Samdesign av antenne og likeretter
Det som kjennetegner rektenner som følger EG-topologien i figur 2, er at antennen er direkte tilpasset likeretteren, i stedet for 50Ω-standarden, som krever at man minimerer eller eliminerer tilpasningskretsen for å drive likeretteren. Denne delen gjennomgår fordelene med SoA-rektenner med antenner som ikke er 50Ω, og rektenner uten tilpasningsnettverk.
1. Elektrisk små antenner
LC-resonansringantenner har blitt mye brukt i applikasjoner der systemstørrelse er kritisk. Ved frekvenser under 1 GHz kan bølgelengden føre til at standard distribuerte elementantenner opptar mer plass enn systemets totale størrelse, og applikasjoner som helintegrerte transceivere for kroppsimplantater drar spesielt nytte av bruk av elektrisk små antenner for WPT.
Den høye induktive impedansen til den lille antennen (nær resonans) kan brukes til å koble likeretteren direkte eller med et ekstra kapasitivt matchingnettverk på brikken. Elektrisk små antenner har blitt rapportert i WPT med LP og CP under 1 GHz ved bruk av Huygens dipolantenner, med ka=0,645, mens ka=5,91 i normale dipoler (ka=2πr/λ0).
2. Likeretterkonjugatantenne
Den typiske inngangsimpedansen til en diode er svært kapasitiv, så en induktiv antenne er nødvendig for å oppnå konjugert impedans. På grunn av brikkens kapasitive impedans har høyimpedans-induktive antenner blitt mye brukt i RFID-brikker. Dipolantenner har nylig blitt en trend innen RFID-antenner med kompleks impedans, og viser høy impedans (motstand og reaktans) nær resonansfrekvensen.
Induktive dipolantenner har blitt brukt for å matche den høye kapasitansen til likeretteren i det aktuelle frekvensbåndet. I en foldet dipolantenne fungerer den doble korte linjen (dipolfolding) som en impedanstransformator, noe som tillater design av en antenne med ekstremt høy impedans. Alternativt er bias-mating ansvarlig for å øke den induktive reaktansen så vel som den faktiske impedansen. Ved å kombinere flere forspente dipolelementer med ubalanserte radiale bow-tie-stubber dannes en dobbel bredbåndsantenne med høy impedans. Figur 4 viser noen rapporterte likeretterkonjugatantenner.
Figur 4
Strålingsegenskaper i RFEH og WPT
I Friis-modellen er effekten PRX som mottas av en antenne i en avstand d fra senderen en direkte funksjon av mottakerens og senderens forsterkning (GRX, GTX).
Antennens hovedloberetningsevne og polarisering påvirker direkte mengden effekt som samles inn fra den innfallende bølgen. Antennestrålingskarakteristikker er viktige parametere som skiller mellom omgivende RFEH og WPT (figur 5). Selv om forplantningsmediet kan være ukjent i begge applikasjoner, og dets effekt på den mottatte bølgen må vurderes, kan kunnskap om senderantennen utnyttes. Tabell 3 identifiserer nøkkelparametrene som diskuteres i denne delen og deres anvendelighet på RFEH og WPT.
Figur 5
1. Retning og forsterkning
I de fleste RFEH- og WPT-applikasjoner antas det at samleren ikke kjenner retningen på den innfallende strålingen, og at det ikke finnes noen siktlinje (LoS). I dette arbeidet har flere antennedesign og plasseringer blitt undersøkt for å maksimere den mottatte effekten fra en ukjent kilde, uavhengig av hovedlobejusteringen mellom senderen og mottakeren.
Rundstråleantenner har blitt mye brukt i miljømessige RFEH-rektenner. I litteraturen varierer PSD avhengig av antennens orientering. Variasjonen i effekt er imidlertid ikke forklart, så det er ikke mulig å avgjøre om variasjonen skyldes antennens strålingsmønster eller polarisasjonsavvik.
I tillegg til RFEH-applikasjoner har det blitt rapportert mye om retningsantenner og -arrayer med høy forsterkning for mikrobølge-WPT for å forbedre innsamlingseffektiviteten ved lav RF-effekttetthet eller overvinne forplantningstap. Yagi-Uda-rektennearrayer, bowtie-arrayer, spiralarrayer, tett koblede Vivaldi-arrayer, CPW CP-arrayer og patch-arrayer er blant de skalerbare rektenneimplementeringene som kan maksimere den innfallende effekttettheten under et visst område. Andre tilnærminger for å forbedre antenneforsterkningen inkluderer substratintegrert bølgelederteknologi (SIW) i mikrobølge- og millimeterbølgebånd, spesifikt for WPT. Imidlertid er rektenner med høy forsterkning preget av smale strålebredder, noe som gjør mottak av bølger i vilkårlige retninger ineffektivt. Undersøkelser av antall antenneelementer og porter konkluderte med at høyere retningsvirkning ikke samsvarer med høyere høstet effekt i omgivende RFEH, forutsatt tredimensjonal vilkårlig forekomst; dette ble bekreftet ved feltmålinger i urbane miljøer. Rektennearrayer med høy forsterkning kan begrenses til WPT-applikasjoner.
For å overføre fordelene med høyforsterkningsantenner til vilkårlige RFEH-er, brukes pakke- eller layoutløsninger for å overvinne retningsproblemet. Et dobbelt antennearmbånd foreslås for å høste energi fra omgivende Wi-Fi RFEH-er i to retninger. Omgivende cellulære RFEH-antenner er også designet som 3D-bokser og trykt eller festet til eksterne overflater for å redusere systemarealet og muliggjøre høsting i flere retninger. Kubiske rektangulære strukturer viser høyere sannsynlighet for energimottak i omgivende RFEH-er.
Forbedringer i antennedesignet for å øke strålebredden, inkludert hjelpeparasittiske patch-elementer, ble gjort for å forbedre WPT ved 2,4 GHz, 4 × 1-arrays. En 6 GHz mesh-antenne med flere stråleområder ble også foreslått, noe som demonstrerer flere stråler per port. Flerports, flerlikeretter-overflaterektenner og energihøstingsantenner med omnidireksjonelle strålingsmønstre har blitt foreslått for flerdireksjonell og flerpolarisert RFEH. Multilikerettere med stråleformingsmatriser og flerportsantennearrays har også blitt foreslått for høyforsterkning, flerdireksjonell energihøsting.
Oppsummert, mens antenner med høy forsterkning er foretrukket for å forbedre effekten som høstes fra lave RF-tettheter, er svært retningsbestemte mottakere kanskje ikke ideelle i applikasjoner der senderretningen er ukjent (f.eks. omgivende RFEH eller WPT gjennom ukjente forplantningskanaler). I dette arbeidet foreslås flere flerstråletilnærminger for multidireksjonell WPT og RFEH med høy forsterkning.
2. Antennepolarisering
Antennepolarisering beskriver bevegelsen til det elektriske feltvektoren i forhold til antennens forplantningsretning. Polarisasjonsavvik kan føre til redusert overføring/mottak mellom antenner, selv når hovedloberetningene er justert. Hvis for eksempel en vertikal LP-antenne brukes til overføring og en horisontal LP-antenne brukes til mottak, vil det ikke mottas strøm. I denne delen gjennomgås rapporterte metoder for å maksimere trådløs mottakseffektivitet og unngå tap av polarisasjonsavvik. Et sammendrag av den foreslåtte rektennearkitekturen med hensyn til polarisering er gitt i figur 6, og et eksempel på en SoA er gitt i tabell 4.
Figur 6
I mobilkommunikasjon er det usannsynlig at lineær polarisasjonsjustering mellom basestasjoner og mobiltelefoner oppnås, så basestasjonsantenner er designet for å være dobbeltpolariserte eller multipolariserte for å unngå tap av polarisasjonsmismatch. Polarisasjonsvariasjonen i LP-bølger på grunn av flerbaneeffekter er imidlertid fortsatt et uløst problem. Basert på antagelsen om multipolariserte mobile basestasjoner, er cellulære RFEH-antenner designet som LP-antenner.
CP-rektenner brukes hovedsakelig i WPT fordi de er relativt motstandsdyktige mot feilmatch. CP-antenner kan motta CP-stråling med samme rotasjonsretning (venstrehendt eller høyrehendt CP) i tillegg til alle LP-bølger uten effekttap. Uansett sender CP-antennen og LP-antennen mottar med et tap på 3 dB (50 % effekttap). CP-rektenner er rapportert å være egnet for 900 MHz og 2,4 GHz og 5,8 GHz industrielle, vitenskapelige og medisinske bånd, samt millimeterbølger. I RFEH av vilkårlig polariserte bølger representerer polarisasjonsdiversitet en potensiell løsning på tap av polarisasjonsfeilmatch.
Full polarisering, også kjent som multipolarisering, har blitt foreslått for å fullstendig overvinne tap ved polarisasjonsmismatch, noe som muliggjør innsamling av både CP- og LP-bølger, der to dobbeltpolariserte ortogonale LP-elementer effektivt mottar alle LP- og CP-bølger. For å illustrere dette forblir de vertikale og horisontale nettspenningene (VV og VH) konstante uavhengig av polarisasjonsvinkelen:
CP elektromagnetisk bølge «E» elektrisk felt, hvor strøm samles inn to ganger (én gang per enhet), og dermed mottar CP-komponenten fullt ut og overvinner tapet av 3 dB polarisasjonsmismatch:
Til slutt, gjennom DC-kombinasjon, kan innfallende bølger med vilkårlig polarisering mottas. Figur 7 viser geometrien til den rapporterte fullt polariserte rektennaen.
Figur 7
Oppsummert, i WPT-applikasjoner med dedikerte strømforsyninger er CP foretrukket fordi det forbedrer WPT-effektiviteten uavhengig av antennens polarisasjonsvinkel. På den annen side, i flerkildeopptak, spesielt fra omgivelseskilder, kan fullt polariserte antenner oppnå bedre totalmottak og maksimal portabilitet; flerports-/multi-likeretterarkitekturer er nødvendige for å kombinere fullt polarisert effekt ved RF eller DC.
Sammendrag
Denne artikkelen gjennomgår den siste tidens fremgang innen antennedesign for RFEH og WPT, og foreslår en standardklassifisering av antennedesign for RFEH og WPT som ikke har blitt foreslått i tidligere litteratur. Tre grunnleggende antennekrav for å oppnå høy RF-til-DC-effektivitet er identifisert som:
1. Antennelikeretterimpedansbåndbredde for RFEH- og WPT-båndene av interesse;
2. Hovedlobejustering mellom sender og mottaker i WPT fra en dedikert mating;
3. Polarisasjonsmatching mellom rektennaen og den innfallende bølgen uavhengig av vinkel og posisjon.
Basert på impedans klassifiseres rektenner i 50Ω og likeretterkonjugerte rektenner, med fokus på impedanstilpasning mellom forskjellige bånd og belastninger og effektiviteten til hver tilpasningsmetode.
Strålingsegenskapene til SoA-rektenner har blitt gjennomgått fra et retnings- og polariseringsperspektiv. Metoder for å forbedre forsterkningen ved stråleforming og pakking for å overvinne smal strålebredde diskuteres. Til slutt gjennomgås CP-rektenner for WPT, sammen med ulike implementeringer for å oppnå polarisasjonsuavhengig mottak for WPT og RFEH.
For å lære mer om antenner, vennligst besøk:
Publisert: 16. august 2024
