Zajednički dizajn antene i ispravljača
Karakteristika rektenna koje slijede EG topologiju na slici 2 jest da je antena izravno usklađena s ispravljačem, umjesto standarda od 50Ω, što zahtijeva minimiziranje ili uklanjanje strujnog kruga za usklađivanje napajanja ispravljača. Ovaj odjeljak razmatra prednosti SoA rektenna s antenama koje nisu od 50Ω i rektenna bez mreža za usklađivanje.
1. Električno male antene
LC rezonantne prstenaste antene široko se koriste u primjenama gdje je veličina sustava kritična. Na frekvencijama ispod 1 GHz, valna duljina može uzrokovati da standardne antene s distribuiranim elementima zauzimaju više prostora od ukupne veličine sustava, a primjene poput potpuno integriranih primopredajnika za tjelesne implantate posebno imaju koristi od upotrebe električno 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 su zabilježene u WPT-u s LP i CP ispod 1 GHz korištenjem Huygensovih dipolnih antena, s ka=0,645, dok je ka=5,91 u normalnim dipolima (ka=2πr/λ0).
2. Antena konjugirana s ispravljačem
Tipična ulazna impedancija diode je vrlo kapacitivna, pa je za postizanje konjugirane impedancije potrebna induktivna antena. Zbog kapacitivne impedancije čipa, induktivne antene visoke impedancije široko 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 anteni sa savijenim dipolom, dvostruka kratka linija (savijanje dipola) djeluje kao transformator impedancije, omogućujući dizajn antene izuzetno visoke impedancije. Alternativno, napajanje pristranosti odgovorno je za povećanje induktivne reaktancije kao i stvarne impedancije. Kombiniranjem više pristranih dipolnih elemenata s neuravnoteženim radijalnim krakovima u obliku leptir-vezice dobiva se dvostruka širokopojasna antena visoke impedancije. Slika 4 prikazuje neke prijavljene konjugirane antene s ispravljačem.
Slika 4
Karakteristike zračenja u RFEH i WPT
U Friisovom modelu, snaga PRX koju prima antena na udaljenosti d od odašiljača izravno ovisi o pojačanjima prijemnika i odašiljača (GRX, GTX).
Usredotočenost i polarizacija glavnog režnja antene izravno utječu na količinu snage prikupljene iz upadnog vala. Karakteristike zračenja antene ključni su parametri koji razlikuju ambijentalni RFEH i WPT (slika 5). Iako u obje primjene medij širenja može biti nepoznat i njegov utjecaj na primljeni val treba uzeti u obzir, poznavanje odašiljačke antene može se iskoristiti. Tablica 3 identificira ključne parametre o kojima se raspravlja u ovom odjeljku i njihovu primjenjivost na RFEH i WPT.
Slika 5
1. Usmjerenost i pojačanje
U većini RFEH i WPT primjena pretpostavlja se da kolektor ne zna smjer upadnog zračenja i da ne postoji put u liniji vidljivosti (LoS). U ovom radu istraženo je više dizajna i položaja antena kako bi se maksimizirala primljena snaga iz nepoznatog izvora, neovisno o poravnanju glavnog režnja između odašiljača i prijemnika.
Svesmjerne antene široko se koriste u okolišnim RFEH rektenama. U literaturi se PSD mijenja ovisno o orijentaciji antene. Međutim, varijacija snage nije objašnjena, pa nije moguće utvrditi je li varijacija posljedica dijagrama zračenja antene ili zbog neusklađenosti polarizacije.
Uz primjene RFEH-a, široko su se spominjale usmjerene antene i nizovi s visokim pojačanjem za mikrovalne WPT kako bi se poboljšala učinkovitost prikupljanja niske gustoće RF snage ili prevladali gubici propagacije. Yagi-Uda rektenski nizovi, nizovi u obliku leptir-majice, spiralni nizovi, čvrsto povezani Vivaldijevi nizovi, CPW CP nizovi i nizovi s patchevima spadaju među skalabilne implementacije rektena koje mogu maksimizirati gustoću upadne snage pod određenim područjem. Drugi pristupi za poboljšanje pojačanja antene uključuju tehnologiju valovoda integriranog u podlogu (SIW) u mikrovalnim i milimetarskim valnim pojasevima, specifične za WPT. Međutim, rektene s visokim pojačanjem karakteriziraju uske širine snopa, što prijem valova u proizvoljnim smjerovima čini neučinkovitim. Istraživanja broja elemenata antene i priključaka zaključila su da veća usmjerenost ne odgovara većoj ubranoj snazi u ambijentalnom RFEH-u pod pretpostavkom trodimenzionalne proizvoljne upadnosti; to je potvrđeno terenskim mjerenjima u urbanim okruženjima. Nizovi s visokim pojačanjem mogu se ograničiti na primjene WPT-a.
Kako bi se prednosti antena s visokim pojačanjem prenijele na proizvoljne RFEH-ove, koriste se rješenja za pakiranje ili raspored 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 tiskane ili zalijepljene na vanjske površine kako bi se smanjila površina sustava i omogućilo višesmjerno prikupljanje. Kubične rektenske strukture pokazuju veću vjerojatnost prijema energije u ambijentalnim RFEH-ovima.
Poboljšanja dizajna antene radi povećanja širine snopa, uključujući pomoćne parazitske elemente, napravljena su kako bi se poboljšao WPT na 2,4 GHz, 4 × 1 nizovima. Također je predložena mrežasta antena od 6 GHz s više područja snopa, koja demonstrira više snopova po portu. Višeportne, višeispravljačke površinske rektene i antene za sakupljanje energije s omnidirekcionim dijagramima zračenja predložene su za višesmjerni i višepolarizirani RFEH. Višeportni ispravljači s matricama za oblikovanje snopa i višeportni antenski nizovi također su predloženi za višesmjerno sakupljanje energije s visokim pojačanjem.
Ukratko, iako su antene s visokim pojačanjem poželjnije za poboljšanje snage dobivene iz niskih RF gustoća, visoko usmjereni prijemnici možda nisu idealni u primjenama gdje je smjer odašiljača nepoznat (npr. ambijentalni RFEH ili WPT kroz nepoznate kanale propagacije). U ovom radu predlažu se višestruki pristupi s više snopa za višesmjerni WPT i RFEH s visokim pojačanjem.
2. Polarizacija antene
Polarizacija antene opisuje kretanje vektora električnog polja u odnosu na smjer širenja antene. Neusklađenosti polarizacije mogu dovesti do smanjenog prijenosa/prijema između antena čak i kada su smjerovi glavnih režnjeva poravnati. Na primjer, ako se za prijenos koristi vertikalna LP antena, a za prijem horizontalna LP antena, neće se primati snaga. U ovom odjeljku pregledavaju se prijavljene metode za maksimiziranje učinkovitosti bežičnog prijema i izbjegavanje gubitaka zbog 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 staničnim komunikacijama, linearno poravnanje polarizacije između baznih stanica i mobilnih telefona vjerojatno se neće postići, stoga su antene baznih stanica dizajnirane da budu dvostruko polarizirane ili multipolarizirane kako bi se izbjegli gubici zbog neusklađenosti polarizacije. Međutim, varijacija polarizacije LP valova zbog višestrukih puteva ostaje neriješen problem. Na temelju pretpostavke o multipolariziranim mobilnim baznim stanicama, stanične RFEH antene dizajnirane su kao LP antene.
CP rektenne se uglavnom koriste u WPT-u jer su relativno otporne na neusklađenost. CP antene mogu primati CP zračenje s istim smjerom rotacije (lijevi ili desni CP) uz sve LP valove bez gubitka snage. U svakom slučaju, CP antena odašilje, a LP antena prima s gubitkom od 3 dB (gubitak snage 50%). Izvješćuje se da su CP rektenne prikladne za industrijske, znanstvene i medicinske pojaseve od 900 MHz te 2,4 GHz i 5,8 GHz, kao i za milimetarske valove. U RFEH-u proizvoljno polariziranih valova, polarizacijska raznolikost predstavlja potencijalno rješenje za gubitke zbog neusklađenosti polarizacije.
Potpuna polarizacija, poznata i kao multipolarizacija, predložena je za potpuno prevladavanje gubitaka zbog neusklađenosti polarizacije, omogućujući prikupljanje i CP i LP valova, gdje dva dvostruko polarizirana ortogonalna LP elementa učinkovito primaju sve LP i CP valove. Za ilustraciju, vertikalni i horizontalni mrežni naponi (VV i VH) ostaju konstantni bez obzira na kut polarizacije:
CP elektromagnetsko valno električno polje "E", gdje se snaga prikuplja dva puta (jednom po jedinici), čime se u potpunosti prima CP komponenta i prevladava gubitak zbog neusklađenosti polarizacije od 3 dB:
Konačno, putem DC kombinacije, mogu se primiti upadni valovi proizvoljne polarizacije. Slika 7 prikazuje geometriju prijavljene potpuno polarizirane rektene.
Slika 7
Ukratko, u WPT primjenama s namjenskim izvorima napajanja, CP je poželjniji jer poboljšava učinkovitost WPT-a 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; za kombiniranje potpuno polarizirane snage na RF ili DC potrebne su arhitekture s više portova/više ispravljača.
Sažetak
Ovaj rad daje pregled nedavnog napretka u dizajnu antena za RFEH i WPT te predlaže standardnu klasifikaciju dizajna antena za RFEH i WPT koja nije predložena u prethodnoj literaturi. Identificirana su tri osnovna zahtjeva za antenu za postizanje visoke učinkovitosti RF-DC:
1. Širina pojasa impedancije antenskog ispravljača za RFEH i WPT opsege od interesa;
2. Poravnanje glavnog režnja između odašiljača i prijemnika u WPT-u iz namjenskog dovoda;
3. Polarizacijsko usklađivanje između rektene i upadnog vala bez obzira na kut i položaj.
Na temelju impedancije, rektenne se klasificiraju u 50Ω i ispravljačke konjugirane rektenne, s naglaskom na usklađivanje impedancije između različitih opsega i opterećenja te učinkovitost svake metode usklađivanja.
Karakteristike zračenja SoA rektena pregledane su s perspektive usmjerenosti i polarizacije. Raspravljaju se metode za poboljšanje pojačanja oblikovanjem snopa i pakiranjem kako bi se prevladala uska širina snopa. Konačno, pregledavaju se CP rektene za WPT, zajedno s različitim implementacijama za postizanje prijema neovisnog o polarizaciji za WPT i RFEH.
Za više informacija o antenama posjetite:
Vrijeme objave: 16. kolovoza 2024.
