Společný návrh antény a usměrňovače
Charakteristickým znakem usměrňovačů s EG topologií na obrázku 2 je, že anténa je přímo přizpůsobena usměrňovači, na rozdíl od standardu 50Ω, který vyžaduje minimalizaci nebo eliminaci přizpůsobovacího obvodu pro napájení usměrňovače. Tato část shrnuje výhody usměrňovačů SoA s anténami s impedancí jinou než 50Ω a usměrňovačů bez přizpůsobovacích obvodů.
1. Elektricky malé antény
LC rezonanční kruhové antény se široce používají v aplikacích, kde je velikost systému kritická. Při frekvencích pod 1 GHz může vlnová délka způsobit, že standardní antény s distribuovanými prvky zabírají více prostoru než celková velikost systému, a aplikace, jako jsou plně integrované transceivery pro tělesné implantáty, obzvláště těží z použití elektricky malých antén pro bezdrátové přenosové systémy (WPT).
Vysoká indukční impedance malé antény (blízká rezonanci) může být použita k přímému propojení s usměrňovačem nebo s další kapacitní přizpůsobovací sítí na čipu. Elektricky malé antény byly hlášeny v bezdrátovém přenosu energie (WPT) s nízkofrekvenčním (LP) a nízkofrekvenčním (CP) napětím (CV) pod 1 GHz s použitím dipólových antén Huygens, s ka=0,645, zatímco u normálních dipólů (ka=2πr/λ0) je ka=5,91.
2. Usměrňovací konjugovaná anténa
Typická vstupní impedance diody je vysoce kapacitní, takže k dosažení konjugované impedance je zapotřebí indukční anténa. Vzhledem ke kapacitní impedanci čipu se v RFID tazích široce používají indukční antény s vysokou impedancí. Dipólové antény se v poslední době staly trendem u RFID antén s komplexní impedancí a vykazují vysokou impedanci (odpor a reaktanci) v blízkosti své rezonanční frekvence.
Pro přizpůsobení vysoké kapacity usměrňovače v daném frekvenčním pásmu se používají indukční dipólové antény. U skládané dipólové antény funguje dvojité krátké vedení (skládání dipólu) jako impedanční transformátor, což umožňuje konstrukci antény s extrémně vysokou impedancí. Alternativně je za zvýšení indukční reaktance i skutečné impedance zodpovědné předpětí. Kombinace více předpětí dipólových prvků s nevyváženými radiálními pahýly ve tvaru motýlka vytváří dvojitou širokopásmovou anténu s vysokou impedancí. Obrázek 4 ukazuje některé publikované konjugované usměrňovací antény.
Obrázek 4
Radiační charakteristiky v RFEH a WPT
Ve Friisově modelu 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 výkonu shromážděného z dopadající vlny. Vyzařovací charakteristiky antény jsou klíčovými parametry, které rozlišují mezi okolním RFEH a WPT (obrázek 5). I když v obou aplikacích může být šířící médium neznámé a je třeba zvážit jeho vliv na přijímanou vlnu, lze využít znalost 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 v přímé viditelnosti (LoS). V této práci bylo zkoumáno několik návrhů a umístění antén s cílem maximalizovat přijímaný výkon z neznámého zdroje, nezávisle na uspořádání hlavního laloku mezi vysílačem a přijímačem.
Všesměrové antény se široce používají v environmentálních RFEH rectennach. V literatuře se PSD mění v závislosti na orientaci antény. Změna výkonu však nebyla vysvětlena, takže není možné určit, zda je tato změna způsobena vyzařovacím diagramem antény nebo polarizačním nesouladem.
Kromě aplikací v rádiových elektrických výbojích (RFEH) byly pro mikrovlnné bezdrátové přenosové systémy (WPT) široce popsány směrové antény a pole s vysokým ziskem pro zlepšení účinnosti sběru při nízké hustotě vysokofrekvenčního výkonu nebo pro překonání ztrát šířením. Mezi škálovatelné implementace rektenn, které mohou maximalizovat hustotu dopadajícího výkonu v určité oblasti, patří pole Yagi-Uda s rektennami, pole s motýlky, spirálová pole, pevně vázaná pole Vivaldiho, pole CPW CP a pole s patch panely. Další přístupy ke zlepšení zisku antény zahrnují technologii vlnovodu integrovaného do substrátu (SIW) v mikrovlnných a milimetrových vlnových pásmech, specifickou pro WPT. Rektenny s vysokým ziskem se však vyznačují úzkou šířkou paprsku, což činí příjem vln v libovolných směrech neefektivním. Výzkumy počtu anténních prvků a portů dospěly k závěru, že vyšší směrovost neodpovídá vyššímu získanému výkonu v okolním RFEH za předpokladu trojrozměrného libovolného dopadu; toto bylo ověřeno terénními měřeními v městském prostředí. Pole s vysokým ziskem mohou být omezena na aplikace WPT.
Pro přenos výhod antén s vysokým ziskem na libovolné rádiově izolované vysokofrekvenční výbojky (RFEH) se k překonání problému se směrovostí využívají řešení v oblasti balení nebo uspořádání. Pro sběr energie z okolních Wi-Fi RFEH ve dvou směrech je navržen náramek s dvojitou patch anténou. Ambientní celulární RFEH antény jsou také navrženy jako 3D krabice a tištěny nebo lepeny na vnější povrchy, aby se zmenšila plocha systému a umožnil sběr energie ve více směrech. Kubické rectenna struktury vykazují vyšší pravděpodobnost příjmu energie v okolních RFEH.
Byla provedena vylepšení konstrukce antény za účelem zvýšení šířky paprsku, včetně pomocných parazitních prvků, pro zlepšení šířky paprsku na frekvenci 2,4 GHz, s anténními soustavami 4 × 1. Byla také navržena síťová anténa pro pásmo 6 GHz s více oblastmi paprsku, která demonstruje více paprsků na port. Pro vícesměrový a multipolarizovaný RFEH byly navrženy víceportové, víceusměrňovací povrchové usměrňovače a antény pro sběr energie s všesměrovými vyzařovacími diagramy. Pro vícesměrový sběr energie s vysokým ziskem byly také navrženy víceportové usměrňovače s maticemi tvarování paprsku a víceportové anténní soustavy.
Stručně řečeno, ačkoli jsou antény s vysokým ziskem preferovány pro zlepšení výkonu získaného z nízkých rádiových hustot, vysoce směrové přijímače nemusí být ideální v aplikacích, kde směr vysílače není znám (např. okolní RFEH nebo WPT přes neznámé šířící kanály). V této práci je navrženo několik vícepaprskových přístupů pro vícesměrové WPT a RFEH s vysokým ziskem.
2. Polarizace antény
Polarizace antény popisuje pohyb vektoru elektrického pole vzhledem ke směru šíření antény. Neshoda polarizace může vést ke snížení přenosu/příjmu mezi anténami, i když jsou směry hlavních laloků zarovnány. Například pokud se pro přenos použije vertikální LP anténa a pro příjem horizontální LP anténa, nebude přijímán žádný výkon. V této části jsou shrnuty popsané metody pro maximalizaci účinnosti bezdrátového příjmu a zamezení ztrát způsobených nesouladem polarizace. Shrnutí navrhované architektury rektenny s ohledem na polarizaci je uvedeno na obrázku 6 a příklad SoA je uveden v tabulce 4.
Obrázek 6
V celulární komunikaci je nepravděpodobné, že by bylo dosaženo lineárního polarizačního sladění mezi základnovými stanicemi a mobilními telefony, proto jsou antény základnových stanic navrženy tak, aby byly duálně nebo multipolarizované, aby se zabránilo ztrátám způsobeným polarizačním nesouladem. Nicméně, variace polarizace LP vln v důsledku vícecestných efektů zůstává nevyřešeným problémem. Na základě předpokladu multipolarizovaných mobilních základnových stanic jsou celulární antény RFEH navrženy jako LP antény.
Rektémy CP se používají hlavně v bezdrátovém přenosu energie (WPT), protože jsou relativně odolné vůči nesouladu. Antény CP jsou schopny přijímat záření CP se stejným směrem rotace (levý nebo pravý CP) a také všechny vlny LP bez ztráty výkonu. V každém případě anténa CP vysílá a anténa LP přijímá se ztrátou 3 dB (50% ztráta výkonu). Uvádí se, že rekémy CP jsou vhodné pro průmyslová, vědecká a lékařská pásma 900 MHz, 2,4 GHz a 5,8 GHz, stejně jako pro milimetrové vlny. V rádiovém přenosu energie (RFEH) libovolně polarizovaných vln představuje polarizační diverzita potenciální řešení ztrát způsobených nesouladem polarizace.
Byla navržena plná polarizace, známá také jako multipolarizace, která umožňuje zcela překonat ztráty způsobené polarizačním nesouladem a umožňuje sběr vln CP i LP, kde dva duálně polarizované ortogonální prvky LP efektivně přijímají všechny vlny LP i CP. Pro ilustraci zůstávají vertikální a horizontální síťová napětí (VV a VH) konstantní bez ohledu na úhel polarizace:
Elektromagnetická vlna CP, elektrické pole „E“, kde je energie sbírána dvakrát (jednou na jednotku), čímž se plně přijímá složka CP a překonává se ztráta polarizačního nesouladu 3 dB:
Nakonec lze pomocí stejnosměrné kombinace přijímat dopadající vlny libovolné polarizace. Obrázek 7 ukazuje geometrii popsané plně polarizované rektenny.
Obrázek 7
Stručně řečeno, v aplikacích bezdrátového přenosu energie (WPT) s vyhrazenými napájecími zdroji je CP preferován, protože zlepšuje účinnost WPT bez ohledu na polarizační úhel antény. Na druhou stranu, při sběru signálu z více zdrojů, zejména z okolních zdrojů, mohou plně polarizované antény dosáhnout lepšího celkového příjmu a maximální přenosnosti; pro kombinaci plně polarizovaného výkonu na RF nebo DC jsou vyžadovány architektury s více porty/více usměrňovači.
Shrnutí
Tento článek shrnuje nedávný pokrok v návrhu antén pro RFEH a WPT a navrhuje standardní klasifikaci návrhu antén pro RFEH a WPT, která nebyla v předchozí literatuře navržena. Byly identifikovány tři základní požadavky na anténu pro dosažení vysoké účinnosti převodu RF na DC:
1. Šířka pásma impedance anténního usměrňovače pro sledovaná pásma RFEH a WPT;
2. Zarovnání hlavního laloku mezi vysílačem a přijímačem v bezdrátovém přenosu energie (WPT) z vyhrazeného zdroje;
3. Polarizační shoda mezi rektennou a dopadající vlnou bez ohledu na úhel a polohu.
Na základě impedance se rektenny dělí na 50Ω a usměrňovací konjugované rektenny, se zaměřením na impedanční přizpůsobení mezi různými pásmy a zátěžemi a účinnost každé metody přizpůsobení.
Vyzařovací charakteristiky rektenn SoA byly zhodnoceny z hlediska směrovosti a polarizace. Jsou diskutovány metody pro zlepšení zisku tvarováním paprsku a uspořádáním paprsku pro překonání úzké šířky paprsku. Nakonec jsou zhodnoceny rektenny CP pro WPT, spolu s různými implementacemi pro dosažení polarizačně nezávislého příjmu pro WPT a RFEH.
Chcete-li se dozvědět více o anténách, navštivte prosím:
Čas zveřejnění: 16. srpna 2024
