Proiectare conexă antenă-redresor
Caracteristica rectenelor care urmează topologia EG din Figura 2 este aceea că antena este adaptată direct la redresor, în loc de standardul de 50Ω, ceea ce necesită minimizarea sau eliminarea circuitului de adaptare pentru alimentarea redresorului. Această secțiune analizează avantajele rectenelor SoA cu antene non-50Ω și rectenelor fără rețele de adaptare.
1. Antene electrice mici
Antenele inelare rezonante LC au fost utilizate pe scară largă în aplicații în care dimensiunea sistemului este critică. La frecvențe sub 1 GHz, lungimea de undă poate face ca antenele standard cu elemente distribuite să ocupe mai mult spațiu decât dimensiunea totală a sistemului, iar aplicații precum transceiverele complet integrate pentru implanturi corporale beneficiază în special de utilizarea antenelor de dimensiuni reduse din punct de vedere electric pentru WPT.
Impedanța inductivă ridicată a antenei mici (aproape rezonantă) poate fi utilizată pentru cuplarea directă a redresorului sau cu o rețea suplimentară de adaptare capacitivă integrată. Antene mici din punct de vedere electric au fost raportate în WPT cu LP și CP sub 1 GHz folosind antene dipol Huygens, cu ka=0,645, în timp ce ka=5,91 în dipoli normali (ka=2πr/λ0).
2. Antenă conjugată redresoare
Impedanța tipică de intrare a unei diode este foarte capacitivă, așadar este necesară o antenă inductivă pentru a obține o impedanță conjugată. Datorită impedanței capacitive a cipului, antenele inductive de înaltă impedanță au fost utilizate pe scară largă în etichetele RFID. Antenele dipol au devenit recent o tendință în rândul antenelor RFID cu impedanță complexă, prezentând o impedanță (rezistență și reactanță) ridicată în apropierea frecvenței lor de rezonanță.
Antenele dipol inductive au fost utilizate pentru a se adapta capacității ridicate a redresorului în banda de frecvență de interes. Într-o antenă dipol pliată, linia dublă scurtă (plierea dipolului) acționează ca un transformator de impedanță, permițând proiectarea unei antene cu impedanță extrem de mare. Alternativ, alimentarea prin polarizare este responsabilă pentru creșterea reactanței inductive, precum și a impedanței reale. Combinarea mai multor elemente dipol polarizate cu borne radiale dezechilibrate tip bow tie formează o antenă duală de bandă largă cu impedanță ridicată. Figura 4 prezintă câteva antene redresoare conjugate raportate.
Figura 4
Caracteristicile radiațiilor în RFEH și WPT
În modelul Friis, puterea PRX recepționată de o antenă aflată la o distanță d de emițător este o funcție directă a câștigurilor receptorului și emițătorului (GRX, GTX).
Directivitatea și polarizarea lobului principal al antenei au un impact direct asupra cantității de putere colectată de la unda incidentă. Caracteristicile radiației antenei sunt parametri cheie care diferențiază între RFEH ambiental și WPT (Figura 5). Deși în ambele aplicații mediul de propagare poate fi necunoscut și efectul său asupra undei recepționate trebuie luat în considerare, cunoașterea antenei de transmisie poate fi exploatată. Tabelul 3 identifică parametrii cheie discutați în această secțiune și aplicabilitatea lor la RFEH și WPT.
Figura 5
1. Directivitate și amplificare
În majoritatea aplicațiilor RFEH și WPT, se presupune că colectorul nu cunoaște direcția radiației incidente și că nu există o cale liniară de vizibilitate (LoS). În această lucrare, au fost investigate mai multe modele și amplasări de antene pentru a maximiza puterea recepționată de la o sursă necunoscută, independent de alinierea lobilor principali dintre emițător și receptor.
Antenele omnidirecționale au fost utilizate pe scară largă în antenele recte RFEH de mediu. În literatura de specialitate, PSD variază în funcție de orientarea antenei. Cu toate acestea, variația puterii nu a fost explicată, astfel încât nu este posibil să se determine dacă variația se datorează diagramei de radiație a antenei sau nepotrivirii de polarizare.
Pe lângă aplicațiile RFEH, antenele și rețelele direcționale cu câștig mare au fost raportate pe scară largă pentru WPT cu microunde pentru a îmbunătăți eficiența colectării densității de putere RF scăzute sau pentru a depăși pierderile de propagare. Rețelele de rectenă Yagi-Uda, rețelele bowtie, rețelele spirale, rețelele Vivaldi strâns cuplate, rețelele CPW CP și rețelele patch se numără printre implementările de rectenă scalabile care pot maximiza densitatea de putere incidentă sub o anumită zonă. Alte abordări pentru îmbunătățirea câștigului antenei includ tehnologia ghidului de undă integrat cu substrat (SIW) în benzile de microunde și unde milimetrice, specifică WPT. Cu toate acestea, rectenele cu câștig mare sunt caracterizate prin lățimi de fascicul înguste, ceea ce face ca recepția undelor în direcții arbitrare să fie ineficientă. Investigațiile privind numărul de elemente și porturi de antenă au concluzionat că o directivitate mai mare nu corespunde unei puteri recoltate mai mari în RFEH ambiental, presupunând o incidență arbitrară tridimensională; acest lucru a fost verificat prin măsurători pe teren în medii urbane. Rețelele cu câștig mare pot fi limitate la aplicațiile WPT.
Pentru a transfera beneficiile antenelor cu câștig ridicat la RFEH-uri arbitrare, se utilizează soluții de împachetare sau amplasare pentru a depăși problema directivității. Se propune o brățară de antenă cu două patch-uri pentru a colecta energie din RFEH-urile Wi-Fi ambientale în două direcții. Antenele RFEH celulare ambientale sunt, de asemenea, proiectate ca niște cutii 3D și imprimate sau lipite pe suprafețe externe pentru a reduce suprafața sistemului și a permite colectarea multidirecțională. Structurile cubice rectena prezintă o probabilitate mai mare de recepție a energiei în RFEH-urile ambientale.
S-au făcut îmbunătățiri la proiectarea antenei pentru a crește lățimea fasciculului, inclusiv elemente auxiliare de patch parazit, pentru a îmbunătăți WPT la 2,4 GHz, rețele 4 × 1. De asemenea, a fost propusă o antenă mesh de 6 GHz cu regiuni multiple ale fasciculului, demonstrând fascicule multiple per port. Au fost propuse antene de suprafață multi-port, multi-redresoare și antene de captare a energiei cu modele de radiație omnidirecționale pentru RFEH multidirecțional și multi-polarizat. De asemenea, au fost propuse multi-redresoare cu matrici de formare a fasciculului și rețele de antene multi-port pentru captarea energiei multidirecțională și cu câștig ridicat.
În concluzie, deși antenele cu câștig mare sunt preferate pentru a îmbunătăți puterea colectată din densități RF scăzute, receptoarele cu direcție înaltă pot să nu fie ideale în aplicații în care direcția emițătorului este necunoscută (de exemplu, RFEH ambiental sau WPT prin canale de propagare necunoscute). În această lucrare, sunt propuse abordări multiple multi-fascicul pentru WPT și RFEH cu câștig mare multidirecțional.
2. Polarizarea antenei
Polarizarea antenei descrie mișcarea vectorului câmpului electric în raport cu direcția de propagare a antenei. Neconcordanțele de polarizare pot duce la o transmisie/recepție redusă între antene, chiar și atunci când direcțiile lobilor principali sunt aliniate. De exemplu, dacă se utilizează o antenă LP verticală pentru transmisie și o antenă LP orizontală pentru recepție, nu se va primi energie. În această secțiune, sunt analizate metodele raportate pentru maximizarea eficienței recepției wireless și evitarea pierderilor cauzate de neconcordanța de polarizare. Un rezumat al arhitecturii rectenei propuse în ceea ce privește polarizarea este prezentat în Figura 6, iar un exemplu de SoA este prezentat în Tabelul 4.
Figura 6
În comunicațiile celulare, este puțin probabil să se realizeze o aliniere liniară a polarizării între stațiile de bază și telefoanele mobile, așa că antenele stațiilor de bază sunt proiectate să fie dual-polarizate sau multipolarizate pentru a evita pierderile cauzate de nepotrivirea polarizării. Cu toate acestea, variația polarizării undelor LP din cauza efectelor de cale multiplă rămâne o problemă nerezolvată. Pe baza presupunerii stațiilor de bază mobile multipolarizate, antenele celulare RFEH sunt proiectate ca antene LP.
Recenele CP sunt utilizate în principal în WPT deoarece sunt relativ rezistente la nepotrivire. Antenele CP sunt capabile să recepționeze radiații CP cu aceeași direcție de rotație (CP stângaci sau dreptaci), pe lângă toate undele LP, fără pierderi de putere. În orice caz, antena CP transmite, iar antena LP recepționează cu o pierdere de 3 dB (pierdere de putere de 50%). Recenele CP sunt raportate a fi potrivite pentru benzile industriale, științifice și medicale de 900 MHz, 2,4 GHz și 5,8 GHz, precum și pentru unde milimetrice. În RFEH a undelor polarizate arbitrar, diversitatea polarizării reprezintă o soluție potențială pentru pierderile cauzate de nepotrivirea polarizării.
Polarizarea completă, cunoscută și sub denumirea de multipolarizare, a fost propusă pentru a depăși complet pierderile cauzate de nepotrivirea de polarizare, permițând colectarea atât a undelor CP, cât și a undelor LP, unde două elemente LP ortogonale cu polarizare duală primesc efectiv toate undele LP și CP. Pentru a ilustra acest lucru, tensiunile nete verticale și orizontale (VV și VH) rămân constante indiferent de unghiul de polarizare:
Câmp electric „E” al undei electromagnetice CP, unde puterea este colectată de două ori (o dată pe unitate), recepționând astfel complet componenta CP și depășind pierderea de nepotrivire de polarizare de 3 dB:
În final, prin combinarea curentului continuu, pot fi recepționate unde incidente de polarizare arbitrară. Figura 7 prezintă geometria rectenei complet polarizate raportate.
Figura 7
În concluzie, în aplicațiile WPT cu surse de alimentare dedicate, CP este preferat deoarece îmbunătățește eficiența WPT indiferent de unghiul de polarizare al antenei. Pe de altă parte, în achiziția multi-sursă, în special din surse ambientale, antenele complet polarizate pot obține o recepție generală mai bună și o portabilitate maximă; arhitecturile multi-port/multi-redresor sunt necesare pentru a combina puterea complet polarizată la RF sau DC.
Rezumat
Această lucrare analizează progresele recente în proiectarea antenelor pentru RFEH și WPT și propune o clasificare standard a proiectării antenelor pentru RFEH și WPT care nu a fost propusă în literatura anterioară. Au fost identificate trei cerințe de bază pentru antene pentru obținerea unei eficiențe ridicate RF-DC, și anume:
1. Lățimea de bandă a impedanței redresorului antenei pentru benzile RFEH și WPT de interes;
2. Alinierea lobilor principali între emițător și receptor în WPT de la o alimentare dedicată;
3. Potrivirea polarizării între rectenă și unda incidentă, indiferent de unghi și poziție.
Pe baza impedanței, rectenele sunt clasificate în rectene de 50Ω și rectene cu redresoare conjugate, cu accent pe adaptarea impedanței între diferite benzi și sarcini și pe eficiența fiecărei metode de adaptare.
Caracteristicile de radiație ale rectenelor SoA au fost analizate din perspectiva directivității și polarizării. Sunt discutate metode de îmbunătățire a câștigului prin formarea fasciculului și împachetare pentru a depăși lățimea îngustă a fasciculului. În cele din urmă, sunt analizate rectenele CP pentru WPT, împreună cu diverse implementări pentru a obține recepție independentă de polarizare pentru WPT și RFEH.
Pentru a afla mai multe despre antene, vă rugăm să vizitați:
Data publicării: 16 august 2024
