Współprojektowanie anteny i prostownika
Cechą charakterystyczną prostowników zgodnych z topologią EG na rysunku 2 jest to, że antena jest bezpośrednio dopasowana do prostownika, a nie do standardu 50Ω, co wymaga zminimalizowania lub wyeliminowania obwodu dopasowującego do zasilania prostownika. W tej sekcji omówiono zalety prostowników SoA z antenami innymi niż 50Ω i prostowników bez sieci dopasowujących.
1. Anteny elektryczne małe
Anteny pierścieniowe rezonansowe LC są szeroko stosowane w aplikacjach, w których rozmiar systemu ma kluczowe znaczenie. Przy częstotliwościach poniżej 1 GHz długość fali może powodować, że standardowe anteny rozproszone zajmują więcej miejsca niż całkowity rozmiar systemu, a aplikacje takie jak w pełni zintegrowane transceivery do implantów ciała szczególnie korzystają z użycia elektrycznie małych anten do WPT.
Wysoka impedancja indukcyjna małej anteny (bliska rezonansu) może być wykorzystana do bezpośredniego sprzężenia prostownika lub z dodatkową pojemnościową siecią dopasowującą na chipie. Małe elektrycznie anteny zostały zgłoszone w WPT z LP i CP poniżej 1 GHz przy użyciu anten dipolowych Huygensa, z ka=0,645, podczas gdy ka=5,91 w normalnych dipolach (ka=2πr/λ0).
2. Antena sprzężona prostownikowa
Typowa impedancja wejściowa diody jest wysoce pojemnościowa, więc do uzyskania impedancji sprzężonej wymagana jest antena indukcyjna. Ze względu na pojemnościową impedancję układu scalonego, anteny indukcyjne o wysokiej impedancji są szeroko stosowane w tagach RFID. Anteny dipolowe stały się ostatnio trendem w antenach RFID o złożonej impedancji, wykazując wysoką impedancję (rezystancję i reaktancję) w pobliżu ich częstotliwości rezonansowej.
Indukcyjne anteny dipolowe zostały użyte do dopasowania wysokiej pojemności prostownika w interesującym paśmie częstotliwości. W składanej antenie dipolowej podwójna krótka linia (składanie dipola) działa jak transformator impedancji, umożliwiając zaprojektowanie anteny o ekstremalnie wysokiej impedancji. Alternatywnie, zasilanie polaryzacji jest odpowiedzialne za zwiększenie reaktancji indukcyjnej, jak również rzeczywistej impedancji. Połączenie wielu elementów dipolowych polaryzacji z niezrównoważonymi bolcami promieniowymi typu bow-tie tworzy podwójną szerokopasmową antenę o wysokiej impedancji. Rysunek 4 przedstawia niektóre zgłoszone anteny sprzężone prostownika.
Rysunek 4
Charakterystyka promieniowania w RFEH i WPT
W modelu Friisa moc PRX odbierana przez antenę znajdującą się w odległości d od nadajnika jest bezpośrednią funkcją wzmocnień odbiornika i nadajnika (GRX, GTX).
Kierunkowość i polaryzacja głównego płatka anteny bezpośrednio wpływają na ilość mocy pobieranej z fali padającej. Charakterystyka promieniowania anteny to kluczowe parametry, które różnicują RFEH otoczenia i WPT (rysunek 5). Podczas gdy w obu zastosowaniach medium propagacyjne może być nieznane i należy wziąć pod uwagę jego wpływ na odbieraną falę, można wykorzystać wiedzę na temat anteny nadawczej. Tabela 3 identyfikuje kluczowe parametry omawiane w tej sekcji i ich zastosowanie do RFEH i WPT.
Rysunek 5
1. Kierunkowość i zysk
W większości zastosowań RFEH i WPT zakłada się, że kolektor nie zna kierunku promieniowania padającego i nie ma ścieżki widoczności (LoS). W tej pracy zbadano wiele projektów i rozmieszczeń anten, aby zmaksymalizować moc odbieraną z nieznanego źródła, niezależnie od ustawienia głównego płatka między nadajnikiem a odbiornikiem.
Anteny dookólne są szeroko stosowane w rektendach środowiskowych RFEH. W literaturze PSD zmienia się w zależności od orientacji anteny. Jednak wahania mocy nie zostały wyjaśnione, więc nie można określić, czy wahania wynikają ze wzoru promieniowania anteny, czy z niedopasowania polaryzacji.
Oprócz zastosowań RFEH, anteny kierunkowe o wysokim wzmocnieniu i układy są szeroko zgłaszane do mikrofalowego WPT w celu poprawy wydajności zbierania niskiej gęstości mocy RF lub przezwyciężenia strat propagacyjnych. Układy prostokątne Yagi-Uda, układy bowtie, układy spiralne, ściśle sprzężone układy Vivaldi, układy CPW CP i układy patch należą do skalowalnych implementacji prostokątnych, które mogą maksymalizować gęstość mocy padającej w określonym obszarze. Inne podejścia do poprawy wzmocnienia anteny obejmują technologię zintegrowanego falowodu podłoża (SIW) w pasmach mikrofalowych i milimetrowych, specyficzną dla WPT. Jednak prostokątne anteny o wysokim wzmocnieniu charakteryzują się wąskimi szerokościami wiązki, co sprawia, że odbiór fal w dowolnych kierunkach jest nieefektywny. Badania liczby elementów antenowych i portów wykazały, że wyższa kierunkowość nie odpowiada wyższej mocy zbieranej w otaczającym RFEH przy założeniu trójwymiarowego dowolnego padania; zostało to zweryfikowane przez pomiary terenowe w środowiskach miejskich. Układy o wysokim wzmocnieniu mogą być ograniczone do zastosowań WPT.
Aby przenieść korzyści anten o wysokim wzmocnieniu na dowolne RFEH, stosuje się rozwiązania w zakresie pakowania lub układu, aby przezwyciężyć problem kierunkowości. Proponuje się opaskę na nadgarstek z podwójną łatką anteny, aby zbierać energię z otaczających Wi-Fi RFEH w dwóch kierunkach. Anteny RFEH do otoczenia są również projektowane jako pudełka 3D i drukowane lub przyklejane do zewnętrznych powierzchni, aby zmniejszyć obszar systemu i umożliwić wielokierunkowe zbieranie. Struktury prostopadłościenne sześcienne wykazują większe prawdopodobieństwo odbioru energii w otaczających RFEH.
Ulepszenia konstrukcji anteny w celu zwiększenia szerokości wiązki, w tym pomocnicze elementy łat pasożytniczych, zostały wprowadzone w celu poprawy WPT przy 2,4 GHz, układach 4 × 1. Zaproponowano również antenę siatkową 6 GHz z wieloma obszarami wiązki, demonstrując wiele wiązek na port. Wieloportowe, wieloprostownikowe powierzchniowe prostowniki i anteny zbierające energię z dookólnymi wzorcami promieniowania zostały zaproponowane dla wielokierunkowych i wielopolaryzacyjnych RFEH. Wieloprostowniki z matrycami kształtującymi wiązkę i wieloportowe układy antenowe zostały również zaproponowane dla zbierania energii o wysokim wzmocnieniu i wielokierunkowych.
Podsumowując, podczas gdy anteny o wysokim wzmocnieniu są preferowane w celu poprawy mocy zbieranej z niskich gęstości RF, odbiorniki o wysokiej kierunkowości mogą nie być idealne w zastosowaniach, w których kierunek nadajnika jest nieznany (np. RFEH otoczenia lub WPT przez nieznane kanały propagacji). W tej pracy zaproponowano wiele podejść wielowiązkowych dla wielokierunkowych WPT i RFEH o wysokim wzmocnieniu.
2. Polaryzacja anteny
Polaryzacja anteny opisuje ruch wektora pola elektrycznego względem kierunku propagacji anteny. Niedopasowanie polaryzacji może prowadzić do zmniejszenia transmisji/odbioru między antenami, nawet gdy kierunki głównych płatów są wyrównane. Na przykład, jeśli pionowa antena LP jest używana do transmisji, a pozioma antena LP jest używana do odbioru, nie zostanie odebrana żadna moc. W tej sekcji omówiono zgłoszone metody maksymalizacji wydajności odbioru bezprzewodowego i unikania strat spowodowanych niedopasowaniem polaryzacji. Podsumowanie proponowanej architektury prostoliniowej w odniesieniu do polaryzacji podano na rysunku 6, a przykład SoA podano w tabeli 4.
Rysunek 6
W komunikacji komórkowej mało prawdopodobne jest osiągnięcie liniowego wyrównania polaryzacji między stacjami bazowymi a telefonami komórkowymi, dlatego anteny stacji bazowych są projektowane tak, aby były dwu- lub wielopolaryzacyjne, aby uniknąć strat spowodowanych niedopasowaniem polaryzacji. Jednak zmienność polaryzacji fal LP spowodowana efektami wielodrogowymi pozostaje nierozwiązanym problemem. Opierając się na założeniu wielopolaryzacyjnych stacji bazowych, anteny RFEH dla sieci komórkowych są projektowane jako anteny LP.
Prostowniki CP są głównie używane w WPT, ponieważ są stosunkowo odporne na niedopasowanie. Anteny CP są w stanie odbierać promieniowanie CP z tym samym kierunkiem obrotu (CP lewoskrętny lub prawoskrętny) oprócz wszystkich fal LP bez utraty mocy. W każdym przypadku antena CP nadaje, a antena LP odbiera ze stratą 3 dB (50% utraty mocy). Prostowniki CP są uznawane za odpowiednie dla pasm przemysłowych, naukowych i medycznych 900 MHz i 2,4 GHz i 5,8 GHz, a także fal milimetrowych. W RFEH fal o dowolnej polaryzacji różnorodność polaryzacji stanowi potencjalne rozwiązanie strat wynikających z niedopasowania polaryzacji.
Pełna polaryzacja, znana również jako wielopolaryzacja, została zaproponowana w celu całkowitego przezwyciężenia strat niedopasowania polaryzacji, umożliwiając zbieranie fal CP i LP, gdzie dwa podwójnie spolaryzowane ortogonalne elementy LP skutecznie odbierają wszystkie fale LP i CP. Aby to zilustrować, pionowe i poziome napięcia netto (VV i VH) pozostają stałe niezależnie od kąta polaryzacji:
Fala elektromagnetyczna CP „E” to pole elektryczne, w którym moc jest zbierana dwukrotnie (raz na jednostkę), dzięki czemu w pełni odbierana jest składowa CP, a strata wynikająca z niedopasowania polaryzacji wynosi 3 dB:
Wreszcie, poprzez kombinację DC, można otrzymać fale padające o dowolnej polaryzacji. Rysunek 7 przedstawia geometrię zgłoszonej w pełni spolaryzowanej prostopadłościanu.
Rysunek 7
Podsumowując, w zastosowaniach WPT z dedykowanymi zasilaczami, CP jest preferowane, ponieważ poprawia wydajność WPT niezależnie od kąta polaryzacji anteny. Z drugiej strony, w akwizycji wieloźródłowej, zwłaszcza ze źródeł otoczenia, w pełni spolaryzowane anteny mogą osiągnąć lepszy ogólny odbiór i maksymalną przenośność; architektury wieloportowe/wieloprostownikowe są wymagane do łączenia w pełni spolaryzowanej mocy przy RF lub DC.
Streszczenie
W tym artykule omówiono ostatnie postępy w projektowaniu anten dla RFEH i WPT oraz zaproponowano standardową klasyfikację projektowania anten dla RFEH i WPT, która nie została zaproponowana w poprzedniej literaturze. Zidentyfikowano trzy podstawowe wymagania antenowe dla osiągnięcia wysokiej wydajności RF-DC:
1. Pasmo impedancji prostownika antenowego dla interesujących pasm RFEH i WPT;
2. Wyrównanie głównego płata pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem w WPT z dedykowanego źródła;
3. Dopasowanie polaryzacji pomiędzy prostownicą a falą padającą niezależnie od kąta i położenia.
Na podstawie impedancji prostowniki klasyfikuje się na prostowniki 50Ω i prostowniki sprzężone prostowniczo, przy czym szczególną uwagę zwraca się na dopasowanie impedancji pomiędzy różnymi pasmami i obciążeniami oraz wydajność każdej metody dopasowania.
Charakterystyki promieniowania prostownic SoA zostały przeanalizowane z perspektywy kierunkowości i polaryzacji. Omówiono metody poprawy wzmocnienia poprzez formowanie wiązki i pakowanie w celu przezwyciężenia wąskiej szerokości wiązki. Na koniec przeanalizowano prostownice CP dla WPT, wraz z różnymi implementacjami w celu uzyskania niezależnego od polaryzacji odbioru dla WPT i RFEH.
Więcej informacji na temat anten znajdziesz na stronie:
Czas publikacji: 16-08-2024
