Спільне проектування антени та випрямляча
Характеристикою ректенн, що відповідають топології EG на рисунку 2, є те, що антена безпосередньо узгоджена з випрямлячем, а не за стандартом 50 Ом, що вимагає мінімізації або усунення узгоджувальної схеми для живлення випрямляча. У цьому розділі розглядаються переваги ректенн SoA з антенами, відмінними від 50 Ом, та ректенн без узгоджувальних мереж.
1. Електрично малі антени
LC-резонансні кільцеві антени широко використовуються в тих сферах, де розмір системи має вирішальне значення. На частотах нижче 1 ГГц довжина хвилі може призвести до того, що стандартні антени з розподіленими елементами займатимуть більше місця, ніж загальний розмір системи, і такі застосування, як повністю інтегровані приймачі для імплантів тіла, особливо виграють від використання електрично малих антен для бездротового транспортування енергії (WPT).
Високий індуктивний імпеданс малої антени (близький резонанс) може бути використаний для безпосереднього з'єднання з випрямлячем або з додатковою вбудованою ємнісною узгоджувальною мережею. Повідомлялося про електрично малі антени в бездротових транзисторах (WPT) з низькочастотним (LP) та високочастотним (CP) сигналом нижче 1 ГГц з використанням дипольних антен Гюйгенса, з ka=0,645, тоді як ka=5,91 у звичайних диполях (ka=2πr/λ0).
2. Антена, спряжена з випрямлячем
Типовий вхідний імпеданс діода є дуже ємнісним, тому для досягнення спряженого імпедансу потрібна індуктивна антена. Через ємнісний імпеданс чіпа, високоімпедансні індуктивні антени широко використовуються в RFID-мітках. Дипольні антени останнім часом стали трендом серед RFID-антен зі складним імпедансом, демонструючи високий імпеданс (опір та реактивний опір) поблизу своєї резонансної частоти.
Індуктивні дипольні антени використовуються для узгодження високої ємності випрямляча в смузі частот, що нас цікавить. У складеній дипольній антені подвійна коротка лінія (складання диполя) діє як трансформатор імпедансу, що дозволяє розробляти антену з надзвичайно високим імпедансом. Як альтернатива, живлення зміщенням відповідає за збільшення індуктивного опору, а також фактичного імпедансу. Поєднання кількох зміщених дипольних елементів з незбалансованими радіальними штифтами типу "стяжка-метелик" утворює подвійну широкосмугову антену з високим імпедансом. На рисунку 4 показано деякі зареєстровані спряжені випрямлячем антени.
Рисунок 4
Характеристики випромінювання в RFEH та WPT
У моделі Фрііса потужність PRX, що приймається антеною на відстані d від передавача, є прямою функцією коефіцієнтів підсилення приймача та передавача (GRX, GTX).
Спрямованість та поляризація головного пелюстка антени безпосередньо впливають на кількість потужності, що збирається з падаючої хвилі. Характеристики випромінювання антени є ключовими параметрами, що відрізняють навколишнє RFEH та WPT (Рисунок 5). Хоча в обох випадках середовище поширення може бути невідомим, і його вплив на прийняту хвилю необхідно враховувати, знання передавальної антени може бути корисним. У таблиці 3 визначено ключові параметри, що обговорюються в цьому розділі, та їх застосовність до RFEH та WPT.
Рисунок 5
1. Спрямованість та коефіцієнт посилення
У більшості застосувань RFEH та WPT передбачається, що колектор не знає напрямку падаючого випромінювання, і немає шляху прямої видимості (LoS). У цій роботі було досліджено кілька конструкцій та розміщень антен для максимізації прийнятої потужності від невідомого джерела, незалежно від вирівнювання головних пелюсток між передавачем та приймачем.
Всеспрямовані антени широко використовуються в екологічних прямих антенах RFEH. У літературі PSD змінюється залежно від орієнтації антени. Однак, зміна потужності не була пояснена, тому неможливо визначити, чи зумовлена ця зміна діаграмою спрямованості антени, чи невідповідністю поляризації.
Окрім застосувань у радіочастотних енергосистемах (RFEH), широко повідомлялося про використання спрямованих антен та решіток з високим коефіцієнтом посилення для мікрохвильових бездротових транспортних систем (WPT) для покращення ефективності збору низької щільності радіочастотної потужності або подолання втрат на поширення. Решітки прямих хвилеводів Ягі-Уда, решітки типу "метелик", спіральні решітки, щільно зв'язані решітки Вівальді, решітки CPW та решітки з патч-модулями є одними з масштабованих реалізацій прямих хвилеводів, які можуть максимізувати щільність потужності падаючого випромінювання в певній області. Інші підходи до покращення коефіцієнта посилення антени включають технологію хвилеводів, інтегрованих у підложку (SIW), у мікрохвильових та міліметрових діапазонах хвиль, що є специфічними для WPT. Однак прямі хвилеводи з високим коефіцієнтом посилення характеризуються вузькою шириною променя, що робить прийом хвиль у довільних напрямках неефективним. Дослідження кількості елементів антени та портів показали, що вища спрямованість не відповідає вищій зібраній потужності в навколишньому RFEH, припускаючи тривимірне довільне падіння; це було підтверджено польовими вимірюваннями в міських умовах. Решітки з високим коефіцієнтом посилення можуть бути обмежені застосуваннями у WPT.
Щоб перенести переваги антен з високим коефіцієнтом посилення на довільні радіочастотні фейерверки (РФЕХ), використовуються рішення для упаковки або компонування, що подолають проблему спрямованості. Запропоновано браслет з двома патч-антенами для збору енергії з навколишніх РФЕХ Wi-Fi у двох напрямках. Антени навколишнього стільникового зв'язку РФЕХ також розроблені у вигляді 3D-коробок та надруковані або приклеєні до зовнішніх поверхонь для зменшення площі системи та забезпечення багатонаправленого збору. Кубічні ректенни демонструють вищу ймовірність прийому енергії в навколишніх РФЕХ.
Були внесені вдосконалення в конструкцію антени для збільшення ширини променя, включаючи допоміжні паразитні елементи, для покращення БПВ на частоті 2,4 ГГц, решітки 4 × 1. Також була запропонована сітчаста антена 6 ГГц з кількома областями променя, що демонструє кілька променів на порт. Для багатонаправленого та багатополяризованого RFEH були запропоновані багатопортові, багатовипрямляючі поверхневі антени та антени для збору енергії з всенаправленими діаграмами спрямованості. Для багатонаправленого збору енергії з високим коефіцієнтом посилення також були запропоновані багатовипрямлячі з матрицями формування променя та багатопортові антенні решітки.
Підсумовуючи, хоча антени з високим коефіцієнтом посилення є кращими для покращення потужності, що збирається з низьких щільностей радіочастот, високоспрямовані приймачі можуть бути неідеальними в застосуваннях, де напрямок передавача невідомий (наприклад, навколишнє RFEH або WPT через невідомі канали поширення). У цій роботі запропоновано кілька багатопроменевих підходів для багатоспрямованих WPT з високим коефіцієнтом посилення та RFEH.
2. Поляризація антени
Поляризація антени описує рух вектора електричного поля відносно напрямку поширення антени. Невідповідності поляризації можуть призвести до зниження передачі/прийому між антенами, навіть коли напрямки головних пелюсток вирівняні. Наприклад, якщо для передачі використовується вертикальна LP-антена, а для прийому - горизонтальна LP-антена, потужність не прийматиметься. У цьому розділі розглядаються описані методи максимізації ефективності бездротового прийому та уникнення втрат, пов'язаних з невідповідністю поляризації. Короткий опис запропонованої архітектури прямих антен з урахуванням поляризації наведено на рисунку 6, а приклад SoA наведено в таблиці 4.
Рисунок 6
У стільниковому зв'язку досягнення лінійного вирівнювання поляризації між базовими станціями та мобільними телефонами малоймовірне, тому антени базових станцій проектуються дво- або багатополяризованими, щоб уникнути втрат через невідповідність поляризації. Однак, зміна поляризації низькочастотних хвиль через ефекти багатопроменевості залишається невирішеною проблемою. Виходячи з припущення про багатополяризовані мобільні базові станції, стільникові антени RFEH проектуються як низькочастотні антени.
Ректенні CP в основному використовуються в бездротових фотоелектричних передачах (WPT), оскільки вони відносно стійкі до невідповідності. CP-антени здатні приймати CP-випромінювання з однаковим напрямком обертання (лівостороннє або правостороннє CP) на додаток до всіх LP-хвиль без втрати потужності. У будь-якому випадку, CP-антена передає, а LP-антена приймає з втратами 3 дБ (50% втрати потужності). Повідомляється, що CP-ректенни підходять для промислових, наукових та медичних діапазонів 900 МГц, 2,4 ГГц та 5,8 ГГц, а також міліметрових хвиль. У RFEH довільно поляризованих хвиль поляризаційне рознесення є потенційним рішенням для втрат від невідповідності поляризації.
Повна поляризація, також відома як мультиполяризація, була запропонована для повного подолання втрат через невідповідність поляризації, що дозволяє збирати як CP-, так і LP-хвилі, де два подвійно поляризовані ортогональні LP-елементи ефективно приймають усі LP- та CP-хвилі. Для ілюстрації цього, вертикальна та горизонтальна напруги мережі (VV та VH) залишаються постійними незалежно від кута поляризації:
Електричне поле електромагнітної хвилі CP "E", де потужність збирається двічі (один раз на одиницю), тим самим повністю отримуючи компонент CP та долаючи втрати через невідповідність поляризації 3 дБ:
Зрештою, завдяки комбінації постійного струму можна приймати падаючі хвилі довільної поляризації. На рисунку 7 показано геометрію описаної повністю поляризованої ректенни.
Рисунок 7
Підсумовуючи, у застосуваннях бездротового транспорту (БПТ) зі спеціалізованими джерелами живлення, повністю поляризовані антени є кращими, оскільки вони покращують ефективність БПТ незалежно від кута поляризації антени. З іншого боку, при отриманні сигналу з кількох джерел, особливо з навколишніх джерел, повністю поляризовані антени можуть досягти кращого загального прийому та максимальної портативності; для поєднання повністю поляризованої потужності на радіочастотному або постійному струмі необхідні багатопортові/багатовипрямляючі архітектури.
Короткий зміст
У цій статті розглядається останній прогрес у проектуванні антен для RFEH та WPT, а також пропонується стандартна класифікація проектування антен для RFEH та WPT, яка не була запропонована в попередній літературі. Було визначено три основні вимоги до антени для досягнення високої ефективності перетворення радіочастотного сигналу в постійний струм:
1. Смуга пропускання імпедансу випрямляча антени для діапазонів RFEH та WPT, що нас цікавлять;
2. Вирівнювання головних пелюсток між передавачем і приймачем у бездротовому транспортному засобі (БПТ) від спеціального каналу;
3. Узгодження поляризації між прямою тенною та падаючою хвилею незалежно від кута та положення.
За імпедансом ректенні диференціали класифікуються на 50 Ом та випрямляльні диференціали, з акцентом на узгодження імпедансу між різними діапазонами та навантаженнями, а також на ефективність кожного методу узгодження.
Характеристики випромінювання прямих тенн SoA були розглянуті з точки зору спрямованості та поляризації. Обговорюються методи покращення посилення шляхом формування променя та упаковки для подолання вузької ширини променя. Нарешті, розглядаються прямі тенни CP для WPT, а також різні реалізації для досягнення незалежного від поляризації прийому для WPT та RFEH.
Щоб дізнатися більше про антени, відвідайте:
Час публікації: 16 серпня 2024 р.
