transzformátorként működik, lehetővé téve rendkívül nagy impedanciájú antenna kialakítását. Alternatív megoldásként az előfeszített betáplálás felelős az induktív reaktancia és a tényleges impedancia növeléséért. Több előfeszített dipólus elem és kiegyensúlyozatlan csokornyakkendő radiális csonkok kombinálása kettős szélessávú, nagy impedanciájú antennát képez. A 4. ábra néhány bejelentett egyenirányító konjugált antennát mutat be.
4. ábra
Sugárzási jellemzők az RFEH-ben és a 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 hullám által gyűjtött energia mennyiségét. Az antenna sugárzási jellemzői kulcsfontosságú paraméterek, amelyek különbséget tesznek a környezeti RFEH és a WPT között (5. ábra). Bár mindkét alkalmazásban előfordulhat, hogy a terjedési közeg ismeretlen, és figyelembe kell venni a vett hullámra gyakorolt hatását, az adóantenna ismerete hasznosítható. A 3. táblázat azonosítja az ebben a részben tárgyalt fő paramétereket, valamint azok alkalmazhatóságát az RFEH-re és a WPT-re.
5. ábra
1. Irányítottság és nyereség
A legtöbb RFEH és WPT alkalmazásban azt feltételezik, hogy a kollektor nem ismeri a beeső sugárzás irányát, és nincs rálátás (LoS) út. Ebben a munkában több antenna kialakítást és elhelyezést vizsgáltak meg, hogy maximalizálják az ismeretlen forrásból származó vételi teljesítményt, függetlenül az adó és a vevő közötti fő lebeny igazításától.
Az Omnidirectional antennákat széles körben használják a környezeti RFEH rectennákban. A szakirodalomban a PSD az antenna tájolásától függően változik. A teljesítmény változását azonban nem magyarázták meg, így nem lehet megállapítani, hogy az eltérés az antenna sugárzási mintázatának vagy a polarizációs eltérésnek köszönhető-e.
Az RFEH-alkalmazásokon kívül széles körben beszámoltak a mikrohullámú WPT-hez nagy nyereségű irányított antennákról és tömbökről, amelyek javítják az alacsony rádiófrekvenciás teljesítménysűrűség gyűjtési hatékonyságát vagy a terjedési veszteségek leküzdését. A Yagi-Uda rectenna tömbök, bowtie tömbök, spiráltömbök, szorosan csatolt Vivaldi tömbök, CPW CP tömbök és patch tömbök a skálázható rectenna tömbök közé tartoznak, amelyek maximalizálják a beeső teljesítménysűrűséget egy bizonyos területen. Az antenna erősítésének javítására szolgáló egyéb megközelítések közé tartozik a hordozóba integrált hullámvezető (SIW) technológia mikrohullámú és milliméteres hullámsávokban, a WPT-re specifikusan. A nagy nyereségű rectennákat azonban szűk sugárszélesség jellemzi, ami hatástalanná teszi a tetszőleges irányú hullámok vételét. Az antennaelemek és portok számának vizsgálata arra a következtetésre jutott, hogy a nagyobb irányítottság nem felel meg a nagyobb betakarított teljesítménynek a környezeti RFEH-ben, ha háromdimenziós tetszőleges incidenciát feltételezünk; ezt városi környezetben végzett terepi mérésekkel igazolták. A nagy nyereségű tömbök a WPT alkalmazásokra korlátozhatók.
Annak érdekében, hogy a nagy nyereségű antennák előnyeit tetszőleges RFEH-ekre tegyék, csomagolási vagy elrendezési megoldásokat alkalmaznak az irányíthatósági probléma megoldására. A kettős patch-antennás csuklópántot a környezeti Wi-Fi RFEH-k energiájának két irányban történő gyűjtésére javasolják. A környezeti cellás RFEH antennákat 3D-s dobozként is tervezték, és nyomtatják vagy külső felületekre ragasztják, hogy csökkentsék a rendszer területét és lehetővé tegyék a többirányú begyűjtést. A köbös rectenna szerkezetek nagyobb valószínűséggel vesznek fel energiát környezeti RFEH-ekben.
A 2,4 GHz-es, 4 × 1-es tömbök WPT-jének javítása érdekében továbbfejlesztették az antenna kialakítását a sugárszélesség növelése érdekében, beleértve a kiegészítő parazita patch elemeket. Javasoltak egy 6 GHz-es hálós antennát is több nyalábrégióval, amely portonként több nyalábot demonstrál. Több portos, több egyenirányítós felületi egyenirányítókat és többirányú sugárzási mintázatú energiagyűjtő antennákat javasoltak a többirányú és többpolarizált RFEH-hez. Nyalábformáló mátrixokkal és többportos antennatömbökkel rendelkező több egyenirányítókat is javasoltak nagy nyereségű, többirányú energiagyűjtéshez.
Összefoglalva, bár a nagy erősítésű antennákat előnyben részesítik az alacsony RF-sűrűségből származó teljesítmény javítására, a nagy irányú vevőkészülékek nem feltétlenül ideálisak olyan alkalmazásokban, ahol az adó iránya ismeretlen (pl. környezeti RFEH vagy WPT ismeretlen terjedési csatornákon keresztül). Ebben a munkában több többnyalábú megközelítést javasoltak a többirányú, nagy nyereségű WPT és RFEH számára.
2. Antenna polarizációja
Az antenna polarizációja az elektromos térvektor mozgását írja le az antenna terjedési irányához képest. A polarizációs eltérések az antennák közötti átvitel/vétel csökkenéséhez vezethetnek, még akkor is, ha a fő lebeny irányai igazodnak. Például, ha függőleges LP antennát használnak az adáshoz, és vízszintes LP antennát használnak a vételhez, akkor nem fog áramot venni. Ebben a részben a vezeték nélküli vétel hatékonyságának maximalizálására és a polarizációs eltérések elkerülésére szolgáló módszereket tekintjük át. A javasolt rectenna architektúra összefoglalása a polarizáció tekintetében a 6. ábrán látható, és egy példa SoA a 4. táblázatban.
6. ábra
A cellás kommunikációban nem valószínű, hogy a bázisállomások és a mobiltelefonok között lineáris polarizációs igazítás érhető el, ezért a bázisállomás antennáit úgy tervezték, hogy kettős vagy többpolarizáltak legyenek a polarizációs eltérések elkerülése érdekében. Az LP hullámok polarizációs változása azonban a többutas hatások miatt továbbra is megoldatlan probléma. A többpolarizált mobil bázisállomások feltételezése alapján a cellás RFEH antennákat LP antennáknak tervezték.
A CP rectennákat főleg a WPT-ben használják, mivel viszonylag ellenállnak az eltéréseknek. A CP antennák képesek az összes LP hullám mellett azonos forgási irányú CP sugárzás vételére (bal vagy jobb oldali CP) teljesítményvesztés nélkül. Mindenesetre a CP antenna 3 dB veszteséggel (50%-os teljesítményveszteséggel) ad, az LP antenna pedig vesz. A jelentések szerint a CP rectennák alkalmasak 900 MHz-es és 2,4 GHz-es és 5,8 GHz-es ipari, tudományos és orvosi sávokra, valamint milliméteres hullámokra. Az önkényesen polarizált hullámok RFEH-jében a polarizációs diverzitás potenciális megoldást jelent a polarizációs eltérések veszteségeire.
A teljes polarizációt, más néven többpolarizációt javasolták a polarizációs eltérések teljes leküzdésére, lehetővé téve a CP és LP hullámok összegyűjtését, ahol két kettős polarizált ortogonális LP elem hatékonyan fogadja az összes LP és CP hullámot. Ennek szemléltetésére a függőleges és vízszintes nettó feszültségek (VV és VH) a polarizációs szögtől függetlenül állandóak:
CP elektromágneses hullám „E” elektromos mező, ahol a teljesítményt kétszer (egységenként egyszer) gyűjtik, ezáltal teljes mértékben fogadják a CP komponenst, és leküzdik a 3 dB polarizációs eltérési veszteséget:
Végül az egyenáramú kombináció révén tetszőleges polarizációjú beeső hullámok fogadhatók. A 7. ábra a közölt teljesen polarizált rectenna geometriáját mutatja.
7. ábra
Összefoglalva, a dedikált tápegységgel rendelkező WPT-alkalmazásokban a CP-t részesítik előnyben, mert az antenna polarizációs szögétől függetlenül javítja a WPT hatékonyságát. Másrészt a több forrásból származó adatgyűjtés során, különösen környezeti forrásokból, a teljesen polarizált antennák jobb általános vételt és maximális hordozhatóságot érhetnek el; Többportos/több egyenirányítós architektúrák szükségesek a teljesen polarizált RF vagy DC teljesítmény kombinálásához.
Összegzés
Ez a cikk áttekinti az RFEH és WPT antennatervezése terén elért közelmúltbeli előrehaladást, és az RFEH és WPT antennatervezés szabványos osztályozását javasolja, amelyet a korábbi irodalomban nem javasoltak. A magas RF-DC hatékonyság eléréséhez három alapvető antennakövetelményt határoztak meg:
1. Antenna egyenirányító impedancia sávszélessége a kérdéses RFEH és WPT sávokhoz;
2. A fő lebeny igazítása az adó és a vevő között a WPT-ben egy dedikált betáplálásról;
3. Polarizációs illesztés a rectenna és a beeső hullám között szögtől és pozíciótól függetlenül.
Az impedancia alapján a rectennákat 50 Ω-os és egyenirányítós konjugált rectennákba sorolják, a különböző sávok és terhelések közötti impedancia illesztésre és az egyes illesztési módszerek hatékonyságára összpontosítva.
A SoA rectennák sugárzási jellemzőit az irányítottság és a polarizáció szempontjából tekintettük át. Megvitatják a nyalábformázással és a szűk sugárszélesség leküzdésére szolgáló csomagolással az erősítést javító módszereket. Végül felülvizsgálják a WPT CP rectennáit, valamint a különféle megvalósításokat a WPT és az RFEH polarizációtól független vételének elérése érdekében.
Ha többet szeretne megtudni az antennákról, látogasson el a következő oldalra:
Feladás időpontja: 2024. augusztus 16
