Spoločný návrh antény a usmerňovača
Charakteristickým znakom usmerňovačov s topológiou EG na obrázku 2 je, že anténa je priamo prispôsobená usmerňovaču, a nie štandardu 50Ω, čo vyžaduje minimalizáciu alebo elimináciu prispôsobovacieho obvodu na napájanie usmerňovača. Táto časť sa zaoberá výhodami usmerňovačov SoA s anténami s odporom iným ako 50Ω a usmerňovačov bez prispôsobovacích sietí.
1. Elektricky malé antény
LC rezonančné kruhové antény sa široko používajú v aplikáciách, kde je veľkosť systému kritická. Pri frekvenciách pod 1 GHz môže vlnová dĺžka spôsobiť, že štandardné antény s distribuovanými prvkami zaberú viac miesta ako celková veľkosť systému, a aplikácie, ako sú plne integrované vysielače a prijímače pre telové implantáty, obzvlášť profitujú z použitia elektricky malých antén pre bezdrôtové prenosové potrubie (WPT).
Vysoká indukčná impedancia malej antény (blízka rezonancii) sa môže použiť na priame prepojenie s usmerňovačom alebo s dodatočnou kapacitnou prispôsobovacou sieťou na čipe. Elektricky malé antény boli hlásené v bezdrôtovom prenose energie (WPT) s nízkofrekvenčným (LP) a nízkofrekvenčným (CP) prúdom (CP) pod 1 GHz s použitím dipólových antén Huygens, s ka = 0,645, zatiaľ čo ka = 5,91 v normálnych dipóloch (ka = 2πr/λ0).
2. Anténa s usmerňovačom
Typická vstupná impedancia diódy je vysoko kapacitná, takže na dosiahnutie konjugovanej impedancie je potrebná indukčná anténa. Vzhľadom na kapacitnú impedanciu čipu sa v RFID štítkoch hojne používajú indukčné antény s vysokou impedanciou. Dipólové antény sa v poslednej dobe stali trendom v RFID anténach s komplexnou impedanciou a vykazujú vysokú impedanciu (odpor a reaktanciu) v blízkosti svojej rezonančnej frekvencie.
Na prispôsobenie vysokej kapacity usmerňovača v danom frekvenčnom pásme sa používajú indukčné dipólové antény. V skladanej dipólovej anténe funguje dvojité krátke vedenie (skladanie dipólu) ako impedančný transformátor, čo umožňuje návrh antény s extrémne vysokou impedanciou. Alternatívne je za zvýšenie indukčnej reaktancie, ako aj skutočnej impedancie, zodpovedné predpätie. Kombinácia viacerých predpätých dipólových prvkov s nevyváženými radiálnymi vývodmi v tvare motýlika vytvára dvojitú širokopásmovú anténu s vysokou impedanciou. Obrázok 4 zobrazuje niektoré hlásené konjugované usmerňovacie antény.
Obrázok 4
Radiačné charakteristiky v RFEH a WPT
Vo Friisovom modeli je výkon PRX prijímaný anténou vo vzdialenosti d od vysielača priamou funkciou ziskov prijímača a vysielača (GRX, GTX).
Smerovosť a polarizácia hlavného laloku antény priamo ovplyvňujú množstvo výkonu zozbieraného z dopadajúcej vlny. Vyžarovacie charakteristiky antény sú kľúčovými parametrami, ktoré rozlišujú medzi okolitým RFEH a WPT (obrázok 5). Zatiaľ čo v oboch aplikáciách môže byť šíriace médium neznáme a je potrebné zvážiť jeho vplyv na prijímanú vlnu, možno využiť znalosť vysielacej antény. Tabuľka 3 identifikuje kľúčové parametre diskutované v tejto časti a ich použiteľnosť pre RFEH a WPT.
Obrázok 5
1. Smerovosť a zisk
Vo väčšine aplikácií RFEH a WPT sa predpokladá, že kolektor nepozná smer dopadajúceho žiarenia a neexistuje žiadna dráha v priamej viditeľnosti (LoS). V tejto práci bolo skúmaných viacero návrhov a umiestnení antén s cieľom maximalizovať prijímaný výkon z neznámeho zdroja, nezávisle od zarovnania hlavného laloku medzi vysielačom a prijímačom.
Všesmerové antény sa široko používajú v environmentálnych RFEH rekténach. V literatúre sa PSD mení v závislosti od orientácie antény. Zmena výkonu však nebola vysvetlená, takže nie je možné určiť, či je táto zmena spôsobená vyžarovacím diagramom antény alebo nesúladom polarizácie.
Okrem aplikácií RFEH sa široko uvádzajú smerové antény a sústavy s vysokým ziskom pre mikrovlnné bezdrôtové prenosové systémy (WPT) na zlepšenie účinnosti zberu pri nízkej hustote vysokofrekvenčného výkonu alebo na prekonanie strát šírením. Medzi škálovateľné implementácie rektenn, ktoré dokážu maximalizovať hustotu dopadajúceho výkonu v určitej oblasti, patria sústavy rektén Yagi-Uda, sústavy motýlikov, špirálové sústavy, pevne prepojené Vivaldiho sústavy, sústavy CPW CP a sústavy patch. Medzi ďalšie prístupy k zlepšeniu zisku antény patrí technológia vlnovodu integrovaného do substrátu (SIW) v mikrovlnných a milimetrových vlnových pásmach, špecifická pre WPT. Rekténny sústavy s vysokým ziskom sa však vyznačujú úzkou šírkou lúča, čo robí príjem vĺn v ľubovoľných smeroch neefektívnym. Výskumy počtu anténnych prvkov a portov dospeli k záveru, že vyššia smerovosť nezodpovedá vyššiemu zozbieranému výkonu v okolitom RFEH za predpokladu trojrozmerného ľubovoľného dopadu; toto bolo overené meraniami v teréne v mestskom prostredí. Sústavy s vysokým ziskom môžu byť obmedzené na aplikácie WPT.
Na prenos výhod antén s vysokým ziskom na ľubovoľné rádiofrekvenčné výbojky (RFEH) sa na prekonanie problému so smerovosťou využívajú riešenia balenia alebo rozloženia. Na zber energie z okolitých Wi-Fi RFEH v dvoch smeroch sa navrhuje dvojitý anténny náramok. Okolité bunkové RFEH antény sú tiež navrhnuté ako 3D krabice a vytlačené alebo nalepené na vonkajšie povrchy, aby sa zmenšila plocha systému a umožnil viacsmerový zber. Kubické rektenové štruktúry vykazujú vyššiu pravdepodobnosť príjmu energie v okolitých RFEH.
Boli vykonané vylepšenia dizajnu antény na zväčšenie šírky lúča, vrátane pomocných parazitných prvkov, na zlepšenie bezdrôtového prenosu energie (WPT) pri frekvencii 2,4 GHz, anténnych sústavách 4 × 1. Bola tiež navrhnutá sieťová anténa s frekvenciou 6 GHz a viacerými oblasťami lúča, ktorá demonštruje viacero lúčov na port. Pre viacsmerový a viacpolarizovaný RFEH boli navrhnuté viacportové, viacusmerňovacie povrchové usmerňovače a antény na zber energie s všesmerovými vyžarovacími diagramami. Pre viacsmerový zber energie s vysokým ziskom boli navrhnuté aj viacportové usmerňovače s maticami formovania lúča a viacportové anténne sústavy.
Stručne povedané, zatiaľ čo antény s vysokým ziskom sú uprednostňované na zlepšenie výkonu získaného z nízkych RF hustôt, vysoko smerové prijímače nemusia byť ideálne v aplikáciách, kde smer vysielača nie je známy (napr. okolitý RFEH alebo WPT cez neznáme šíriace kanály). V tejto práci sa navrhuje viacero viaclúčových prístupov pre viacsmerový WPT a RFEH s vysokým ziskom.
2. Polarizácia antény
Polarizácia antény opisuje pohyb vektora elektrického poľa vzhľadom na smer šírenia antény. Nesúlad polarizácie môže viesť k zníženému prenosu/príjmu medzi anténami, aj keď sú smery hlavných lalokov zarovnané. Napríklad, ak sa na prenos použije vertikálna LP anténa a na príjem horizontálna LP anténa, nebude prijímaný žiadny výkon. V tejto časti sú zhodnotené uvedené metódy na maximalizáciu účinnosti bezdrôtového príjmu a zabránenie stratám spôsobeným nesúladom polarizácie. Zhrnutie navrhovanej architektúry rektenny s ohľadom na polarizáciu je uvedené na obrázku 6 a príklad SoA je uvedený v tabuľke 4.
Obrázok 6
V bunkovej komunikácii je nepravdepodobné, že sa dosiahne lineárne polarizačné usporiadanie medzi základňovými stanicami a mobilnými telefónmi, preto sú antény základňových staníc navrhnuté tak, aby boli duálne alebo multipolarizované, aby sa predišlo stratám v dôsledku nesúladu polarizácie. Zmena polarizácie LP vĺn v dôsledku viaccestných efektov však zostáva nevyriešeným problémom. Na základe predpokladu multipolarizovaných mobilných základňových staníc sú bunkové antény RFEH navrhnuté ako LP antény.
Rektémy CP sa používajú hlavne v bezdrôtovom prenose energie (WPT), pretože sú relatívne odolné voči nesúladu. Antény CP sú schopné prijímať žiarenie CP s rovnakým smerom otáčania (ľavotočivý alebo pravotočivý CP) okrem všetkých vĺn LP bez straty výkonu. V každom prípade anténa CP vysiela a anténa LP prijíma so stratou 3 dB (strata výkonu 50 %). Uvádza sa, že rektémy CP sú vhodné pre priemyselné, vedecké a lekárske pásma 900 MHz, 2,4 GHz a 5,8 GHz, ako aj pre milimetrové vlny. V rádiofrekvenčnom výbojovom meraní (RFEH) ľubovoľne polarizovaných vĺn predstavuje polarizačná diverzita potenciálne riešenie strát spôsobených nesúladom polarizácie.
Na úplné prekonanie strát spôsobených nesúladom polarizácie bola navrhnutá úplná polarizácia, známa aj ako multipolarizácia, čo umožňuje zhromažďovanie CP aj LP vĺn, kde dva duálne polarizované ortogonálne LP prvky efektívne prijímajú všetky LP aj CP vlny. Na ilustráciu, vertikálne a horizontálne sieťové napätia (VV a VH) zostávajú konštantné bez ohľadu na uhol polarizácie:
Elektrické pole „E“ elektromagnetickej vlny CP, kde sa energia zhromažďuje dvakrát (raz na jednotku), čím sa plne prijíma zložka CP a prekonáva sa strata polarizačného nesúladu 3 dB:
Nakoniec, prostredníctvom kombinácie jednosmerného prúdu je možné prijímať dopadajúce vlny s ľubovoľnou polarizáciou. Obrázok 7 zobrazuje geometriu zaznamenanej plne polarizovanej rektenny.
Obrázok 7
Stručne povedané, v aplikáciách bezdrôtového prenosu energie (WPT) s vyhradenými napájacími zdrojmi sa uprednostňuje CP, pretože zlepšuje účinnosť WPT bez ohľadu na polarizačný uhol antény. Na druhej strane, pri snímaní signálu z viacerých zdrojov, najmä z okolitých zdrojov, môžu plne polarizované antény dosiahnuť lepší celkový príjem a maximálnu prenosnosť; na kombináciu plne polarizovaného výkonu na RF alebo DC sú potrebné architektúry s viacerými portami/viacnásobnými usmerňovačmi.
Zhrnutie
Tento článok skúma nedávny pokrok v návrhu antén pre RFEH a WPT a navrhuje štandardnú klasifikáciu návrhu antén pre RFEH a WPT, ktorá nebola v predchádzajúcej literatúre navrhnutá. Boli identifikované tri základné požiadavky na anténu na dosiahnutie vysokej účinnosti prevodu RF na DC:
1. Šírka pásma impedancie anténneho usmerňovača pre sledované pásma RFEH a WPT;
2. Zarovnanie hlavného laloku medzi vysielačom a prijímačom v bezdrôtovom prenose energie (WPT) z vyhradeného napájania;
3. Polarizačné prispôsobenie medzi rektennou a dopadajúcou vlnou bez ohľadu na uhol a polohu.
Na základe impedancie sa rektémy delia na 50Ω a usmerňovacie konjugované rektémy so zameraním na prispôsobenie impedancie medzi rôznymi pásmami a záťažami a účinnosť každej metódy prispôsobenia.
Radiačné charakteristiky SoA rektén boli preskúmané z hľadiska smerovosti a polarizácie. Diskutujú sa metódy na zlepšenie zisku tvarovaním lúča a balením na prekonanie úzkej šírky lúča. Nakoniec sú preskúmané CP rekténny pre WPT spolu s rôznymi implementáciami na dosiahnutie príjmu nezávislého od polarizácie pre WPT a RFEH.
Ak sa chcete dozvedieť viac o anténach, navštívte stránku:
Čas uverejnenia: 16. augusta 2024
