Spoločný dizajn antény a usmerňovača
Charakteristickým znakom rectennas podľa topológie 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 obsahuje prehľad výhod SoA rectennas s non-50Ω anténami a rectennas bez zodpovedajúcich sietí.
1. Elektricky malé antény
LC rezonančné prstencové 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, než je celková veľkosť systému, a aplikácie, ako sú plne integrované vysielače a prijímače pre telesné implantáty, obzvlášť profitujú z použitia elektricky malých antén pre WPT.
Vysoká indukčná impedancia malej antény (blízka rezonancia) môže byť použitá na priame spojenie s usmerňovačom alebo s prídavnou sieťou kapacitného prispôsobenia na čipe. Elektricky malé antény boli hlásené vo WPT s LP a CP pod 1 GHz s použitím Huygensových dipólových antén, s ka=0,645, zatiaľ čo ka=5,91 v normálnych dipóloch (ka=2πr/λ0).
2. Usmerňovacia konjugovaná anténa
Typická vstupná impedancia diódy je vysoko kapacitná, takže na dosiahnutie konjugovanej impedancie je potrebná indukčná anténa. Vzhľadom na kapacitnú impedanciu čipu boli vysokoimpedančné indukčné antény široko používané v RFID štítkoch. Dipólové antény sa nedávno stali trendom v komplexných impedančných RFID anténach, ktoré vykazujú vysokú impedanciu (odpor a reaktanciu) blízko ich rezonančnej frekvencie.
Na prispôsobenie vysokej kapacity usmerňovača v záujmovom frekvenčnom pásme boli použité indukčné dipólové antény. V zloženej dipólovej anténe funguje dvojité krátke vedenie (dipólové skladanie) ako impedančný transformátor, čo umožňuje navrhnúť anténu s extrémne vysokou impedanciou. Alternatívne je predpätie zodpovedné za zvýšenie indukčnej reaktancie, ako aj skutočnej impedancie. Kombinácia viacnásobných predpätých dipólových prvkov s nevyváženými radiálnymi nástavcami motýlika tvorí dvojitú širokopásmovú vysokoimpedančnú anténu. Obrázok 4 ukazuje niektoré uvádzané antény konjugovaného usmerňovača.
Obrázok 4
Radiačné charakteristiky v RFEH a WPT
V modeli Friis je výkon PRX prijímaný anténou vo vzdialenosti d od vysielača priamou funkciou ziskov prijímača a vysielača (GRX, GTX).
Smernosť a polarizácia hlavného laloku antény priamo ovplyvňujú množstvo energie získanej z dopadajúcej vlny. Charakteristiky vyžarovania antény sú kľúčovými parametrami, ktoré odlišujú okolité RFEH a WPT (obrázok 5). Zatiaľ čo v oboch aplikáciách môže byť médium šírenia 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 priamej viditeľnosti (LoS). V tejto práci sa skúmalo viacero návrhov a umiestnení antén, aby sa maximalizoval prijímaný výkon z neznámeho zdroja, nezávisle od zarovnania hlavného laloku medzi vysielačom a prijímačom.
Všesmerové antény boli široko používané v environmentálnych RFEH rectennach. V literatúre sa PSD líši v závislosti od orientácie antény. Avšak zmena výkonu nebola vysvetlená, takže nie je možné určiť, či je zmena spôsobená vyžarovacím diagramom antény alebo kvôli polarizačnému nesúladu.
Okrem aplikácií RFEH boli pre mikrovlnné WPT široko hlásené smerové antény a polia s vysokým ziskom na zlepšenie účinnosti zberu nízkej hustoty RF výkonu alebo na prekonanie strát pri šírení. Yagi-Uda rectenna polia, bowtie polia, špirálové polia, tesne spojené polia Vivaldi, CPW CP polia a patch polia patria medzi škálovateľné implementácie rectenna, ktoré môžu maximalizovať hustotu dopadajúceho výkonu v určitej oblasti. Ďalšie prístupy na zlepšenie zisku antény zahŕňajú technológiu vlnovodu s integrovaným substrátom (SIW) v mikrovlnných a milimetrových vlnových pásmach, špecifickú pre WPT. Rektény s vysokým ziskom sa však vyznačujú úzkymi šírkami lúčov, vďaka čomu je príjem vĺn v ľubovoľných smeroch neefektívny. Skúmanie počtu anténnych prvkov a portov dospelo k záveru, že vyššia smerovosť nezodpovedá vyššiemu zozbieranému výkonu v okolitom RFEH za predpokladu trojrozmerného ľubovoľného výskytu; to bolo overené terénnymi meraniami v mestskom prostredí. Polia s vysokým ziskom môžu byť obmedzené na aplikácie WPT.
Na prenos výhod antén s vysokým ziskom na ľubovoľné RFEH sa na prekonanie problému so smerovosťou používajú riešenia balenia alebo usporiadania. Navrhuje sa dvojitý náramok antény na zber energie z okolitých Wi-Fi RFEH v dvoch smeroch. Ambientné bunkové RFEH antény sú tiež navrhnuté ako 3D boxy a vytlačené alebo prilepené na vonkajšie povrchy, aby sa zmenšila plocha systému a umožnil sa viacsmerný zber. Štruktúry kubických rectenna vykazujú vyššiu pravdepodobnosť príjmu energie v okolitých RFEH.
Vylepšenia konštrukcie antény na zvýšenie šírky lúča, vrátane pomocných parazitných náplasťových prvkov, sa vykonali na zlepšenie WPT pri 2,4 GHz, polia 4 × 1. Bola tiež navrhnutá 6 GHz sieťová anténa s viacerými oblasťami lúčov, ktorá demonštruje viac lúčov na port. Pre viacsmerné a multipolarizované RFEH boli navrhnuté viacportové, viacusmerňovacie povrchové rektény a antény na zber energie s všesmerovými vyžarovacími vzormi. Viacnásobné usmerňovače s matricami vytvárajúcimi lúč a viacportové anténne polia boli tiež navrhnuté pre vysoko ziskový, viacsmerný zber energie.
Stručne povedané, zatiaľ čo antény s vysokým ziskom sú preferované na zlepšenie výkonu získaného z nízkych RF hustot, vysoko smerové prijímače nemusia byť ideálne v aplikáciách, kde je smer vysielača neznámy (napr. okolité RFEH alebo WPT cez neznáme kanály šírenia). V tejto práci sú navrhnuté viaceré viaclúčové prístupy pre viacsmerné WPT s vysokým ziskom a RFEH.
2. Polarizácia antény
Polarizácia antény popisuje pohyb vektora elektrického poľa vzhľadom na smer šírenia antény. Polarizačné nesúlady môžu viesť k zníženiu prenosu/príjmu medzi anténami, aj keď sú smery hlavných lalokov zarovnané. Napríklad, ak sa na vysielanie použije vertikálna LP anténa a na príjem horizontálna LP anténa, nebude sa prijímať žiadna energia. V tejto časti sú uvedené metódy na maximalizáciu účinnosti bezdrôtového príjmu a zabránenie stratám polarizačného nesúladu. Súhrn navrhovanej architektúry rectenna s ohľadom na polarizáciu je uvedený na obrázku 6 a príklad SoA je uvedený v tabuľke 4.
Obrázok 6
V celulárnych komunikáciách je nepravdepodobné, že sa dosiahne lineárne polarizačné zarovnanie medzi základňovými stanicami a mobilnými telefónmi, takže antény základňových staníc sú navrhnuté tak, aby boli duálne polarizované alebo multipolarizované, aby sa predišlo stratám polarizačného nesúladu. Variácia polarizácie LP vĺn v dôsledku viaccestných efektov však zostáva nevyriešeným problémom. Na základe predpokladu multipolarizovaných mobilných základňových staníc sú bunkové RFEH antény navrhnuté ako LP antény.
CP rectenna sa používajú hlavne vo WPT, pretože sú relatívne odolné voči nesúladu. CP antény sú schopné prijímať CP žiarenie s rovnakým smerom rotácie (ľavostranné alebo pravotočivé CP) okrem všetkých LP vĺn bez straty výkonu. V každom prípade CP anténa vysiela a LP anténa prijíma so stratou 3 dB (50% strata výkonu). Uvádza sa, že CP rectennas sú vhodné pre priemyselné, vedecké a medicínske pásma 900 MHz a 2,4 GHz a 5,8 GHz, ako aj milimetrové vlny. V RFEH ľubovoľne polarizovaných vĺn predstavuje polarizačná diverzita potenciálne riešenie strát polarizačného nesúladu.
Úplná polarizácia, tiež známa ako multipolarizácia, bola navrhnutá na úplné prekonanie strát polarizačného nesúladu, čo umožňuje zber CP aj LP vĺn, kde dva duálne polarizované ortogonálne LP prvky efektívne prijímajú všetky LP a CP vlny. Aby sme to ilustrovali, vertikálne a horizontálne sieťové napätia (VV a VH) zostávajú konštantné bez ohľadu na uhol polarizácie:
Elektrické pole CP elektromagnetickej vlny „E“, kde sa energia odoberá dvakrát (raz na jednotku), čím sa plne prijíma komponent CP a prekonáva sa strata polarizačného nesúladu 3 dB:
Nakoniec je možné prostredníctvom jednosmernej kombinácie prijímať dopadajúce vlny ľubovoľnej polarizácie. Obrázok 7 zobrazuje geometriu uvádzanej plne polarizovanej rektenny.
Obrázok 7
Stručne povedané, v aplikáciách WPT s vyhradenými zdrojmi napájania sa uprednostňuje CP, pretože zlepšuje účinnosť WPT bez ohľadu na uhol polarizácie antény. Na druhej strane, pri viaczdrojovom získavaní, najmä z okolitých zdrojov, môžu plne polarizované antény dosiahnuť lepší celkový príjem a maximálnu prenosnosť; viacportové/multiusmerňovacie architektúry sú potrebné na kombinovanie plne polarizovaného napájania pri RF alebo DC.
Zhrnutie
Tento článok hodnotí nedávny pokrok v dizajne antén pre RFEH a WPT a navrhuje štandardnú klasifikáciu návrhu antény pre RFEH a WPT, ktorá nebola navrhnutá v predchádzajúcej literatúre. Boli identifikované tri základné požiadavky na anténu na dosiahnutie vysokej účinnosti RF-to-DC:
1. Šírka pásma impedancie anténneho usmerňovača pre záujmové pásma RFEH a WPT;
2. Zarovnanie hlavného laloka medzi vysielačom a prijímačom vo WPT z vyhradeného zdroja;
3. Polarizačné prispôsobenie medzi rektennou a dopadajúcou vlnou bez ohľadu na uhol a polohu.
Na základe impedancie sa usmerňovače delia na 50Ω a usmerňovacie konjugované usmerňovače, so zameraním na impedančné prispôsobenie medzi rôznymi pásmami a záťažami a účinnosť každej metódy prispôsobenia.
Radiačné charakteristiky SoA rectennas boli preskúmané z hľadiska smerovosti a polarizácie. Sú diskutované metódy na zlepšenie zisku tvarovaním lúča a balením na prekonanie úzkej šírky lúča. Nakoniec sa preskúmajú CP rectenna pre WPT spolu s rôznymi implementáciami na dosiahnutie polarizačne nezávislého príjmu pre WPT a RFEH.
Ak sa chcete dozvedieť viac o anténach, navštívte:
Čas odoslania: 16. augusta 2024
