Spoludesign antény a usměrňovače
Charakteristikou rectennas podle topologie EG na obrázku 2 je, že anténa je přímo přizpůsobena usměrňovači, spíše než standard 50Ω, což vyžaduje minimalizaci nebo eliminaci přizpůsobovacího obvodu pro napájení usměrňovače. Tato část shrnuje výhody SoA rekten s anténami bez 50Ω a rektén bez odpovídajících sítí.
1. Elektricky malé antény
LC rezonanční prstencové antény byly široce používány v aplikacích, kde je kritická velikost systému. Při frekvencích pod 1 GHz může vlnová délka způsobit, že standardní antény s distribuovanými prvky zaberou více prostoru, než je celková velikost systému, a aplikace, jako jsou plně integrované transceivery pro tělesné implantáty, zvláště těží z použití elektricky malých antén pro WPT.
Vysoká indukční impedance malé antény (blízká rezonance) může být použita k přímému propojení usměrňovače nebo k dodatečné kapacitní přizpůsobovací síti na čipu. Elektricky malé antény byly hlášeny ve WPT s LP a CP pod 1 GHz s použitím dipólových antén Huygens, s ka=0,645, zatímco ka=5,91 v normálních dipólech (ka=2πr/λ0).
2. Usměrňovač konjugovaná anténa
Typická vstupní impedance diody je vysoce kapacitní, takže k dosažení konjugované impedance je zapotřebí indukční anténa. Vzhledem ke kapacitní impedanci čipu byly vysokoimpedanční indukční antény široce používány v RFID štítcích. Dipólové antény se v poslední době staly trendem v komplexních impedančních RFID anténách, které vykazují vysokou impedanci (odpor a reaktanci) blízko jejich rezonanční frekvence.
Pro přizpůsobení vysoké kapacitě usměrňovače ve sledovaném frekvenčním pásmu byly použity indukční dipólové antény. Ve složené dipólové anténě funguje dvojité krátké vedení (dipólové skládání) jako impedanční transformátor, což umožňuje návrh antény s extrémně vysokou impedancí. Alternativně je za zvýšení indukční reaktance i skutečné impedance odpovědné předpětí. Kombinace vícenásobných dipólových prvků s nevyváženými radiálními nástavci motýlka tvoří dvojitou širokopásmovou vysokoimpedanční anténu. Obrázek 4 ukazuje některé uváděné antény sdružené s usměrňovačem.
Obrázek 4
Radiační charakteristiky v RFEH a WPT
U modelu Friis je výkon PRX přijímaný anténou ve vzdálenosti d od vysílače přímou funkcí zisků přijímače a vysílače (GRX, GTX).
Směrovost a polarizace hlavního laloku antény přímo ovlivňují množství energie shromážděné z dopadající vlny. Charakteristiky vyzařování antény jsou klíčovými parametry, které odlišují okolní RFEH a WPT (obrázek 5). Zatímco v obou aplikacích může být médium šíření neznámé a je třeba zvážit jeho vliv na přijímanou vlnu, lze využít znalosti vysílací antény. Tabulka 3 uvádí klíčové parametry diskutované v této části a jejich použitelnost pro RFEH a WPT.
Obrázek 5
1. Směrovost a zisk
Ve většině aplikací RFEH a WPT se předpokládá, že kolektor nezná směr dopadajícího záření a neexistuje žádná dráha přímé viditelnosti (LoS). V této práci bylo zkoumáno několik návrhů a umístění antén pro maximalizaci přijímaného výkonu z neznámého zdroje, nezávisle na zarovnání hlavního laloku mezi vysílačem a přijímačem.
Všesměrové antény byly široce používány v environmentálních RFEH rectennas. V literatuře se PSD liší v závislosti na orientaci antény. Změny výkonu však nebyly vysvětleny, takže není možné určit, zda je změna způsobena vyzařovacím diagramem antény nebo polarizačním nesouladem.
Kromě aplikací RFEH byly pro mikrovlnné WPT široce uváděny směrové antény a pole s vysokým ziskem, aby se zlepšila účinnost sběru nízké hustoty vysokofrekvenčního výkonu nebo překonaly ztráty při šíření. Pole Yagi-Uda rectenna, bowtie pole, spirálová pole, těsně propojená pole Vivaldi, pole CPW CP a pole patch patří mezi škálovatelné implementace rectenna, které mohou maximalizovat hustotu dopadajícího výkonu v určité oblasti. Další přístupy ke zlepšení zisku antény zahrnují technologii substrátu integrovaného vlnovodu (SIW) v mikrovlnných a milimetrových vlnových pásmech, specifickou pro WPT. Rektény s vysokým ziskem se však vyznačují malou šířkou paprsku, takže příjem vln v libovolných směrech je neefektivní. Zkoumání počtu anténních prvků a portů dospělo k závěru, že vyšší směrovost neodpovídá vyššímu sklizňovému výkonu v okolním RFEH za předpokladu trojrozměrného náhodného dopadu; to bylo ověřeno terénními měřeními v městském prostředí. Pole s vysokým ziskem lze omezit na aplikace WPT.
Aby bylo možné přenést výhody antén s vysokým ziskem na libovolné RFEH, používají se k překonání problému se směrovostí řešení balení nebo uspořádání. Dvoupatchový anténní náramek je navržen pro sběr energie z okolních Wi-Fi RFEH ve dvou směrech. Ambientní celulární RFEH antény jsou také navrženy jako 3D boxy a vytištěny nebo nalepeny na vnější povrchy, aby se zmenšila plocha systému a umožnily vícesměrné sklízení. Krychlové obdélníkové struktury vykazují vyšší pravděpodobnost příjmu energie v okolních RFEH.
Vylepšení konstrukce antény pro zvýšení šířky paprsku, včetně pomocných parazitních propojovacích prvků, byla provedena pro zlepšení WPT na 2,4 GHz, pole 4 × 1. Byla také navržena síťová anténa 6 GHz s více oblastmi paprsku, která demonstruje více paprsků na port. Pro vícesměrné a multipolarizované RFEH byly navrženy víceportové povrchové rektenny s více usměrňovači a antény pro sběr energie s všesměrovými vyzařovacími diagramy. Pro vícesměrné získávání energie s vysokým ziskem byly navrženy také vícenásobné usměrňovače s matricemi formujícími svazek a víceportovými anténními poli.
Stručně řečeno, zatímco antény s vysokým ziskem jsou preferovány pro zlepšení výkonu získaného z nízkých RF hustot, vysoce směrové přijímače nemusí být ideální v aplikacích, kde je směr vysílače neznámý (např. okolní RFEH nebo WPT přes neznámé kanály šíření). V této práci jsou navrženy vícenásobné vícepaprskové přístupy pro vícesměrné WPT s vysokým ziskem a RFEH.
2. Polarizace antény
Polarizace antény popisuje pohyb vektoru elektrického pole vzhledem ke směru šíření antény. Nesoulad polarizace může vést ke snížení přenosu/příjmu mezi anténami, i když jsou směry hlavních laloků zarovnány. Pokud je například pro vysílání použita vertikální LP anténa a pro příjem horizontální LP anténa, nebude přijímán žádný výkon. V této části jsou uvedeny metody pro maximalizaci účinnosti bezdrátového příjmu a zabránění ztrátám polarizačního nesouladu. Shrnutí navrhované architektury rectenna s ohledem na polarizaci je uvedeno na obrázku 6 a příklad SoA je uveden v tabulce 4.
Obrázek 6
V celulárních komunikacích je nepravděpodobné, že by bylo dosaženo lineárního polarizačního zarovnání mezi základnovými stanicemi a mobilními telefony, takže antény základnových stanic jsou navrženy tak, aby byly duálně polarizované nebo multipolarizované, aby se zabránilo ztrátám polarizačního nesouladu. Avšak variace polarizace LP vln v důsledku vícecestných efektů zůstává nevyřešeným problémem. Na základě předpokladu multipolarizovaných mobilních základnových stanic jsou celulární RFEH antény navrženy jako LP antény.
CP rectenna se používají hlavně ve WPT, protože jsou relativně odolné vůči neshodě. Antény CP jsou schopny přijímat CP záření se stejným směrem rotace (levotočivý nebo pravotočivý CP) navíc ke všem LP vlnám bez ztráty výkonu. V každém případě CP anténa vysílá a LP anténa přijímá se ztrátou 3 dB (50% ztráta výkonu). Uvádí se, že CP rectenna jsou vhodné pro 900 MHz a 2,4 GHz a 5,8 GHz průmyslová, vědecká a lékařská pásma a také pro milimetrové vlny. V RFEH libovolně polarizovaných vln představuje polarizační diverzita potenciální řešení ztrát polarizačního nesouladu.
Plná polarizace, také známá jako multipolarizace, byla navržena pro úplné překonání ztrát polarizačního nesouladu, což umožňuje sběr CP i LP vln, kde dva duálně polarizované ortogonální LP prvky efektivně přijímají všechny LP a CP vlny. Pro ilustraci, vertikální a horizontální síťové napětí (VV a VH) zůstávají konstantní bez ohledu na úhel polarizace:
Elektrické pole CP elektromagnetické vlny „E“, kde je energie odebírána dvakrát (jednou na jednotku), čímž plně přijímá CP složku a překonává 3 dB ztrátu polarizačního nesouladu:
Konečně, prostřednictvím stejnosměrné kombinace lze přijímat dopadající vlny libovolné polarizace. Obrázek 7 ukazuje geometrii uváděné plně polarizované rectenny.
Obrázek 7
Stručně řečeno, v aplikacích WPT s vyhrazenými napájecími zdroji je preferován CP, protože zlepšuje účinnost WPT bez ohledu na úhel polarizace antény. Na druhou stranu při vícezdrojovém získávání, zejména z okolních zdrojů, mohou plně polarizované antény dosáhnout lepšího celkového příjmu a maximální přenositelnosti; Architektury s více porty/multi usměrňovači jsou vyžadovány pro kombinaci plně polarizovaného napájení na RF nebo DC.
Shrnutí
Tento článek shrnuje nedávný pokrok v návrhu antén pro RFEH a WPT a navrhuje standardní klasifikaci návrhu antény pro RFEH a WPT, která nebyla navržena v předchozí literatuře. Byly identifikovány tři základní požadavky na anténu pro dosažení vysoké účinnosti RF-to-DC:
1. Šířka pásma impedance anténního usměrňovače pro zájmová pásma RFEH a WPT;
2. Vyrovnání hlavního laloku mezi vysílačem a přijímačem ve WPT z vyhrazeného zdroje;
3. Polarizační přizpůsobení mezi rektennou a dopadající vlnou bez ohledu na úhel a polohu.
Na základě impedance jsou usměrňovače klasifikovány na 50Ω a usměrňovače konjugované rektenny, se zaměřením na impedanční přizpůsobení mezi různými pásmy a zátěžemi a účinnost každé metody přizpůsobení.
Radiační charakteristiky SoA rectenna byly přezkoumány z pohledu směrovosti a polarizace. Jsou diskutovány metody pro zlepšení zisku tvarováním paprsku a balením k překonání úzké šířky paprsku. Nakonec jsou přezkoumány CP rectenna pro WPT spolu s různými implementacemi pro dosažení polarizace nezávislého příjmu pro WPT a RFEH.
Chcete-li se dozvědět více o anténách, navštivte:
Čas odeslání: 16. srpna 2024
