Co-proiectare antenă-redresoare
Caracteristica rectenelor care urmează topologia EG din Figura 2 este că antena este direct adaptată la redresor, mai degrabă decât standardul de 50Ω, care necesită minimizarea sau eliminarea circuitului de potrivire pentru alimentarea redresorului. Această secțiune trece în revistă avantajele rectenelor SoA cu antene non-50Ω și ale rectenelor fără rețele de potrivire.
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 aplicațiile precum transceiver-uri complet integrate pentru implanturi corporale beneficiază în special de utilizarea antenelor electrice mici pentru WPT.
Impedanța inductivă mare a antenei mici (aproape de rezonanță) poate fi utilizată pentru a cupla direct redresorul sau cu o rețea adițională de potrivire capacitivă pe cip. 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 redresor
Impedanța de intrare tipică a unei diode este foarte capacitivă, deci este necesară o antenă inductivă pentru a obține impedanța 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 antenele RFID cu impedanță complexă, prezentând impedanță ridicată (rezistență și reactanță) în apropierea frecvenței lor de rezonanță.
S-au folosit antene dipol inductive pentru a se potrivi cu capacitatea mare a redresorului în banda de frecvență de interes. Într-o antenă dipol pliată, linia dublă scurtă (pliere dipol) acționează ca un transformator de impedanță, permițând proiectarea unei antene cu impedanță extrem de ridicată. Alternativ, alimentarea de polarizare este responsabilă pentru creșterea reactanței inductive, precum și a impedanței reale. Combinând mai multe elemente dipol polarizate cu niște ștuțuri radiale cu papion dezechilibrate, formează o antenă dublă de înaltă impedanță în bandă largă. Figura 4 prezintă câteva antene conjugate de redresor raportate.
Figura 4
Caracteristicile radiațiilor în RFEH și WPT
În modelul Friis, puterea PRX primită de o antenă la o distanță d de transmițător este o funcție directă a câștigurilor receptorului și emițătorului (GRX, GTX).
Directivitatea și polarizarea lobului principal al antenei influențează direct cantitatea de putere colectată de la unda incidentă. Caracteristicile radiației antenei sunt parametri cheie care diferențiază între RFEH ambiental și WPT (Figura 5). În timp ce în ambele aplicații mediul de propagare poate fi necunoscut și trebuie luat în considerare efectul său asupra undei recepționate, cunoștințele despre antena de transmisie pot fi exploatate. Tabelul 3 identifică parametrii cheie discutați în această secțiune și aplicabilitatea lor la RFEH și WPT.
Figura 5
1. Directivitate și câștig
În majoritatea aplicațiilor RFEH și WPT, se presupune că colectorul nu cunoaște direcția radiației incidente și că nu există o cale de vizibilitate (LoS). În această lucrare, au fost investigate mai multe modele și plasări de antene pentru a maximiza puterea primită de la o sursă necunoscută, independent de alinierea lobului principal dintre emițător și receptor.
Antenele omnidirecționale au fost utilizate pe scară largă în rectenele RFEH de mediu. În literatură, PSD variază în funcție de orientarea antenei. Cu toate acestea, variația de putere nu a fost explicată, așa că nu este posibil să se determine dacă variația se datorează modelului de radiație al antenei sau din cauza nepotrivirii de polarizare.
În plus față de aplicațiile RFEH, antene și rețele direcționale cu câștig mare au fost raportate pe scară largă pentru WPT cu microunde pentru a îmbunătăți eficiența de colectare a densității de putere RF scăzute sau a depăși pierderile de propagare. Matricele de rectennă Yagi-Uda, matricele cu papion, matricele spiralate, matricele Vivaldi strâns cuplate, matricele CPW CP și matricele de patch sunt printre implementările de rectenna scalabile care pot maximiza densitatea de putere incidentă într-o anumită zonă. Alte abordări pentru îmbunătățirea câștigului antenei includ tehnologia substrat integrated waveguide (SIW) în benzi de microunde și unde milimetrice, specifică WPT. Cu toate acestea, rectenele cu câștig mare sunt caracterizate de lățimi înguste ale fasciculului, ceea ce face ineficientă recepția undelor în direcții arbitrare. Investigațiile asupra numărului de elemente de antenă și porturi au concluzionat că o directivitate mai mare nu corespunde unei puteri mai mari colectate în RFEH ambientale presupunând o incidență arbitrară tridimensională; acest lucru a fost verificat prin măsurători pe teren în medii urbane. Matricele cu câștig ridicat pot fi limitate la aplicații WPT.
Pentru a transfera beneficiile antenelor cu câștig ridicat către RFEH-uri arbitrare, soluțiile de ambalare sau de aranjare sunt utilizate pentru a depăși problema directității. Este propusă o brățară de antenă cu patch dublu pentru a colecta energie din RFEH-urile Wi-Fi ambientale în două direcții. Antenele RFEH celulare ambientale sunt, de asemenea, proiectate ca cutii 3D și imprimate sau lipite de suprafețe externe pentru a reduce suprafața sistemului și pentru a permite recoltarea multidirecțională. Structurile rectenei cubice prezintă o probabilitate mai mare de recepție a energiei în RFEH-urile ambientale.
Îmbunătățiri ale designului antenei pentru a crește lățimea fasciculului, inclusiv elemente auxiliare de patch-uri parazitare, au fost făcute pentru a îmbunătăți WPT la 2,4 GHz, matrice 4 × 1. De asemenea, a fost propusă o antenă mesh de 6 GHz cu mai multe regiuni de fascicul, care demonstrează mai multe fascicule pe port. Rectenele de suprafață cu mai multe porturi, multi-redresoare și antene de colectare a energiei cu modele de radiație omnidirecționale au fost propuse pentru RFEH multidirecțional și multipolarizat. Multi-redresoare cu matrice de formare a fasciculului și rețele de antene cu mai multe porturi au fost, de asemenea, propuse pentru colectarea energiei cu câștig mare, multidirecțională.
În rezumat, în timp ce antenele cu câștig mare sunt preferate pentru a îmbunătăți puterea recoltată de la densități RF scăzute, receptoarele cu direcție ridicată pot să nu fie ideale în aplicațiile în care direcția emițătorului este necunoscută (de exemplu, RFEH ambiental sau WPT prin canale de propagare necunoscute). În această lucrare, sunt propuse abordări multiple cu fascicule multiple pentru WPT și RFEH multidirecționale cu câștig mare.
2. Polarizarea antenei
Polarizarea antenei descrie mișcarea vectorului câmpului electric în raport cu direcția de propagare a antenei. Nepotrivirile de polarizare pot duce la o transmisie/recepție redusă între antene chiar și atunci când direcțiile lobului principal sunt aliniate. De exemplu, dacă se folosește o antenă LP verticală pentru transmisie și o antenă LP orizontală pentru recepție, nu va fi primită nicio putere. În această secțiune, sunt analizate metodele raportate pentru maximizarea eficienței recepției fără fir și evitarea pierderilor de nepotrivire a polarizării. Un rezumat al arhitecturii rectennei propuse în ceea ce privește polarizarea este dat în Figura 6 și un exemplu SoA este dat în Tabelul 4.
Figura 6
În comunicațiile celulare, alinierea liniară a polarizării între stațiile de bază și telefoanele mobile este puțin probabil să fie realizată, astfel încât antenele stațiilor de bază sunt proiectate să fie cu polarizare dublă sau multipolarizate pentru a evita pierderile de nepotrivire a polarizării. Cu toate acestea, variația de polarizare a undelor LP din cauza efectelor multipath rămâne o problemă nerezolvată. Pe baza ipotezei stațiilor de bază mobile multipolarizate, antenele celulare RFEH sunt proiectate ca antene LP.
Rectenele 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 pentru stânga sau dreptaci) în plus față de toate undele LP fără pierderi de putere. În orice caz, antena CP transmite și antena LP primește cu o pierdere de 3 dB (pierdere de putere 50%). Rectenele CP sunt raportate a fi potrivite pentru benzile industriale, științifice și medicale de 900 MHz și 2,4 GHz și 5,8 GHz, precum și unde milimetrice. În RFEH a undelor polarizate arbitrar, diversitatea de polarizare reprezintă o soluție potențială la pierderile de nepotrivire de polarizare.
Polarizarea completă, cunoscută și sub numele de multipolarizare, a fost propusă pentru a depăși complet pierderile de nepotrivire de polarizare, permițând colectarea atât a undelor CP, cât și a undelor LP, unde două elemente LP ortogonale cu polarizare dublă 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:
Unda electromagnetică CP Câmp electric „E”, unde puterea este colectată de două ori (o dată pe unitate), primind astfel complet componenta CP și depășind pierderea nepotrivirii de polarizare de 3 dB:
În cele din urmă, prin combinarea DC, pot fi recepționate unde incidente de polarizare arbitrară. Figura 7 prezintă geometria rectenei complet polarizate raportate.
Figura 7
Pe scurt, 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 achizițiile multi-surse, în special din surse ambientale, antenele complet polarizate pot obține o recepție generală mai bună și portabilitate maximă; Arhitecturile multi-port/multi-redresoare sunt necesare pentru a combina puterea complet polarizată la RF sau DC.
Rezumat
Această lucrare trece în revistă progresul recent în proiectarea antenei pentru RFEH și WPT și propune o clasificare standard a proiectării antenei pentru RFEH și WPT, care nu a fost propusă în literatura anterioară. Au fost identificate trei cerințe de bază ale antenei pentru a obține o eficiență ridicată RF-to-DC:
1. Lățimea de bandă a impedanței redresorului antenei pentru benzile de interes RFEH și WPT;
2. Alinierea lobului principal între emițător și receptor în WPT de la un flux dedicat;
3. Potrivirea polarizării dintre rectennă și unda incidentă, indiferent de unghi și poziție.
Pe baza impedanței, rectenele sunt clasificate în 50Ω și rectenele conjugate cu redresor, cu accent pe potrivirea impedanței între diferite benzi și sarcini și eficiența fiecărei metode de potrivire.
Caracteristicile de radiație ale rectenelor SoA au fost revizuite din perspectiva directivității și polarizării. Sunt discutate metode de îmbunătățire a câștigului prin formarea fasciculului și ambalarea pentru a depăși lățimea fasciculului îngust. În cele din urmă, sunt revizuite rectenele CP pentru WPT, împreună cu diverse implementări pentru a obține recepția independentă de polarizare pentru WPT și RFEH.
Pentru a afla mai multe despre antene, vă rugăm să vizitați:
Ora postării: 16-aug-2024
