Zajednički dizajn antene i ispravljača
Karakteristika rektenna koje prate EG topologiju na Slici 2 je da je antena direktno usklađena s ispravljačem, umjesto standarda od 50Ω, što zahtijeva minimiziranje ili eliminaciju strujnog kola za usklađivanje za napajanje ispravljača. Ovaj odjeljak razmatra prednosti SoA rektenna s antenama koje nisu od 50Ω i rektenna bez mreža za usklađivanje.
1. Električno male antene
LC rezonantne prstenaste antene se široko koriste u primjenama gdje je veličina sistema kritična. Na frekvencijama ispod 1 GHz, talasna dužina može uzrokovati da standardne antene sa distribuiranim elementima zauzimaju više prostora od ukupne veličine sistema, a primjene kao što su potpuno integrisani primopredajnici za tjelesne implantate posebno imaju koristi od upotrebe električno malih antena za bežično prenos energije (WPT).
Visoka induktivna impedancija male antene (blizu rezonancije) može se koristiti za direktno spajanje ispravljača ili s dodatnom kapacitivnom mrežom za usklađivanje na čipu. Električno male antene su zabilježene u WPT-u sa LP i CP ispod 1 GHz korištenjem Huygens dipol antena, sa ka=0,645, dok je ka=5,91 u normalnim dipolima (ka=2πr/λ0).
2. Antena konjugirana s ispravljačem
Tipična ulazna impedancija diode je visoko kapacitivna, tako da je za postizanje konjugovane impedancije potrebna induktivna antena. Zbog kapacitivne impedancije čipa, induktivne antene visoke impedancije se široko koriste u RFID oznakama. Dipolne antene su nedavno postale trend kod RFID antena sa kompleksnom impedancijom, pokazujući visoku impedanciju (otpor i reaktanciju) blizu svoje rezonantne frekvencije.
Induktivne dipolne antene korištene su za usklađivanje visokog kapaciteta ispravljača u frekventnom opsegu od interesa. Kod preklopljene dipolne antene, dvostruka kratka linija (preklapanje dipola) djeluje kao transformator impedance, omogućavajući dizajn antene izuzetno visoke impedance. Alternativno, napajanje pristranosti je odgovorno za povećanje induktivne reaktanse, kao i stvarne impedance. Kombiniranje više pristranih dipolnih elemenata s nebalansiranim radijalnim krakovima u obliku leptir-majice formira dvostruku širokopojasnu antenu visoke impedance. Slika 4 prikazuje neke prijavljene konjugirane ispravljačke antene.
Slika 4
Karakteristike zračenja u RFEH i WPT
U Friisovom modelu, snaga PRX koju prima antena na udaljenosti d od predajnika je direktna funkcija pojačanja prijemnika i predajnika (GRX, GTX).
Usmerenost i polarizacija glavnog režnja antene direktno utiču na količinu snage prikupljene iz upadnog talasa. Karakteristike zračenja antene su ključni parametri koji razlikuju ambijentalni RFEH i WPT (Slika 5). Iako u obje primjene propagacioni medij može biti nepoznat i njegov uticaj na primljeni talas treba uzeti u obzir, poznavanje predajne antene može se iskoristiti. Tabela 3 identifikuje ključne parametre o kojima se raspravlja u ovom odjeljku i njihovu primjenjivost na RFEH i WPT.
Slika 5
1. Usmjerenost i pojačanje
U većini RFEH i WPT primjena, pretpostavlja se da kolektor ne zna smjer upadnog zračenja i da ne postoji putanja u liniji vidljivosti (LoS). U ovom radu istraženo je više dizajna i položaja antena kako bi se maksimizirala primljena snaga iz nepoznatog izvora, neovisno o poravnanju glavnog režnja između predajnika i prijemnika.
Omnidirekcione antene se široko koriste u rektenama za radiofrekventno zagrijavanje (RFEH) u okolišu. U literaturi, PSD varira ovisno o orijentaciji antene. Međutim, varijacija snage nije objašnjena, tako da nije moguće utvrditi da li je varijacija posljedica dijagrama zračenja antene ili zbog neusklađenosti polarizacije.
Pored primjena u radiofrekventnim energetskim sistemima (RFEH), široko su izvještavane o usmjerenim antenama i nizovima s visokim pojačanjem za mikrovalne bežične prenosne sisteme (WPT) kako bi se poboljšala efikasnost prikupljanja niske gustoće RF snage ili prevazišli gubici propagacije. Yagi-Uda rektenni nizovi, nizovi u obliku leptir-majice, spiralni nizovi, čvrsto povezani Vivaldijevi nizovi, CPW CP nizovi i nizovi s patchevima spadaju među skalabilne implementacije rektennih nizova koje mogu maksimizirati gustoću upadne snage ispod određenog područja. Drugi pristupi za poboljšanje pojačanja antene uključuju tehnologiju valovoda integriranog u podlogu (SIW) u mikrovalnim i milimetarskim valnim opsezima, specifičnu za WPT. Međutim, rektenne s visokim pojačanjem karakteriziraju uske širine snopa, što prijem valova u proizvoljnim smjerovima čini neefikasnim. Istraživanja broja elemenata antene i portova zaključila su da veća usmjerenost ne odgovara većoj sakupljenoj snazi u ambijentalnom RFEH-u pod pretpostavkom trodimenzionalne proizvoljne upadnosti; ovo je potvrđeno terenskim mjerenjima u urbanim okruženjima. Nizovi s visokim pojačanjem mogu biti ograničeni na WPT primjene.
Da bi se prednosti antena s visokim pojačanjem prenijele na proizvoljne RFEH-ove, koriste se rješenja za pakiranje ili raspored kako bi se prevladao problem usmjerenosti. Predlaže se narukvica s dvostrukom antenom za prikupljanje energije iz ambijentalnih Wi-Fi RFEH-ova u dva smjera. Ambijentalne ćelijske RFEH antene su također dizajnirane kao 3D kutije i štampane ili zalijepljene na vanjske površine kako bi se smanjila površina sistema i omogućilo višesmjerno prikupljanje. Kubične rektenske strukture pokazuju veću vjerovatnoću prijema energije u ambijentalnim RFEH-ovima.
Poboljšanja dizajna antene radi povećanja širine snopa, uključujući pomoćne parazitske elemente, napravljena su kako bi se poboljšao WPT na 2,4 GHz, 4 × 1 nizovima. Također je predložena mrežasta antena od 6 GHz s više područja snopa, koja demonstrira više snopova po portu. Višeportne, višeispravljačke površinske rektene i antene za sakupljanje energije s omnidirekcionim dijagramima zračenja predložene su za višesmjerni i višepolarizirani RFEH. Višeispravljači s matricama za formiranje snopa i višeportni antenski nizovi također su predloženi za višesmjerno sakupljanje energije s visokim pojačanjem.
Ukratko, iako su antene s visokim pojačanjem poželjnije za poboljšanje snage dobivene iz niskih RF gustoća, visoko usmjereni prijemnici možda nisu idealni u primjenama gdje je smjer predajnika nepoznat (npr. ambijentalni RFEH ili WPT kroz nepoznate kanale propagacije). U ovom radu, predloženi su višestruki pristupi s više snopa za višesmjerni WPT i RFEH s visokim pojačanjem.
2. Polarizacija antene
Polarizacija antene opisuje kretanje vektora električnog polja u odnosu na smjer širenja antene. Neusklađenosti polarizacije mogu 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 za prijem, neće se primati snaga. U ovom odjeljku su pregledane prijavljene metode za maksimiziranje efikasnosti bežičnog prijema i izbjegavanje gubitaka zbog neusklađenosti polarizacije. Sažetak predložene arhitekture rektene u odnosu na polarizaciju dat je na Slici 6, a primjer SoA dat je 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 zbog neusklađenosti polarizacije. Međutim, varijacija polarizacije LP valova zbog višestrukih puteva ostaje neriješen problem. Na osnovu pretpostavke o multipolariziranim mobilnim baznim stanicama, ćelijske RFEH antene su dizajnirane kao LP antene.
CP rektenne se uglavnom koriste u WPT-u jer su relativno otporne na neusklađenost. CP antene su u stanju da primaju CP zračenje s istim smjerom rotacije (lijevi ili desni CP) pored svih LP talasa bez gubitka snage. U svakom slučaju, CP antena odašilje, a LP antena prima sa gubitkom od 3 dB (gubitak snage 50%). Izvještava se da su CP rektenne pogodne za industrijske, naučne i medicinske opsege od 900 MHz, 2,4 GHz i 5,8 GHz, kao i za milimetarske talase. U RFEH-u proizvoljno polarizovanih talasa, polarizacijska raznolikost predstavlja potencijalno rješenje za gubitke zbog neusklađenosti polarizacije.
Potpuna polarizacija, poznata i kao multipolarizacija, predložena je kako bi se u potpunosti prevazišli gubici usljed neusklađenosti polarizacije, omogućavajući prikupljanje i CP i LP talasa, gdje dva dvostruko polarizovana ortogonalna LP elementa efektivno primaju sve LP i CP talase. Da bismo to ilustrovali, vertikalni i horizontalni neto naponi (VV i VH) ostaju konstantni bez obzira na ugao polarizacije:
CP elektromagnetni talas "E" električno polje, gdje se snaga sakuplja dva puta (jednom po jedinici), čime se u potpunosti prima CP komponenta i prevazilazi gubitak zbog neusklađenosti polarizacije od 3 dB:
Konačno, putem DC kombinacije, mogu se primiti upadni talasi proizvoljne polarizacije. Slika 7 prikazuje geometriju prijavljene potpuno polarizovane rektene.
Slika 7
Ukratko, u WPT primjenama sa namjenskim izvorima napajanja, CP je poželjniji jer poboljšava efikasnost WPT-a bez obzira na ugao polarizacije antene. S druge strane, u akviziciji iz više izvora, posebno iz ambijentalnih izvora, potpuno polarizovane 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.
Sažetak
Ovaj rad razmatra nedavni napredak u dizajnu antena za RFEH i WPT, te predlaže standardnu klasifikaciju dizajna antena za RFEH i WPT koja nije predložena u prethodnoj literaturi. Identificirana su tri osnovna zahtjeva za antenu za postizanje visoke RF-to-DC efikasnosti:
1. Širina pojasa impedanse antenskog ispravljača za RFEH i WPT opsege od interesa;
2. Poravnanje glavnog režnja između predajnika i prijemnika u WPT-u iz namjenskog dovoda;
3. Polarizacijsko usklađivanje između rektene i upadnog vala bez obzira na ugao i položaj.
Na osnovu impedanse, rektenne se klasifikuju u 50Ω i ispravljačke konjugovane rektenne, s fokusom na usklađivanje impedanse između različitih opsega i opterećenja i efikasnost svake metode usklađivanja.
Karakteristike zračenja SoA rektena su pregledane iz perspektive usmjerenosti i polarizacije. Razmatraju se metode za poboljšanje pojačanja formiranjem snopa i pakovanjem kako bi se prevazišla uska širina snopa. Konačno, pregledavaju se CP rektene za WPT, zajedno s različitim implementacijama za postizanje prijema nezavisnog od polarizacije za WPT i RFEH.
Za više informacija o antenama, posjetite:
Vrijeme objave: 16. avg. 2024.
