Zajednički dizajn antene i ispravljača
Karakteristika rectenna koje slijede EG topologiju na slici 2 je da je antena izravno usklađena s ispravljačem, a ne sa standardom od 50Ω, što zahtijeva smanjenje ili eliminaciju spojnog kruga za napajanje ispravljača. Ovaj odjeljak daje pregled prednosti SoA rektenna s antenama bez 50Ω i rektennama bez odgovarajućih mreža.
1. Električno male antene
LC rezonantne prstenaste antene naširoko su korištene u aplikacijama gdje je veličina sustava kritična. Na frekvencijama ispod 1 GHz, valna duljina može uzrokovati da standardne distribuirane antene zauzmu više prostora od ukupne veličine sustava, a aplikacije kao što su potpuno integrirani primopredajnici za tjelesne implantate posebno imaju koristi od upotrebe električnih malih antena za WPT.
Visoka induktivna impedancija male antene (blizu rezonancije) može se koristiti za izravno spajanje ispravljača ili s dodatnom kapacitivnom mrežom za usklađivanje na čipu. Električno male antene prijavljene su u WPT s LP i CP ispod 1 GHz koristeći Huygensove dipolne antene, s ka=0,645, dok je ka=5,91 u normalnim dipolima (ka=2πr/λ0).
2. Ispravljačka konjugirana antena
Tipična ulazna impedancija diode je visoko kapacitivna, pa je za postizanje konjugirane impedancije potrebna induktivna antena. Zbog kapacitivne impedancije čipa, induktivne antene visoke impedancije naširoko se koriste u RFID oznakama. Dipolne antene nedavno su postale trend u RFID antenama složene impedancije, pokazujući visoku impedanciju (otpor i reaktanciju) blizu svoje rezonantne frekvencije.
Induktivne dipolne antene korištene su za usklađivanje visokog kapaciteta ispravljača u frekvencijskom pojasu od interesa. U presavijenoj dipolnoj anteni, dvostruka kratka linija (dipolno preklapanje) djeluje kao transformator impedancije, omogućujući dizajn antene izuzetno visoke impedancije. Alternativno, prednapon je odgovoran za povećanje induktivne reaktancije kao i stvarne impedancije. Kombinacija višestrukih pristranih dipolnih elemenata s neuravnoteženim radijalnim vrhovima leptir-kravate čini dvostruku širokopojasnu antenu visoke impedancije. Slika 4 prikazuje neke prijavljene ispravljačke konjugirane antene.
Slika 4
Karakteristike zračenja u RFEH i WPT
U Friisovom modelu, snaga PRX koju prima antena na udaljenosti d od odašiljača izravna je funkcija pojačanja prijamnika i odašiljača (GRX, GTX).
Usmjerenost i polarizacija glavnog snopa antene izravno utječu na količinu snage prikupljene od upadnog vala. Značajke zračenja antene ključni su parametri koji razlikuju ambijentalni RFEH i WPT (Slika 5). Iako u obje primjene medij za širenje može biti nepoznat i potrebno je razmotriti njegov učinak na primljeni val, poznavanje odašiljačke antene može se iskoristiti. Tablica 3 identificira ključne parametre o kojima se govori u ovom odjeljku i njihovu primjenjivost na RFEH i WPT.
Slika 5
1. Usmjerenost i dobitak
U većini RFEH i WPT aplikacija pretpostavlja se da kolektor ne zna smjer upadnog zračenja i da ne postoji linija vidljivosti (LoS). U ovom su radu ispitani dizajni i položaji više antena kako bi se maksimizirala primljena snaga iz nepoznatog izvora, neovisno o usmjeravanju glavnog snopa između odašiljača i prijamnika.
Višesmjerne antene naširoko su korištene u ekološkim RFEH rektenama. U literaturi se PSD razlikuje ovisno o orijentaciji antene. Međutim, varijacija u snazi nije objašnjena, tako da nije moguće utvrditi je li varijacija posljedica dijagrama zračenja antene ili zbog neusklađenosti polarizacije.
Osim RFEH aplikacija, naširoko se izvještava o usmjerenim antenama i nizovima visokog pojačanja za mikrovalni WPT radi poboljšanja učinkovitosti prikupljanja niske gustoće RF snage ili prevladavanja gubitaka širenja. Yagi-Uda nizovi rektena, nizovi leptir mašni, spiralni nizovi, čvrsto povezani Vivaldijevi nizovi, CPW CP nizovi i nizovi zakrpa su među skalabilnim implementacijama rektena koje mogu maksimizirati gustoću upadne snage pod određenim područjem. Ostali pristupi poboljšanju dobitka antene uključuju tehnologiju integriranog valovoda (SIW) u mikrovalnim i milimetarskim valovima, specifičnu za WPT. Međutim, rektene s visokim pojačanjem karakteriziraju uske širine snopa, što čini prijam valova u proizvoljnim smjerovima neučinkovitim. Istraživanja broja antenskih elemenata i priključaka zaključila su da veća usmjerenost ne odgovara većoj dobivenoj snazi u ambijentalnom RFEH-u uz pretpostavku proizvoljnog trodimenzionalnog upada; to je potvrđeno terenskim mjerenjima u urbanim sredinama. Nizovi s visokim pojačanjem mogu se ograničiti na WPT aplikacije.
Za prijenos prednosti antena s visokim pojačanjem na proizvoljne RFEH, koriste se rješenja pakiranja ili rasporeda kako bi se prevladao problem usmjerenosti. Predlaže se narukvica s dvostrukom antenom za prikupljanje energije iz ambijentalnih Wi-Fi RFEH-ova u dva smjera. Ambijentalne stanične RFEH antene također su dizajnirane kao 3D kutije i ispisane ili zalijepljene na vanjske površine kako bi se smanjila površina sustava i omogućilo višesmjerno sakupljanje. Strukture kubične rektene pokazuju veću vjerojatnost primanja energije u ambijentalnim RFEH.
Poboljšanja dizajna antene kako bi se povećala širina snopa, uključujući pomoćne parazitne elemente, napravljena su kako bi se poboljšao WPT na 2,4 GHz, nizovi 4 × 1. Predložena je i mrežasta antena od 6 GHz s višestrukim područjima snopa, koja pokazuje više snopova po priključku. Površinske rektene s više ulaza, s više ispravljača i antene za sakupljanje energije s višesmjernim uzorcima zračenja predložene su za višesmjerne i višesmjerne polarizirane RFEH. Višestruki ispravljači s matricama za formiranje snopa i antenskim nizovima s više priključaka također su predloženi za višesmjerno prikupljanje energije s visokim pojačanjem.
Ukratko, dok se antene s visokim pojačanjem preferiraju za poboljšanje snage dobivene iz niske RF gustoće, visoko usmjereni prijamnici možda nisu idealni u aplikacijama gdje je smjer odašiljača nepoznat (npr. ambijentalni RFEH ili WPT kroz nepoznate kanale širenja). U ovom radu predloženi su višestruki pristupi s više zraka za višesmjerne WPT i RFEH s velikim pojačanjem.
2. Polarizacija antene
Polarizacija antene opisuje kretanje vektora električnog polja u odnosu na smjer prostiranja antene. Polarizacijske neusklađenosti mogu dovesti do smanjenog prijenosa/prijema između antena čak i kada su glavni smjerovi snopova poravnati. Na primjer, ako se vertikalna LP antena koristi za odašiljanje, a horizontalna LP antena se koristi za prijem, neće se primati struja. U ovom odjeljku prikazane su metode za maksimiziranje učinkovitosti bežičnog prijema i izbjegavanje gubitaka neusklađenosti polarizacije. Sažetak predložene arhitekture rektene s obzirom na polarizaciju dan je na slici 6, a primjer SoA dan je u tablici 4.
Slika 6
U staničnoj komunikaciji malo je vjerojatno da će se postići linearna polarizacija između baznih stanica i mobilnih telefona, pa su antene baznih stanica dizajnirane da budu dvostruko polarizirane ili višestruko polarizirane kako bi se izbjegli gubici zbog neusklađenosti polarizacije. Međutim, varijacija polarizacije LP valova zbog višestaznih učinaka ostaje neriješen problem. Na temelju pretpostavke višepolariziranih mobilnih baznih stanica, stanične RFEH antene dizajnirane su kao LP antene.
CP rektene uglavnom se koriste u WPT jer su relativno otporne na neusklađenost. CP antene mogu primati CP zračenje s istim smjerom rotacije (lijevo ili desno CP) uz sve LP valove bez gubitka snage. U svakom slučaju, CP antena odašilje, a LP antena prima uz gubitak od 3 dB (50% gubitka snage). Prijavljeno je da su CP rektene prikladne za industrijske, znanstvene i medicinske pojaseve od 900 MHz i 2,4 GHz i 5,8 GHz, kao i za milimetarske valove. U RFEH proizvoljno polariziranih valova, polarizacijska raznolikost predstavlja potencijalno rješenje za gubitke polarizacijske neusklađenosti.
Potpuna polarizacija, također poznata kao multipolarizacija, predložena je za potpuno prevladavanje gubitaka zbog neusklađenosti polarizacije, omogućavajući prikupljanje i CP i LP valova, gdje dva dualno polarizirana ortogonalna LP elementa učinkovito primaju sve LP i CP valove. Da bismo to ilustrirali, okomiti i vodoravni neto naponi (VV i VH) ostaju konstantni bez obzira na kut polarizacije:
CP elektromagnetski val “E” električno polje, gdje se snaga skuplja dva puta (jednom po jedinici), čime se u potpunosti prima CP komponenta i prevladava gubitak neusklađenosti polarizacije od 3 dB:
Konačno, preko istosmjerne kombinacije mogu se primiti upadni valovi proizvoljne polarizacije. Slika 7 prikazuje geometriju prijavljene potpuno polarizirane rektene.
Slika 7
Ukratko, u WPT aplikacijama s namjenskim izvorima napajanja, CP je poželjan jer poboljšava WPT učinkovitost bez obzira na kut polarizacije antene. S druge strane, u akviziciji iz više izvora, posebno iz ambijentalnih izvora, potpuno polarizirane antene mogu postići bolji ukupni prijem i maksimalnu prenosivost; arhitekture s više ulaza/više ispravljača potrebne su za kombiniranje potpuno polarizirane snage na RF ili DC.
Sažetak
Ovaj rad daje pregled nedavnog napretka u dizajnu antena za RFEH i WPT i predlaže standardnu klasifikaciju dizajna antena za RFEH i WPT koja nije predložena u prethodnoj literaturi. Tri osnovna zahtjeva za antenu za postizanje visoke učinkovitosti RF-to-DC identificirana su kao:
1. Širina pojasa impedancije antenskog ispravljača za RFEH i WPT pojaseve od interesa;
2. Usklađivanje glavnog snopa između odašiljača i prijamnika u WPT-u iz namjenskog dovoda;
3. Usklađivanje polarizacije između rektene i upadnog vala bez obzira na kut i položaj.
Na temelju impedancije, rektene se klasificiraju na 50 Ω i ispravljačke konjugirane rektene, s fokusom na usklađivanje impedancije između različitih pojaseva i opterećenja i učinkovitost svake metode usklađivanja.
Karakteristike zračenja SoA rektena pregledane su iz perspektive usmjerenosti i polarizacije. Raspravljaju se metode za poboljšanje pojačanja oblikovanjem snopa i pakiranjem radi prevladavanja uske širine snopa. Konačno, pregledane su CP rektenne za WPT, zajedno s različitim implementacijama za postizanje prijema neovisnog o polarizaciji za WPT i RFEH.
Da biste saznali više o antenama, posjetite:
Vrijeme objave: 16. kolovoza 2024
