Antenne-likeretter Co-design
Karakteristikken til rektenner som følger EG-topologien i figur 2 er at antennen er direkte tilpasset til likeretteren, i stedet for 50Ω-standarden, som krever å minimere eller eliminere matchende krets for å drive likeretteren. Denne delen gjennomgår fordelene med SoA-rektenner med ikke-50Ω-antenner og rektenner uten samsvarende nettverk.
1. Elektrisk små antenner
LC-resonansringantenner har blitt mye brukt i applikasjoner der systemstørrelsen er kritisk. Ved frekvenser under 1 GHz kan bølgelengden føre til at standard distribuerte elementantenner opptar mer plass enn den totale størrelsen på systemet, og applikasjoner som fullt integrerte transceivere for kroppsimplantater drar spesielt nytte av bruken 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 matchende nettverk på brikken. Elektrisk små antenner er 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. Likeretter konjugert antenne
Den typiske inngangsimpedansen til en diode er svært kapasitiv, så det kreves en induktiv antenne for å oppnå konjugert impedans. På grunn av den kapasitive impedansen til brikken, har høyimpedans induktive antenner blitt mye brukt i RFID-brikker. Dipolantenner har nylig blitt en trend innen komplekse impedans RFID-antenner, som viser høy impedans (motstand og reaktans) nær deres resonansfrekvens.
Induktive dipolantenner har blitt brukt for å matche den høye kapasitansen til likeretteren i frekvensbåndet av interesse. I en foldet dipolantenne fungerer den doble korte linjen (dipolfolding) som en impedanstransformator, noe som tillater utformingen av en antenne med ekstremt høy impedans. Alternativt er forspenningsmating ansvarlig for å øke den induktive reaktansen så vel som den faktiske impedansen. Ved å kombinere flere forspente dipolelementer med ubalanserte radielle sløyfestubber danner en dobbel bredbåndsantenne med høy impedans. Figur 4 viser noen rapporterte likeretterkonjugerte antenner.
Figur 4
Strålingsegenskaper i RFEH og WPT
I Friis-modellen er kraften PRX som mottas av en antenne i en avstand d fra senderen en direkte funksjon av mottaker- og senderforsterkningen (GRX, GTX).
Antennens hovedlob-direktivitet og polarisering påvirker direkte mengden kraft som samles inn fra den innfallende bølgen. Antennestrålingskarakteristikk er nøkkelparametere som skiller mellom omgivende RFEH og WPT (Figur 5). Mens forplantningsmediet i begge applikasjoner kan være ukjent og dets effekt på den mottatte bølgen må vurderes, kan kunnskap om senderantennen utnyttes. Tabell 3 identifiserer nøkkelparametrene diskutert i denne delen og deres anvendelighet for RFEH og WPT.
Figur 5
1. Direktivitet og gevinst
I de fleste RFEH- og WPT-applikasjoner antas det at kollektoren ikke kjenner retningen til den innfallende strålingen og at det ikke er noen siktlinje (LoS). I dette arbeidet har flere antennedesign og plasseringer blitt undersøkt for å maksimere den mottatte kraften fra en ukjent kilde, uavhengig av hovedlobens justering mellom senderen og mottakeren.
Omnidireksjonelle antenner har blitt mye brukt i miljømessige RFEH-rektenner. I litteraturen varierer PSD avhengig av retningen til antennen. Variasjonen i effekt er imidlertid ikke forklart, så det er ikke mulig å fastslå om variasjonen skyldes strålingsmønsteret til antennen eller på grunn av polarisasjonsfeil.
I tillegg til RFEH-applikasjoner, har høyforsterkede retningsantenner og arrays blitt rapportert mye for mikrobølge-WPT for å forbedre innsamlingseffektiviteten til lav RF-effekttetthet eller overvinne forplantningstap. Yagi-Uda-rektenna-arrayer, bowtie-arrays, spiral-arrays, tett koblede Vivaldi-arrays, CPW CP-arrays og patch-arrays er blant de skalerbare rektenna-implementeringene som kan maksimere hendelseskrafttettheten under et bestemt område. Andre tilnærminger for å forbedre antenneforsterkningen inkluderer substratintegrert bølgeleder (SIW) teknologi i mikrobølge- og millimeterbølgebånd, spesifikke for WPT. Imidlertid er rektennaer 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 direktivitet ikke tilsvarer høyere høstet effekt i omgivende RFEH, forutsatt tredimensjonal vilkårlig forekomst; dette ble verifisert ved feltmålinger i urbane miljøer. High-gain arrays kan begrenses til WPT-applikasjoner.
For å overføre fordelene med høyforsterkningsantenner til vilkårlige RFEH-er, brukes pakke- eller layoutløsninger for å overvinne direktivitetsproblemet. Et dual-patch antennearmbånd er foreslått for å høste energi fra omgivende Wi-Fi RFEH-er i to retninger. Omgivende cellulære RFEH-antenner er også utformet som 3D-bokser og trykt eller festet til ytre overflater for å redusere systemarealet og muliggjøre høsting i flere retninger. Kubiske rektennastrukturer viser høyere sannsynlighet for energimottak i omgivende RFEH-er.
Forbedringer av antennedesign for å øke strålebredden, inkludert parasittiske hjelpeelementer, ble gjort for å forbedre WPT ved 2,4 GHz, 4 × 1-matriser. En 6 GHz mesh-antenne med flere stråleområder ble også foreslått, og demonstrerte flere stråler per port. Multi-port, multi-likeretter overflaterektenner og energihøstende antenner med rundstrålende strålingsmønstre har blitt foreslått for flerveis og multipolarisert RFEH. Multi-likerettere med stråleformende matriser og multi-port antenne arrays har også blitt foreslått for høy forsterkning, flerveis energihøsting.
Oppsummert, mens høyforsterkningsantenner foretrekkes for å forbedre kraften som høstes fra lave RF-tettheter, kan det hende at mottakere med høy retning ikke er ideelle i applikasjoner der senderretningen er ukjent (f.eks. omgivelses-RFEH eller WPT gjennom ukjente forplantningskanaler). I dette arbeidet foreslås flere flerstråletilnærminger for flerveis høyforsterknings WPT og RFEH.
2. Antennepolarisering
Antennepolarisering beskriver bevegelsen til den elektriske feltvektoren i forhold til antennens utbredelsesretning. Polarisasjonsfeil kan føre til redusert overføring/mottak mellom antenner selv når hovedlobens retninger er justert. For eksempel, hvis en vertikal LP-antenne brukes til overføring og en horisontal LP-antenne brukes til mottak, vil ingen strøm mottas. I denne delen gjennomgås rapporterte metoder for å maksimere trådløs mottakseffektivitet og unngå tap av polarisasjonsmismatch. Et sammendrag av den foreslåtte rektennaarkitekturen med hensyn til polarisering er gitt i figur 6 og et eksempel på SoA er gitt i tabell 4.
Figur 6
I mobilkommunikasjon er det usannsynlig at lineær polarisasjonsinnretting mellom basestasjoner og mobiltelefoner oppnås, så basestasjonsantenner er designet for å være dobbeltpolarisert eller multipolarisert for å unngå tap av polarisasjonsmismatch. Imidlertid forblir polarisasjonsvariasjonen til LP-bølger på grunn av flerveiseffekter et uløst problem. Basert på antakelsen om multipolariserte mobile basestasjoner, er cellulære RFEH-antenner utformet som LP-antenner.
CP-rektennaer brukes hovedsakelig i WPT fordi de er relativt motstandsdyktige mot mismatch. CP-antenner er i stand til å 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 % strømtap). 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 for vilkårlig polariserte bølger, representerer polarisasjonsdiversitet en potensiell løsning på tap av polarisasjonsmismatch.
Full polarisering, også kjent som multipolarisering, har blitt foreslått for å fullstendig overvinne tap av 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 nettospenningene (VV og VH) konstante uavhengig av polarisasjonsvinkelen:
CP elektromagnetisk bølge "E" elektrisk felt, hvor strøm samles to ganger (en gang per enhet), og dermed mottar CP-komponenten fullt ut og overvinner tapet på 3 dB polarisasjonsmistilpasning:
Til slutt, gjennom DC-kombinasjon, kan innfallende bølger av vilkårlig polarisering mottas. Figur 7 viser geometrien til den rapporterte fullstendig polariserte rektenna.
Figur 7
Oppsummert, i WPT-applikasjoner med dedikerte strømforsyninger, er CP foretrukket fordi det forbedrer WPT-effektiviteten uavhengig av polarisasjonsvinkelen til antennen. På den annen side, ved innhenting av flere kilder, spesielt fra omgivelseskilder, kan fullt polariserte antenner oppnå bedre total mottak og maksimal portabilitet; multi-port/multi-likeretterarkitekturer kreves for å kombinere fullt polarisert kraft ved RF eller DC.
Sammendrag
Denne artikkelen gjennomgår den nylige fremgangen 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. Hovedlobinnretting mellom sender og mottaker i WPT fra en dedikert feed;
3. Polarisasjonstilpasning mellom rektenna og den innfallende bølgen uavhengig av vinkel og posisjon.
Basert på impedans klassifiseres rektenner i 50Ω og likeretterkonjugerte rektenner, med fokus på impedanstilpasning mellom ulike bånd og belastninger og effektiviteten til hver matchingsmetode.
Strålingsegenskapene til SoA-rektennaer har blitt gjennomgått fra perspektivet av retningsbestemmelse og polarisering. Metoder for å forbedre forsterkning ved stråleforming og pakking for å overvinne smal strålebredde er diskutert. Til slutt gjennomgås CP-rektennaer for WPT, sammen med ulike implementeringer for å oppnå polarisasjonsuavhengig mottak for WPT og RFEH.
For å lære mer om antenner, vennligst besøk:
Innleggstid: 16. august 2024
