Współprojektowanie anteny i prostownika
Cechą charakterystyczną anten prostowniczych zgodnych z topologią EG przedstawioną na rysunku 2 jest bezpośrednie dopasowanie anteny do prostownika, a nie standardu 50 Ω, co wymaga zminimalizowania lub wyeliminowania obwodu dopasowującego do zasilania prostownika. W tej sekcji omówiono zalety anten prostowniczych SoA z antenami innymi niż 50 Ω oraz anten prostowniczych bez układów dopasowujących.
1. Anteny o małej mocy elektrycznej
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 wynosi całkowity rozmiar systemu, a zastosowania takie jak w pełni zintegrowane transceivery do implantów wszczepianych do ciała szczególnie korzystają z zastosowania anten o małych gabarytach elektrycznych w technologii WPT.
Wysoka impedancja indukcyjna małej anteny (bliska rezonansowi) może być wykorzystana do bezpośredniego sprzężenia prostownika lub z dodatkową pojemnościową siecią dopasowującą na chipie. W WPT z częstotliwościami LP i CP poniżej 1 GHz, z wykorzystaniem anten dipolowych Huygensa, z ka = 0,645, podczas gdy ka = 5,91 w dipolach normalnych (ka = 2πr/λ0), odnotowano anteny o małych parametrach elektrycznych.
2. Antena sprzężona prostownicza
Typowa impedancja wejściowa diody jest wysoce pojemnościowa, dlatego do uzyskania impedancji sprzężonej wymagana jest antena indukcyjna. Ze względu na impedancję pojemnościową układu scalonego, anteny indukcyjne o wysokiej impedancji są szeroko stosowane w tagach RFID. Anteny dipolowe stały się ostatnio popularnym rozwiązaniem w antenach RFID o złożonej impedancji, charakteryzujących się wysoką impedancją (rezystancją i reaktancją) w pobliżu częstotliwości rezonansowej.
Indukcyjne anteny dipolowe zostały zastosowane w celu dopasowania do wysokiej pojemności prostownika w interesującym paśmie częstotliwości. W antenie dipolowej sfałdowanej, podwójna krótka linia (sfałdowanie dipolowe) działa jak transformator impedancji, umożliwiając zaprojektowanie anteny o ekstremalnie wysokiej impedancji. Alternatywnie, zasilanie polaryzacji odpowiada za zwiększenie reaktancji indukcyjnej, a także rzeczywistej impedancji. Połączenie wielu spolaryzowanych elementów dipolowych z niezbalansowanymi bolcami promieniowymi tworzy podwójną szerokopasmową antenę o wysokiej impedancji. Rysunek 4 przedstawia niektóre opisane anteny sprzężone prostownicze.
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 listka anteny bezpośrednio wpływają na ilość mocy pobieranej 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 uwzględnić jego wpływ na odbieraną falę, można wykorzystać wiedzę o antenie nadawczej. Tabela 3 przedstawia kluczowe parametry omówione w tej sekcji oraz ich zastosowanie w 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 widoczności (LoS). W niniejszej pracy zbadano wiele konstrukcji i rozmieszczeń anten w celu maksymalizacji mocy odbieranej z nieznanego źródła, niezależnie od ustawienia głównego listka anteny między nadajnikiem a odbiornikiem.
Anteny dookólne są szeroko stosowane w reflektometrach RFEH. W literaturze podaje się, że PSD zmienia się w zależności od orientacji anteny. Jednakże, zmiana mocy nie została wyjaśniona, dlatego nie można określić, czy wynika ona z charakterystyki promieniowania anteny, czy z niedopasowania polaryzacji.
Oprócz zastosowań RFEH, anteny kierunkowe i układy antenowe o wysokim zysku są szeroko stosowane w mikrofalowych systemach WPT (Water Patient System), aby poprawić wydajność odbioru fal o niskiej gęstości mocy RF lub zniwelować straty propagacyjne. Układy anten prostopadłych Yagi-Uda, układy typu Bowtie, układy spiralne, ściśle sprzężone układy Vivaldi, układy CPW CP i układy typu Patch należą do skalowalnych implementacji anten prostopadłych, które mogą maksymalizować gęstość mocy padającej na określonym obszarze. Inne podejścia do poprawy zysku anteny obejmują technologię światłowodów zintegrowanych z podłożem (SIW) w pasmach mikrofalowych i milimetrowych, specyficzną dla WPT. Jednakże anteny prostopadłe o wysokim zysku 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 pozyskiwanej w otaczającym RFEH, przy założeniu trójwymiarowego, dowolnego padania; zostało to potwierdzone pomiarami terenowymi w środowiskach miejskich. Układy antenowe o wysokim zysku mogą być ograniczone do zastosowań WPT.
Aby przenieść zalety anten o wysokim zysku na dowolne nadajniki radiowe (RFEH), stosuje się rozwiązania w zakresie obudów lub układów, aby przezwyciężyć problem kierunkowości. Zaproponowano dwupasmową opaskę antenową do zbierania energii z otaczających nadajników radiowych Wi-Fi (RFEH) w dwóch kierunkach. Anteny RFEH do zastosowań w sieciach komórkowych (RFEH) są również projektowane jako trójwymiarowe skrzynki i drukowane lub przyklejane do zewnętrznych powierzchni, aby zmniejszyć powierzchnię systemu i umożliwić zbieranie energii w wielu kierunkach. Sześcienne struktury prostopadłościenne (rectenna) wykazują większe prawdopodobieństwo odbioru energii przez otaczające nadajniki radiowe (RFEH).
Wprowadzono ulepszenia w konstrukcji anteny, zwiększające szerokość wiązki, w tym pomocnicze elementy łatające, aby poprawić WPT w pasmach 2,4 GHz i układach anten 4 × 1. Zaproponowano również antenę siatkową 6 GHz z wieloma obszarami wiązek, prezentującą wiele wiązek na port. Do wielokierunkowych i wielopolaryzacyjnych systemów RFEH zaproponowano wieloportowe, wieloprostownikowe anteny powierzchniowe i anteny do pozyskiwania energii o dookólnej charakterystyce promieniowania. Do wielokierunkowego pozyskiwania energii o wysokim zysku zaproponowano również wieloprostowniki z matrycami kształtującymi wiązkę i wieloportowe układy antenowe.
Podsumowując, chociaż anteny o wysokim zysku są preferowane w celu poprawy mocy pozyskiwanej z niskich gęstości RF, odbiorniki o wysokiej kierunkowości mogą nie być idealne w zastosowaniach, w których kierunek nadawania jest nieznany (np. w przypadku radia radiowego (RFEH) lub bezprzewodowego nadajnika radiowego (WPT) w nieznanych kanałach propagacyjnych). W niniejszej pracy zaproponowano wiele podejść wielowiązkowych do wielokierunkowych anten radiowych (WPT) i radiowych (RFEH) o wysokim zysku.
2. Polaryzacja anteny
Polaryzacja anteny opisuje ruch wektora pola elektrycznego względem kierunku propagacji anteny. Niedopasowanie polaryzacji może prowadzić do ograniczenia transmisji/odbioru między antenami, nawet gdy kierunki głównych listków są zgodne. Na przykład, jeśli pionowa antena LP jest używana do nadawania, a pozioma antena LP do odbioru, moc nie będzie odbierana. W tej sekcji omówiono metody maksymalizacji wydajności odbioru bezprzewodowego i unikania strat wynikających z niedopasowania polaryzacji. Podsumowanie proponowanej architektury prostoliniowej w odniesieniu do polaryzacji przedstawiono na rysunku 6, a przykładowy układ SoA w tabeli 4.
Rysunek 6
W komunikacji komórkowej uzyskanie liniowego wyrównania polaryzacji między stacjami bazowymi a telefonami komórkowymi jest mało prawdopodobne, dlatego anteny stacji bazowych projektuje się jako dwu- lub wielopolaryzacyjne, aby uniknąć strat wynikających z niedopasowania polaryzacji. Jednak zmienność polaryzacji fal LP spowodowana efektami wielodrogowymi pozostaje nierozwiązanym problemem. Opierając się na założeniu wielopolaryzacyjnych stacji bazowych, anteny RFEH dla sieci komórkowych projektuje się jako anteny LP.
Anteny CP są stosowane głównie w technologii WPT, ponieważ są stosunkowo odporne na niedopasowanie. Anteny CP mogą odbierać promieniowanie CP z tym samym kierunkiem obrotu (CP lewoskrętny lub prawoskrętny), a także wszystkie fale LP bez strat mocy. W każdym przypadku antena CP nadaje, a antena LP odbiera ze stratą 3 dB (50% strat mocy). Anteny CP nadają się do pasm przemysłowych, naukowych i medycznych o częstotliwościach 900 MHz oraz 2,4 GHz i 5,8 GHz, a także do fal milimetrowych. W zakresie fal radiowych o dowolnej polaryzacji, zróżnicowanie polaryzacji stanowi potencjalne rozwiązanie problemu strat wynikających z niedopasowania polaryzacji.
Pełna polaryzacja, znana również jako multipolaryzacja, została zaproponowana w celu całkowitego wyeliminowania strat wynikających z niedopasowania polaryzacji, umożliwiając odbiór zarówno fal CP, jak i LP, gdzie dwa dwupolaryzowane, ortogonalne elementy LP skutecznie odbierają wszystkie fale LP i CP. Dla zilustrowania tego, pionowe i poziome napięcia netto (VV i VH) pozostają stałe niezależnie od kąta polaryzacji:
Fala elektromagnetyczna CP „E” – pole elektryczne, w którym moc jest zbierana dwukrotnie (raz na jednostkę), dzięki czemu w pełni odbierana jest składowa CP, a straty wynikające z niedopasowania polaryzacji wynoszą 3 dB:
Wreszcie, poprzez kombinację prądu stałego, można uzyskać fale padające o dowolnej polaryzacji. Rysunek 7 przedstawia geometrię opisanego w pełni spolaryzowanego prostopadłościanu.
Rysunek 7
Podsumowując, w aplikacjach WPT z dedykowanymi zasilaczami, CP jest preferowany, ponieważ poprawia wydajność WPT niezależnie od kąta polaryzacji anteny. Z drugiej strony, w przypadku odbioru sygnału z wielu źródeł, zwłaszcza ze źródeł otoczenia, w pełni spolaryzowane anteny mogą zapewnić lepszy odbiór i maksymalną mobilność; architektury wieloportowe/wieloprostownikowe są wymagane do łączenia w pełni spolaryzowanej mocy w paśmie RF lub DC.
Streszczenie
W niniejszym artykule dokonano przeglądu najnowszych postępów w projektowaniu anten dla RFEH i WPT oraz zaproponowano standardową klasyfikację konstrukcji anten dla RFEH i WPT, która nie została jeszcze zaproponowana w dotychczasowej literaturze. Zidentyfikowano trzy podstawowe wymagania dotyczące anten, które mają na celu osiągnięcie wysokiej sprawności RF/DC:
1. Szerokość pasma 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 prostopadłą a falą padającą, niezależnie od kąta i położenia.
Na podstawie impedancji prostowniki klasyfikuje się na prostowniki 50Ω i prostowniki sprzężone prostowniczo, przy czym szczególny nacisk kładzie się na dopasowanie impedancji pomiędzy różnymi pasmami i obciążeniami oraz wydajność każdej metody dopasowania.
Przeanalizowano charakterystykę promieniowania prostowników SoA z perspektywy kierunkowości i polaryzacji. Omówiono metody poprawy wzmocnienia poprzez formowanie wiązki i jej pakowanie, aby przezwyciężyć problem wąskiej szerokości wiązki. Na koniec omówiono prostowniki CP do WPT, a także różne implementacje umożliwiające uzyskanie niezależnego od polaryzacji odbioru dla WPT i RFEH.
Aby dowiedzieć się więcej o antenach, odwiedź stronę:
Czas publikacji: 16-08-2024
