Ko-dizajn antene i ispravljača
Karakteristika rektena koji prate EG topologiju na slici 2 je da je antena direktno usklađena sa ispravljačem, a ne sa standardom od 50Ω, što zahteva minimiziranje ili eliminisanje kola za usklađivanje za napajanje ispravljača. Ovaj odjeljak daje pregled prednosti SoA rectenna sa antenama koje nisu 50Ω i rectenna bez odgovarajućih mreža.
1. Električno male antene
LC rezonantne prstenaste antene se široko koriste u aplikacijama gdje je veličina sistema kritična. Na frekvencijama ispod 1 GHz, talasna dužina može prouzrokovati da standardne antene sa distribuiranim elementima zauzmu više prostora od ukupne veličine sistema, a aplikacije kao što su potpuno integrisani primopredajnici za telesne implantate posebno imaju koristi od upotrebe električnih malih antena za WPT.
Visoka induktivna impedansa male antene (blizu rezonancije) može se koristiti za direktno spajanje ispravljača ili sa dodatnom kapacitivnom mrežom za usklađivanje na čipu. Električno male antene su prijavljene u WPT sa LP i CP ispod 1 GHz koristeći Huygens dipolne antene, sa ka=0,645, dok ka=5,91 u normalnim dipolima (ka=2πr/λ0).
2. Ispravljačka konjugirana antena
Tipična ulazna impedansa diode je visoko kapacitivna, tako da je za postizanje konjugirane impedanse potrebna induktivna antena. Zbog kapacitivne impedanse čipa, induktivne antene visoke impedanse se široko koriste u RFID oznakama. Dipolne antene su nedavno postale trend u RFID antenama sa kompleksnom impedansom, pokazujući visoku impedanciju (otpor i reaktanciju) blizu svoje rezonantne frekvencije.
Induktivne dipolne antene su korištene za usklađivanje visokog kapaciteta ispravljača u frekvencijskom opsegu od interesa. U presavijenoj dipol anteni, dvostruka kratka linija (dipol folding) djeluje kao transformator impedanse, omogućavajući dizajn antene izuzetno visoke impedancije. Alternativno, bias feeding je odgovoran za povećanje induktivne reaktancije kao i stvarne impedanse. Kombinovanjem višestrukih pristrasnih dipolnih elemenata sa neuravnoteženim radijalnim kopčama za leptir mašne formira se dvostruka širokopojasna antena visoke impedancije. Slika 4 prikazuje neke prijavljene konjugirane antene ispravljača.
Slika 4
Karakteristike zračenja u RFEH i WPT
U modelu Friis, snaga PRX koju prima antena na udaljenosti d od predajnika je direktna funkcija pojačanja prijemnika i predajnika (GRX, GTX).
Glavna usmerenost i polarizacija antene direktno utiču na količinu energije prikupljene od upadnog talasa. Karakteristike zračenja antene su ključni parametri koji razlikuju ambijentalni RFEH i WPT (Slika 5). Dok u obje aplikacije medij za propagaciju može biti nepoznat i njegov utjecaj na primljeni val treba uzeti u obzir, znanje o predajnoj anteni može se iskoristiti. Tabela 3 identifikuje ključne parametre o kojima se govori u ovom odjeljku i njihovu primjenjivost na RFEH i WPT.
Slika 5
1. Usmjerenost i pojačanje
U većini RFEH i WPT aplikacija, pretpostavlja se da kolektor ne zna smjer upadnog zračenja i da ne postoji linija vidljivosti (LoS). U ovom radu, višestruki dizajni i položaji antena su istraženi kako bi se maksimizirala primljena snaga iz nepoznatog izvora, nezavisno od poravnanja glavnog režnja između predajnika i prijemnika.
Omnidirekcione antene se široko koriste u ekološkim RFEH rektennama. U literaturi, PSD varira u zavisnosti od orijentacije antene. Međutim, varijacija u snazi nije objašnjena, tako da nije moguće utvrditi da li je varijacija posljedica dijagrama zračenja antene ili neusklađenosti polarizacije.
Pored RFEH aplikacija, široko se izvještava o usmjerenim antenama i nizovima s visokim pojačanjem za mikrotalasne WPT radi poboljšanja efikasnosti sakupljanja niske gustine RF snage ili prevladavanja gubitaka u širenju. Yagi-Uda rectenna nizovi, nizovi leptir mašni, spiralni nizovi, čvrsto povezani Vivaldi nizovi, CPW CP nizovi i patch nizovi su među skalabilnim rectenna implementacijama koje mogu maksimizirati gustinu snage incidenta u određenom području. Drugi pristupi poboljšanju pojačanja antene uključuju tehnologiju integrisanog talasnog voda (SIW) u mikrotalasnom i milimetarskom talasnom opsegu, specifičnom za WPT. Međutim, rektene sa visokim pojačanjem karakterišu uske širine snopa, što čini prijem talasa u proizvoljnim pravcima neefikasnim. Istraživanja broja antenskih elemenata i portova su zaključila da veća usmjerenost ne odgovara višoj prikupljenoj snazi u ambijentalnom RFEH-u pod pretpostavkom trodimenzionalne proizvoljnog upada; ovo je potvrđeno terenskim mjerenjima u urbanim sredinama. Nizovi sa visokim pojačanjem mogu biti ograničeni na WPT aplikacije.
Da bi se prednosti antena sa visokim pojačanjem prenele na proizvoljne RFEH, rešenja za pakovanje ili raspored se koriste za prevazilaženje problema usmerenosti. Dual-patch antenska narukvica je predložena za prikupljanje energije iz ambijentalnih Wi-Fi RFEH-ova u dva smjera. Ambijentalne ćelijske RFEH antene su također dizajnirane kao 3D kutije i odštampane ili zalijepljene na vanjske površine kako bi se smanjila površina sistema i omogućilo višesmjerno prikupljanje. Kubične rektenne strukture pokazuju veću vjerovatnoću prijema energije u ambijentalnim RFEHs.
Poboljšanja u dizajnu antene radi povećanja širine snopa, uključujući pomoćne parazitne patch elemente, napravljena su da bi se poboljšao WPT na 2,4 GHz, 4 × 1 nizovi. Predložena je i mrežasta antena od 6 GHz sa više područja snopa, koja pokazuje više snopova po portu. Za višesmjerne i multipolarizirane RFEH predložene su višeportne površinske rektene s više ispravljača i antene za prikupljanje energije sa omnidirekcionim uzorcima zračenja. Višestruki ispravljači sa matricama za formiranje snopa i antenskim nizovima sa više portova takođe su predloženi za prikupljanje energije u više smerova sa visokim pojačanjem.
Ukratko, dok se antene sa visokim pojačanjem preferiraju za poboljšanje snage dobijene od niskih RF gustina, visoko usmjereni prijemnici možda neće biti idealni u aplikacijama gdje je smjer odašiljača nepoznat (npr. ambijentalni RFEH ili WPT kroz nepoznate kanale širenja). U ovom radu, višestruki pristupi sa više zraka su predloženi za višesmjerne WPT i RFEH sa visokim pojačanjem.
2. Polarizacija antene
Polarizacija antene opisuje kretanje vektora električnog polja u odnosu na pravac širenja antene. Neusklađenost polarizacije može dovesti do smanjenog prijenosa/prijema između antena čak i kada su smjerovi glavnih režnjeva poravnati. Na primjer, ako se vertikalna LP antena koristi za prijenos, a horizontalna LP antena se koristi za prijem, napajanje neće biti primljeno. U ovom odeljku su prikazane metode za maksimiziranje efikasnosti bežičnog prijema i izbegavanje gubitaka neusklađenosti polarizacije. Sažetak predložene arhitekture rektenne s obzirom na polarizaciju dat je na slici 6, a primjer SoA je dat u tabeli 4.
Slika 6
U ćelijskim komunikacijama, malo je vjerovatno da će se postići linearno poravnanje polarizacije između baznih stanica i mobilnih telefona, tako da su antene baznih stanica dizajnirane da budu dvostruko polarizirane ili multipolarizirane kako bi se izbjegli gubici neusklađenosti polarizacije. Međutim, varijacija polarizacije LP valova zbog multipath efekata ostaje neriješen problem. Na osnovu pretpostavke multipolarizovanih mobilnih baznih stanica, ćelijske RFEH antene su dizajnirane kao LP antene.
CP rektene se uglavnom koriste u WPT jer su relativno otporne na neusklađenost. CP antene mogu primiti CP zračenje sa istim smjerom rotacije (lijevo ili desno CP) pored svih LP valova bez gubitka snage. U svakom slučaju, CP antena emituje, a LP antena prima sa gubitkom od 3 dB (50% gubitka snage). Izvještava se da su CP rektene prikladne za 900 MHz i 2,4 GHz i 5,8 GHz industrijske, naučne i medicinske opsege, kao i za milimetarske talase. U RFEH proizvoljno polarizovanih talasa, polarizacioni diverzitet predstavlja potencijalno rešenje za gubitke polarizacione neusklađenosti.
Predložena je puna polarizacija, takođe poznata kao multipolarizacija, da bi se potpuno prevazišli gubici neusklađenosti polarizacije, omogućavajući prikupljanje i CP i LP talasa, pri čemu dva dvostruko polarizovana ortogonalna LP elementa efektivno primaju sve LP i CP talase. Da bismo to ilustrirali, vertikalni i horizontalni mrežni naponi (VV i VH) ostaju konstantni bez obzira na ugao polarizacije:
Električno polje CP elektromagnetnog talasa “E”, gdje se snaga prikuplja dva puta (jednom po jedinici), čime se u potpunosti prima CP komponenta i prevazilazi gubitak neusklađenosti polarizacije od 3 dB:
Konačno, kroz DC kombinaciju, mogu se primiti upadni valovi proizvoljne polarizacije. Slika 7 prikazuje geometriju prijavljene potpuno polarizirane rektene.
Slika 7
Ukratko, u WPT aplikacijama sa namenskim izvorima napajanja, CP je poželjniji jer poboljšava efikasnost WPT bez obzira na ugao polarizacije antene. S druge strane, u akviziciji sa više izvora, posebno iz ambijentalnih izvora, potpuno polarizirane antene mogu postići bolji ukupni prijem i maksimalnu prenosivost; Arhitekture sa više portova/više ispravljača su potrebne za kombinovanje potpuno polarizovane snage na RF ili DC.
Rezime
Ovaj rad razmatra nedavni napredak u dizajnu antena za RFEH i WPT, i predlaže standardnu klasifikaciju dizajna antena za RFEH i WPT koja nije predložena u prethodnoj literaturi. Identificirana su tri osnovna zahtjeva antene za postizanje visoke RF-to-DC efikasnosti:
1. Opseg impedanse antenskog ispravljača za RFEH i WPT opsege od interesa;
2. Poravnanje glavnog režnja između predajnika i prijemnika u WPT-u iz namjenskog izvora;
3. Usklađivanje polarizacije između rektene i upadnog talasa bez obzira na ugao i poziciju.
Na osnovu impedanse, rektene su klasifikovane u 50Ω i konjugirane rektene sa ispravljačem, sa fokusom na usklađivanje impedanse između različitih opsega i opterećenja i efikasnost svake metode usklađivanja.
Sagledane su karakteristike zračenja SoA rektena iz perspektive usmjerenosti i polarizacije. Razmatraju se metode za poboljšanje pojačanja oblikovanjem zraka i pakiranje za prevazilaženje uske širine snopa. Konačno, CP rektene za WPT su pregledane, zajedno sa različitim implementacijama za postizanje prijema nezavisnog od polarizacije za WPT i RFEH.
Da saznate više o antenama, posjetite:
Vrijeme objave: 16.08.2024
