Ко-дизајн антене и исправљача
Карактеристика ректена које прате EG топологију на слици 2 је да је антена директно упарена са исправљачем, уместо стандарда од 50Ω, што захтева минимизирање или елиминисање кола за упаривање за напајање исправљача. Овај одељак разматра предности SoA ректена са антенама које нису од 50Ω и ректена без мрежа за упаривање.
1. Електрично мале антене
LC резонантне прстенасте антене су се широко користиле у апликацијама где је величина система критична. На фреквенцијама испод 1 GHz, таласна дужина може проузроковати да стандардне антене са дистрибуираним елементима заузму више простора од укупне величине система, а апликације као што су потпуно интегрисани примопредајници за телесне имплантате посебно имају користи од употребе електрично малих антена за WPT.
Висока индуктивна импеданса мале антене (близу резонанције) може се користити за директно повезивање са исправљачем или са додатном капацитивном мрежом за подударање на чипу. Електрично мале антене су пријављене у WPT са LP и CP испод 1 GHz коришћењем Хајгенсових диполних антена, са ka=0,645, док је ka=5,91 код нормалних дипола (ka=2πr/λ0).
2. Антена спрегнута са исправљачем
Типична улазна импеданса диоде је веома капацитивна, тако да је потребна индуктивна антена да би се постигла конјугована импеданса. Због капацитивне импедансе чипа, индуктивне антене високе импедансе се широко користе у РФИД ознакама. Диполне антене су недавно постале тренд код РФИД антена са комплексном импедансом, показујући високу импедансу (отпор и реактансу) близу своје резонантне фреквенције.
Индуктивне диполне антене су коришћене за усклађивање високог капацитета исправљача у фреквентном опсегу од интереса. Код преклопљене диполне антене, двострука кратка линија (преклапање дипола) делује као трансформатор импедансе, омогућавајући дизајн антене изузетно високе импедансе. Алтернативно, напајање преднапоном је одговорно за повећање индуктивне реактансе, као и стварне импедансе. Комбиновањем вишеструких преднапонских диполних елемената са неуравнотеженим радијалним кратким крановима у облику лептир-машине формира се двострука широкопојасна антена високе импедансе. Слика 4 приказује неке пријављене коњуговане антене исправљача.
Слика 4
Карактеристике зрачења у RFEH и WPT
У Фриисовом моделу, снага PRX коју прима антена на удаљености d од предајника је директна функција појачања пријемника и предајника (GRX, GTX).
Усмерност и поларизација главног режња антене директно утичу на количину снаге прикупљене из упадног таласа. Карактеристике зрачења антене су кључни параметри који разликују амбијентални RFEH и WPT (слика 5). Иако у обе примене медијум за простирање може бити непознат и његов утицај на примљени талас треба узети у обзир, познавање предајне антене може бити искоришћено. Табела 3 идентификује кључне параметре о којима се говори у овом одељку и њихову применљивост на RFEH и WPT.
Слика 5
1. Усмереност и појачање
У већини RFEH и WPT примена, претпоставља се да колектор не зна смер упадног зрачења и да не постоји путања линије вида (LoS). У овом раду, испитано је више дизајна и положаја антена како би се максимизирала примљена снага из непознатог извора, независно од поравнања главног режња између предајника и пријемника.
Омнидирекционе антене су се широко користиле у еколошким RFEH ректенама. У литератури, PSD варира у зависности од оријентације антене. Међутим, варијација снаге није објашњена, тако да није могуће утврдити да ли је варијација последица дијаграма зрачења антене или због неусклађености поларизације.
Поред примена у радио-енергетским пријемним технологијама (RFEH), широко су се појављивале усмерене антене и низови са високим појачањем за микроталасне WPT како би се побољшала ефикасност прикупљања ниске густине РФ снаге или превазишли губици пропагације. Јаги-Уда ректенни низови, низови „лептир-машне“, спирални низови, чврсто спрегнути Вивалдијеви низови, CPW CP низови и низови са пачовима су међу скалабилним имплементацијама ректенних низова које могу максимизирати густину упадне снаге испод одређеног подручја. Други приступи за побољшање појачања антене укључују технологију таласовода интегрисаног у подлогу (SIW) у микроталасним и милиметарским таласним опсезима, специфичне за WPT. Међутим, ректенне са високим појачањем карактеришу уске ширине снопа, што чини пријем таласа у произвољним правцима неефикасним. Истраживања броја елемената антене и портова закључила су да већа усмереност не одговара већој сакупљеној снази у амбијенталном RFEH-у под претпоставком тродимензионалног произвољног пада; ово је потврђено теренским мерењима у урбаним срединама. Низови са високим појачањем могу бити ограничени на WPT примене.
Да би се предности антена са високим појачањем пренеле на произвољне радио-фенералне електричне елементе (RFEH), користе се решења за паковање или распоред како би се превазишао проблем усмерености. Предлаже се наруквица са двоструком патч антеном за прикупљање енергије из амбијенталних Wi-Fi RFEH антена у два смера. Амбијенталне ћелијске RFEH антене су такође дизајниране као 3D кутије и штампане или залепљене на спољне површине како би се смањила површина система и омогућило вишесмерно прикупљање. Кубичне ректене структуре показују већу вероватноћу пријема енергије у амбијенталним RFEH антенама.
Побољшања дизајна антене ради повећања ширине снопа, укључујући помоћне паразитске елементе, направљена су како би се побољшао WPT на 2,4 GHz, 4 × 1 низовима. Такође је предложена мрежаста антена од 6 GHz са вишеструким регионима снопа, демонстрирајући више снопова по порту. Вишепортске, вишеусмеравачке површинске ректене и антене за сакупљање енергије са омнидирекционим дијаграмима зрачења предложене су за вишесмерне и вишеполаризоване RFEH. Вишепортски усмеравачи са матрицама за формирање снопа и вишепортски антенски низови такође су предложени за вишесмерно сакупљање енергије са високим појачањем.
Укратко, иако су антене са високим појачањем пожељније за побољшање снаге добијене из ниских РФ густина, високо усмерени пријемници можда нису идеални у применама где је правац предајника непознат (нпр. амбијентални RFEH или WPT кроз непознате канале пропагације). У овом раду, предложени су вишеструки приступи са више снопова за вишесмерне WPT и RFEH са високим појачањем.
2. Поларизација антене
Поларизација антене описује кретање вектора електричног поља у односу на правац простирања антене. Неусклађености поларизације могу довести до смањеног преноса/пријема између антена чак и када су правци главних режњева поравнати. На пример, ако се вертикална ЛП антена користи за пренос, а хоризонтална ЛП антена за пријем, неће се примати снага. У овом одељку су прегледане пријављене методе за максимизирање ефикасности бежичног пријема и избегавање губитака услед неусклађености поларизације. Резиме предложене архитектуре ректене у погледу поларизације дат је на слици 6, а пример SoA је дат у табели 4.
Слика 6
У ћелијским комуникацијама, мало је вероватно да ће се постићи линеарно поларизационо усклађивање између базних станица и мобилних телефона, па су антене базних станица пројектоване да буду двоструко или вишеструко поларизоване како би се избегли губици услед неусклађености поларизације. Међутим, варијација поларизације ЛП таласа услед ефеката вишеструких путања остаје нерешен проблем. На основу претпоставке о вишеструко поларизованим мобилним базним станицама, ћелијске РФЕХ антене су пројектоване као ЛП антене.
CP ректене се углавном користе у WPT-у јер су релативно отпорне на неусклађеност. CP антене су у стању да приме CP зрачење са истим смером ротације (левосмерно или десносмерно CP) поред свих LP таласа без губитка снаге. У сваком случају, CP антена емитује, а LP антена прима са губитком од 3 dB (губитак снаге 50%). Наводи се да су CP ректене погодне за индустријске, научне и медицинске опсеге од 900 MHz и 2,4 GHz и 5,8 GHz, као и милиметарске таласе. У RFEH произвољно поларизованих таласа, поларизациона диверзитет представља потенцијално решење за губитке услед неусклађености поларизације.
Потпуна поларизација, позната и као мултиполаризација, предложена је да би се у потпуности превазишли губици услед неусклађености поларизације, омогућавајући сакупљање и CP и LP таласа, где два двоструко поларизована ортогонална LP елемента ефикасно примају све LP и CP таласе. Да би се ово илустровало, вертикални и хоризонтални нето напони (VV и VH) остају константни без обзира на угао поларизације:
CP електромагнетни талас „E“ електрично поље, где се снага сакупља два пута (једном по јединици), чиме се у потпуности прима CP компонента и превазилази губитак неусклађености поларизације од 3 dB:
Коначно, путем DC комбинације, могу се примити упадни таласи произвољне поларизације. Слика 7 приказује геометрију пријављене потпуно поларизоване ректене.
Слика 7
Укратко, у апликацијама за беспрекорну преносну антену (WPT) са наменским изворима напајања, CP је пожељнији јер побољшава ефикасност WPT-а без обзира на угао поларизације антене. С друге стране, код аквизиције из више извора, посебно из амбијенталних извора, потпуно поларизоване антене могу постићи бољи укупни пријем и максималну преносивост; архитектуре са више портова/више исправљача су потребне за комбиновање потпуно поларизоване снаге на РФ или једносмерној струје.
Резиме
Овај рад разматра скорашњи напредак у дизајну антена за РФЕХ и БПТ и предлаже стандардну класификацију дизајна антена за РФЕХ и БПТ која није предложена у претходној литератури. Идентификована су три основна захтева за антену за постизање високе РФ-то-ДЦ ефикасности:
1. Пропусни опсег импедансе исправљача антене за RFEH и WPT опсеге од интереса;
2. Поравнање главног режња између предајника и пријемника у WPT-у из наменског фида;
3. Поларизационо подударање између ректене и упадног таласа без обзира на угао и положај.
На основу импедансе, ректене се класификују у ректене од 50Ω и исправљачке коњуговане ректене, са фокусом на усклађивање импедансе између различитих опсега и оптерећења и ефикасност сваке методе усклађивања.
Карактеристике зрачења SoA ректена су прегледане са становишта усмерености и поларизације. Разматрају се методе за побољшање појачања формирањем снопа и паковањем како би се превазишла уска ширина снопа. На крају, прегледане су CP ректене за WPT, заједно са различитим имплементацијама за постизање пријема независног од поларизације за WPT и RFEH.
Да бисте сазнали више о антенама, посетите:
Време објаве: 16. август 2024.
