Спільне проектування антени та випрямляча
Характеристика прямих антен, що дотримуються топології EG на малюнку 2, полягає в тому, що антена безпосередньо узгоджена з випрямлячем, а не за стандартом 50 Ом, який вимагає мінімізації або виключення схеми узгодження для живлення випрямляча. У цьому розділі розглядаються переваги прямих антен SoA з антенами, відмінними від 50 Ом, і прямих антен без відповідних мереж.
1. Електрично малі антени
LC резонансні кільцеві антени широко використовувалися в програмах, де розмір системи є критичним. На частотах нижче 1 ГГц довжина хвилі може призвести до того, що стандартні розподілені антени займатимуть більше місця, ніж загальний розмір системи, і такі програми, як повністю інтегровані трансивери для імплантатів тіла, особливо виграють від використання електрично малих антен для WPT.
Високий індуктивний опір маленької антени (близько до резонансу) можна використовувати для безпосереднього з’єднання випрямляча або з додатковою вбудованою ємнісною мережею узгодження. Повідомлялося про електричні малі антени в WPT з LP і CP нижче 1 ГГц з використанням дипольних антен Гюйгенса з ka=0,645, тоді як ka=5,91 у звичайних диполях (ka=2πr/λ0).
2. Випрямна сполучена антена
Типовий вхідний опір діода є високоємнісним, тому індуктивна антена потрібна для досягнення спряженого імпедансу. Завдяки ємнісному опору мікросхеми індуктивні антени з високим опором широко використовуються в RFID-мітках. Дипольні антени нещодавно стали тенденцією в антенах RFID зі складним опором, демонструючи високий імпеданс (опір і реактивний опір) поблизу своєї резонансної частоти.
Індуктивні дипольні антени були використані для узгодження високої ємності випрямляча в смузі частот, що цікавить. У складеній дипольній антені подвійна коротка лінія (дипольне згортання) діє як трансформатор опору, що дозволяє розробити антену з надзвичайно високим опором. Крім того, подача зміщення відповідає за збільшення індуктивного опору, а також фактичного опору. Поєднання кількох зміщених дипольних елементів із незбалансованими радіальними шлейфами у формі метеликів утворює подвійну широкосмугову високоімпедансну антену. На малюнку 4 показано деякі сполучені антени випрямляча.
малюнок 4
Радіаційні характеристики в RFEH і WPT
У моделі Friis потужність PRX, отримана антеною на відстані d від передавача, є прямою функцією підсилення приймача та передавача (GRX, GTX).
Спрямованість головного пелюстка антени та поляризація безпосередньо впливають на кількість потужності, отриманої від падаючої хвилі. Характеристики випромінювання антени є ключовими параметрами, які відрізняють навколишнє RFEH і WPT (рис. 5). Хоча в обох програмах середовище розповсюдження може бути невідомим і необхідно враховувати його вплив на прийняту хвилю, знання передавальної антени може бути використано. Таблиця 3 визначає ключові параметри, які обговорюються в цьому розділі, і їх застосовність до RFEH і WPT.
малюнок 5
1. Спрямованість і посилення
У більшості додатків RFEH і WPT передбачається, що колектор не знає напрямку падаючого випромінювання і немає шляху прямої видимості (LoS). У цій роботі було досліджено кілька конструкцій і розміщень антен, щоб максимізувати отриману потужність від невідомого джерела, незалежно від вирівнювання головного пелюстка між передавачем і приймачем.
Всеспрямовані антени широко використовуються в прямих антенах RFEH для навколишнього середовища. В літературі PSD змінюється в залежності від орієнтації антени. Однак зміна потужності не була пояснена, тому неможливо визначити, чи зміна пов’язана з діаграмою спрямованості антени чи невідповідністю поляризації.
На додаток до застосувань RFEH, широко повідомлялося про спрямовані антени та решітки з високим коефіцієнтом підсилення для мікрохвильових WPT, щоб покращити ефективність збирання низької щільності радіочастотної потужності або подолати втрати при розповсюдженні. Решітки Yagi-Uda, решітки-метелики, спіральні решітки, тісно пов’язані решітки Вівальді, решітки CPW CP і решітки патчів є одними з масштабованих реалізацій ректен, які можуть максимізувати щільність падаючої потужності в певній області. Інші підходи до покращення підсилення антени включають технологію інтегрованого хвилеводу з підкладкою (SIW) у мікрохвильовому та міліметровому діапазонах хвиль, специфічну для WPT. Однак ректени з високим коефіцієнтом підсилення характеризуються вузькою шириною променя, що робить прийом хвиль у довільних напрямках неефективним. Дослідження кількості антенних елементів і портів показали, що вища спрямованість не відповідає вищій отриманій потужності в навколишньому RFEH, припускаючи тривимірне довільне падіння; це було підтверджено польовими вимірюваннями в міських умовах. Масиви з високим коефіцієнтом посилення можуть бути обмежені додатками WPT.
Щоб перенести переваги антен з високим коефіцієнтом посилення на довільні RFEH, використовуються рішення для упаковки або компонування, щоб подолати проблему спрямованості. Запропоновано браслет із подвійною антеною для збору енергії від навколишнього Wi-Fi RFEH у двох напрямках. Навколишні стільникові антени RFEH також розроблені як 3D-коробки та надруковані або прикріплені до зовнішніх поверхонь, щоб зменшити площу системи та забезпечити багатоспрямований збір. Кубічні ректенові структури демонструють більшу ймовірність прийому енергії в RFEH навколишнього середовища.
Удосконалення конструкції антени для збільшення ширини променя, включаючи допоміжні паразитні елементи, були зроблені для покращення WPT на 2,4 ГГц, масиви 4 × 1. Також була запропонована сітчаста антена 6 ГГц з кількома областями променів, що демонструє кілька променів на порт. Багатопортові поверхневі прямокутні випрямлячі та антени для збирання енергії з всенаправленою діаграмою спрямованості були запропоновані для багатонаправленої та багатополярної RFEH. Мультивипрямлячі з матрицями формування променя та багатопортовими антенними решітками також були запропоновані для багатоспрямованого збору енергії з високим коефіцієнтом посилення.
Підводячи підсумок, хоча антени з високим коефіцієнтом підсилення є кращими для покращення потужності, отриманої з низьких РЧ-щільностей, високоспрямовані приймачі можуть бути не ідеальними в програмах, де напрямок передавача невідомий (наприклад, навколишній RFEH або WPT через невідомі канали розповсюдження). У цій роботі пропонується кілька багатопроменевих підходів для багатоспрямованих WPT і RFEH з високим коефіцієнтом посилення.
2. Поляризація антени
Поляризація антени описує рух вектора електричного поля відносно напрямку поширення антени. Невідповідність поляризації може призвести до зниження передачі/прийому між антенами, навіть якщо напрямки головних пелюсток вирівняні. Наприклад, якщо для передачі використовується вертикальна LP-антена, а для прийому – горизонтальна LP-антена, живлення не надходитиме. У цьому розділі розглядаються описані методи максимізації ефективності бездротового прийому та уникнення втрат невідповідності поляризації. Короткий опис запропонованої архітектури ректенни щодо поляризації наведено на малюнку 6, а приклад SoA наведено в таблиці 4.
Малюнок 6
У стільниковому зв’язку навряд чи вдасться досягти лінійного вирівнювання поляризації між базовими станціями та мобільними телефонами, тому антени базових станцій розроблені як подвійні або мультиполяризовані, щоб уникнути втрат на невідповідність поляризації. Однак зміна поляризації хвиль LP через ефекти багатопроменевого поширення залишається невирішеною проблемою. Виходячи з припущення про мультиполярні базові станції мобільного зв’язку, стільникові антени RFEH розроблені як LP антени.
Ректени CP в основному використовуються в WPT, оскільки вони відносно стійкі до неузгодженості. CP-антени здатні приймати CP-випромінювання з однаковим напрямком обертання (лівостороннє або правостороннє CP) на додаток до всіх хвиль LP без втрати потужності. У будь-якому випадку CP-антена передає, а LP-антена приймає з втратою 3 дБ (50% втрати потужності). Повідомляється, що ректени CP підходять для промислових, наукових і медичних діапазонів 900 МГц, 2,4 ГГц і 5,8 ГГц, а також для міліметрових хвиль. У RFEH довільно поляризованих хвиль поляризаційне рознесення являє собою потенційне рішення для втрат невідповідності поляризації.
Повна поляризація, також відома як мультиполяризація, була запропонована для повного подолання втрат неузгодженості поляризації, уможливлюючи збір хвиль як CP, так і LP, коли два подвійно поляризовані ортогональні елементи LP ефективно приймають усі хвилі LP і CP. Щоб проілюструвати це, вертикальна та горизонтальна чисті напруги (VV та VH) залишаються постійними незалежно від кута поляризації:
Електричне поле електромагнітної хвилі «E» CP, де потужність збирається двічі (один раз на одиницю), таким чином повністю отримуючи компонент CP і долаючи втрати невідповідності поляризації 3 дБ:
Нарешті, через комбінацію постійного струму можна отримати падаючі хвилі довільної поляризації. На рисунку 7 показана геометрія повністю поляризованої прямої антенни.
Малюнок 7
Таким чином, у додатках WPT із спеціальними джерелами живлення краще використовувати CP, оскільки він покращує ефективність WPT незалежно від кута поляризації антени. З іншого боку, при зборі з кількох джерел, особливо з джерел навколишнього середовища, повністю поляризовані антени можуть досягти кращого загального прийому та максимальної мобільності; архітектури з кількома портами/багатьма випрямлячами потрібні для поєднання повністю поляризованої потужності на ВЧ або постійному струмі.
Резюме
У цьому документі розглядається останній прогрес у розробці антен для RFEH і WPT і пропонується стандартна класифікація конструкції антен для RFEH і WPT, яка не була запропонована в попередній літературі. Три основні вимоги до антени для досягнення високої ефективності РЧ-постійний струм були визначені як:
1. Смуга пропускання опору випрямляча антени для цікавих діапазонів RFEH та WPT;
2. Вирівнювання головного пелюстка між передавачем і приймачем у WPT від спеціального каналу;
3. Поляризаційне узгодження між ректеною та падаючою хвилею незалежно від кута та положення.
На основі імпедансу ректени класифікуються на 50 Ом і ректени, сполучені з випрямлячем, з акцентом на узгодження імпедансу між різними діапазонами та навантаженнями та ефективність кожного методу узгодження.
Радіаційні характеристики ректен SoA були розглянуті з точки зору спрямованості та поляризації. Обговорюються методи покращення підсилення шляхом формування променя та упаковки для подолання вузької ширини променя. Нарешті, розглядаються CP rectennas для WPT разом з різними реалізаціями для досягнення незалежного від поляризації прийому для WPT та RFEH.
Щоб дізнатися більше про антени, відвідайте:
Час публікації: 16 серпня 2024 р
