Wspólny projekt anteny i prostownika
Cechą prostowników zgodnych z topologią EG na rysunku 2 jest to, że antena jest dopasowana bezpośrednio do prostownika, a nie do standardu 50 Ω, co wymaga zminimalizowania lub wyeliminowania obwodu dopasowującego do zasilania prostownika. W tej sekcji omówiono zalety prostych anten SoA z antenami innymi niż 50 Ω i prostych anten bez pasujących sieci.
1. Małe anteny elektryczne
Anteny pierścieniowe rezonansowe LC są szeroko stosowane w zastosowaniach, w których wielkość systemu ma kluczowe znaczenie. Przy częstotliwościach poniżej 1 GHz długość fali może spowodować, że standardowe anteny z elementami rozproszonymi zajmą więcej miejsca niż całkowity rozmiar systemu, a zastosowania takie jak w pełni zintegrowane urządzenia nadawczo-odbiorcze do implantów ciała szczególnie skorzystają na zastosowaniu elektrycznie małych anten do WPT.
Wysoka impedancja indukcyjna małej anteny (bliska rezonansu) może zostać wykorzystana do bezpośredniego połączenia prostownika lub z dodatkową pojemnościową siecią dopasowującą na chipie. W WPT zgłoszono elektrycznie małe anteny z LP i CP poniżej 1 GHz przy użyciu anten dipolowych Huygens, przy ka = 0,645, podczas gdy ka = 5,91 w normalnych dipolach (ka = 2πr/λ0).
2. Antena sprzężona z prostownikiem
Typowa impedancja wejściowa diody jest bardzo pojemnościowa, dlatego do osiągnięcia impedancji sprzężonej wymagana jest antena indukcyjna. Ze względu na impedancję pojemnościową chipa, w znacznikach RFID szeroko stosowane są anteny indukcyjne o wysokiej impedancji. Anteny dipolowe stały się ostatnio trendem w antenach RFID o złożonej impedancji, charakteryzujących się wysoką impedancją (rezystancją i reaktancją) w pobliżu ich częstotliwości rezonansowej.
Zastosowano indukcyjne anteny dipolowe, aby dopasować się do dużej pojemności prostownika w interesującym paśmie częstotliwości. W złożonej antenie dipolowej podwójna krótka linia (składana dipolowa) działa jak transformator impedancyjny, umożliwiając zaprojektowanie anteny o wyjątkowo wysokiej impedancji. Alternatywnie, zasilanie polaryzacyjne jest odpowiedzialne za zwiększenie reaktancji indukcyjnej, a także rzeczywistej impedancji. Połączenie wielu spolaryzowanych elementów dipolowych z niezrównoważonymi promieniowymi końcówkami muszkowymi tworzy podwójną szerokopasmową antenę o wysokiej impedancji. Rysunek 4 przedstawia niektóre zgłoszone anteny sprzężone z prostownikiem.
Rysunek 4
Charakterystyka promieniowania w RFEH i WPT
W modelu Friis moc PRX odbierana przez antenę w odległości d od nadajnika jest bezpośrednią funkcją wzmocnień odbiornika i nadajnika (GRX, GTX).
Kierunkowość i polaryzacja listka głównego anteny bezpośrednio wpływają na ilość mocy zbieranej z fali padającej. Charakterystyka promieniowania anteny to kluczowe parametry różnicujące RFEH otoczenia i WPT (rysunek 5). Chociaż w obu zastosowaniach ośrodek propagacji może być nieznany i należy wziąć pod uwagę jego wpływ na odbieraną falę, można wykorzystać znajomość anteny nadawczej. Tabela 3 przedstawia kluczowe parametry omówione w tej sekcji oraz ich zastosowanie do RFEH i WPT.
Rysunek 5
1. Kierunkowość i wzmocnienie
W większości zastosowań RFEH i WPT zakłada się, że kolektor nie zna kierunku padającego promieniowania i nie ma ścieżki w linii wzroku (LoS). W tej pracy zbadano wiele konstrukcji i rozmieszczeń anten, aby zmaksymalizować odbieraną moc z nieznanego źródła, niezależnie od ułożenia głównego listka pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem.
Anteny dookólne są szeroko stosowane w prostownikach środowiskowych RFEH. W literaturze PSD różni się w zależności od orientacji anteny. Jednakże zmiany mocy nie zostały wyjaśnione, więc nie jest możliwe określenie, czy zmiany wynikają z charakterystyki promieniowania anteny, czy z niedopasowania polaryzacji.
Oprócz zastosowań RFEH, szeroko donoszono o antenach i układach kierunkowych o dużym wzmocnieniu dla mikrofalowego WPT, w celu poprawy wydajności zbierania niskiej gęstości mocy RF lub przezwyciężenia strat propagacyjnych. Macierze prostowników, macierze muszkowe, macierze spiralne, ściśle sprzężone macierze Vivaldiego, macierze CPW CP i macierze krosowe Yagi-Uda należą do skalowalnych implementacji rectenn, które mogą zmaksymalizować gęstość mocy padającej na określonym obszarze. Inne podejścia do poprawy wzmocnienia anteny obejmują technologię falowodu zintegrowanego z podłożem (SIW) w pasmach mikrofalowych i fal milimetrowych, specyficzną dla WPT. Jednakże prostowniki o dużym wzmocnieniu charakteryzują się wąskimi szerokościami wiązek, co sprawia, że odbiór fal w dowolnych kierunkach jest nieefektywny. Badania liczby elementów antenowych i portów wykazały, że wyższa kierunkowość nie odpowiada wyższej mocy zebranej w otaczającym RFEH, przy założeniu trójwymiarowego dowolnego padania; zostało to zweryfikowane na podstawie pomiarów terenowych w środowisku miejskim. Tablice o dużym wzmocnieniu można ograniczyć do zastosowań WPT.
Aby przenieść zalety anten o dużym wzmocnieniu na dowolne RFEH, stosuje się rozwiązania w zakresie pakowania lub układu w celu przezwyciężenia problemu kierunkowości. Proponuje się opaską na nadgarstek z podwójną anteną, która zbiera energię z zewnętrznych odbiorników RFEH Wi-Fi w dwóch kierunkach. Anteny komórkowe RFEH do otoczenia są również projektowane jako skrzynki 3D i drukowane lub przyklejane do powierzchni zewnętrznych, aby zmniejszyć obszar systemu i umożliwić wielokierunkowy zbiór. Struktury prostopadłościanu sześciennego wykazują większe prawdopodobieństwo odbioru energii w otaczających RFEH.
Wprowadzono ulepszenia konstrukcji anteny mające na celu zwiększenie szerokości wiązki, w tym dodatkowe elementy pasożytnicze, aby ulepszyć WPT przy 2,4 GHz, układy 4 × 1. Zaproponowano również antenę siatkową 6 GHz z wieloma obszarami wiązek, co pozwala wykazać wiele wiązek na port. Do wielokierunkowego i wielospolaryzowanego RFEH zaproponowano wieloportowe, wieloprostownikowe prostowniki powierzchniowe i anteny do gromadzenia energii z dookólnymi charakterystykami promieniowania. Zaproponowano również prostowniki wieloportowe z matrycami kształtującymi wiązkę i wieloportowymi układami anten do wielokierunkowego gromadzenia energii o dużym wzmocnieniu.
Podsumowując, chociaż anteny o dużym wzmocnieniu są preferowane w celu poprawy mocy zbieranej z niskich gęstości częstotliwości radiowych, odbiorniki silnie kierunkowe mogą nie być idealne w zastosowaniach, w których kierunek nadajnika jest nieznany (np. RFEH otoczenia lub WPT przez nieznane kanały propagacyjne). W tej pracy zaproponowano wiele podejść wielowiązkowych dla wielokierunkowych WPT i RFEH o dużym wzmocnieniu.
2. Polaryzacja anteny
Polaryzacja anteny opisuje ruch wektora pola elektrycznego względem kierunku propagacji anteny. Niedopasowania polaryzacji mogą prowadzić do zmniejszonej transmisji/odbioru pomiędzy antenami, nawet jeśli kierunki głównych listków są wyrównane. Na przykład, jeśli do transmisji używana jest pionowa antena LP, a pozioma antena LP do odbioru, moc nie będzie odbierana. W tej sekcji dokonano przeglądu zgłoszonych metod maksymalizacji wydajności odbioru bezprzewodowego i uniknięcia strat spowodowanych niedopasowaniem polaryzacji. Podsumowanie proponowanej architektury rectenny w odniesieniu do polaryzacji przedstawiono na rysunku 6, a przykład SoA podano w tabeli 4.
Rysunek 6
W komunikacji komórkowej osiągnięcie liniowej polaryzacji między stacjami bazowymi a telefonami komórkowymi jest mało prawdopodobne, dlatego anteny stacji bazowych są projektowane tak, aby były dwupolaryzacyjne lub wielopolaryzacyjne, aby uniknąć strat wynikających z niedopasowania polaryzacji. Jednakże zmiany polaryzacji fal LP spowodowane efektami wielodrożnymi pozostają nierozwiązanym problemem. W oparciu o założenie wielopolaryzacyjnych mobilnych stacji bazowych, anteny komórkowe RFEH projektowane są jako anteny LP.
Prostowniki CP są używane głównie w WPT, ponieważ są stosunkowo odporne na niedopasowanie. Anteny CP są w stanie odbierać promieniowanie CP o tym samym kierunku obrotu (CP lewoskrętne lub prawoskrętne) oprócz wszystkich fal LP bez utraty mocy. W każdym przypadku antena CP nadaje, a antena LP odbiera ze stratą 3 dB (strata mocy 50%). Według doniesień proste anteny CP są odpowiednie dla pasm przemysłowych, naukowych i medycznych 900 MHz oraz 2,4 GHz i 5,8 GHz, a także dla fal milimetrowych. W RFEH arbitralnie spolaryzowanych fal różnorodność polaryzacji stanowi potencjalne rozwiązanie strat spowodowanych niedopasowaniem polaryzacji.
Zaproponowano pełną polaryzację, znaną również jako wielopolaryzację, aby całkowicie przezwyciężyć straty wynikające z niedopasowania polaryzacji, umożliwiając zbieranie zarówno fal CP, jak i LP, gdzie dwa podwójnie spolaryzowane ortogonalne elementy LP skutecznie odbierają wszystkie fale LP i CP. Aby to zilustrować, pionowe i poziome napięcia sieciowe (VV i VH) pozostają stałe niezależnie od kąta polaryzacji:
Pole elektryczne fali elektromagnetycznej CP „E”, w którym moc jest zbierana dwukrotnie (raz na jednostkę), w ten sposób w pełni odbierając składową CP i przezwyciężając stratę niedopasowania polaryzacji wynoszącą 3 dB:
Wreszcie, dzięki kombinacji prądu stałego, można odbierać fale padające o dowolnej polaryzacji. Rycina 7 przedstawia geometrię raportowanej w pełni spolaryzowanej odbytnicy.
Rysunek 7
Podsumowując, w zastosowaniach WPT z dedykowanymi zasilaczami preferowany jest CP, ponieważ poprawia wydajność WPT niezależnie od kąta polaryzacji anteny. Z drugiej strony, w przypadku akwizycji z wielu źródeł, zwłaszcza ze źródeł otoczenia, w pełni spolaryzowane anteny mogą zapewnić lepszy ogólny odbiór i maksymalną przenośność; Aby połączyć w pełni spolaryzowaną moc w trybie RF lub DC, wymagana jest architektura wieloportowa/wieloprostownikowa.
Streszczenie
W artykule dokonano przeglądu najnowszego postępu w projektowaniu anten dla RFEH i WPT i zaproponowano standardową klasyfikację konstrukcji anten dla RFEH i WPT, która nie była proponowana w poprzedniej literaturze. Zidentyfikowano trzy podstawowe wymagania antenowe umożliwiające osiągnięcie wysokiej wydajności RF-DC:
1. Szerokość pasma impedancji prostownika antenowego dla interesujących pasm RFEH i WPT;
2. Ustawienie listka głównego pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem w WPT z dedykowanego zasilania;
3. Dopasowanie polaryzacji między odbytnicą a falą padającą niezależnie od kąta i położenia.
W oparciu o impedancję prostowniki dzieli się na 50 Ω i prostowniki sprzężone, ze szczególnym uwzględnieniem dopasowania impedancji pomiędzy różnymi pasmami i obciążeniami oraz wydajności każdej metody dopasowywania.
Charakterystyka promieniowania prostowników SoA została zbadana z punktu widzenia kierunkowości i polaryzacji. Omówiono metody poprawy wzmocnienia poprzez kształtowanie i pakowanie wiązki w celu przezwyciężenia wąskiej szerokości wiązki. Na koniec dokonano przeglądu rectenn CP dla WPT wraz z różnymi implementacjami pozwalającymi uzyskać odbiór niezależny od polaryzacji dla WPT i RFEH.
Więcej informacji na temat anten można znaleźć na stronie:
Czas publikacji: 16 sierpnia 2024 r
