Ко-дизајн антене и исправљача
Карактеристика ректена који прате ЕГ топологију на слици 2 је да је антена директно усклађена са исправљачем, а не са стандардом од 50 Ω, што захтева минимизирање или елиминисање подударног кола за напајање исправљача. Овај одељак даје преглед предности СоА ректена са антенама које нису 50Ω и ректена без одговарајућих мрежа.
1. Електрично мале антене
ЛЦ резонантне прстенасте антене се широко користе у апликацијама где је величина система критична. На фреквенцијама испод 1 ГХз, 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 електричних малих антена за ВПТ.
Висока индуктивна импеданса мале антене (близу резонанције) може се користити за директно повезивање исправљача или са додатном капацитивном мрежом за усклађивање на чипу. Електрично мале антене су пријављене у ВПТ са ЛП и ЦП испод 1 ГХз користећи Хајгенс диполне антене, са ка=0,645, док ка=5,91 у нормалним диполима (ка=2πр/λ0).
2. Коњугована антена исправљача
Типична улазна импеданса диоде је високо капацитивна, тако да је потребна индуктивна антена да би се постигла коњугована импеданса. Због капацитивне импедансе чипа, индуктивне антене високе импедансе се широко користе у РФИД ознакама. Диполне антене су недавно постале тренд у РФИД антенама са комплексном импедансом, показујући високу импедансу (отпор и реактанцију) близу своје резонантне фреквенције.
Индуктивне диполне антене су коришћене за усклађивање са високим капацитетом исправљача у фреквенцијском опсегу од интереса. У пресавијеној диполној антени, двострука кратка линија (диполно преклапање) делује као трансформатор импедансе, омогућавајући дизајн антене са изузетно високом импедансом. Алтернативно, биас феединг је одговоран за повећање индуктивне реактансе као и стварне импедансе. Комбиновањем вишеструких пристрасних диполних елемената са неуравнотеженим радијалним краковима за лептир машне формира се двострука широкопојасна антена високе импедансе. Слика 4 приказује неке пријављене коњуговане антене исправљача.
Слика 4
Карактеристике зрачења у РФЕХ и ВПТ
У моделу Фриис, снага ПРКС коју прима антена на удаљености д од предајника је директна функција појачања пријемника и предајника (ГРКС, ГТКС).
Главна усмереност и поларизација антене директно утичу на количину енергије прикупљене од упадног таласа. Карактеристике зрачења антене су кључни параметри који разликују амбијентални РФЕХ и ВПТ (Слика 5). Док у обе апликације медијум за ширење може бити непознат и његов утицај на примљени талас треба узети у обзир, знање о предајној антени се може искористити. Табела 3 идентификује кључне параметре о којима се говори у овом одељку и њихову применљивост на РФЕХ и ВПТ.
Слика 5
1. Усмереност и појачање
У већини РФЕХ и ВПТ апликација, претпоставља се да колектор не зна правац упадног зрачења и да не постоји путања линије вида (ЛоС). У овом раду, вишеструки дизајни и положаји антена су истражени како би се максимизирала примљена снага из непознатог извора, независно од поравнања главног режња између предајника и пријемника.
Омнидирекционе антене се широко користе у еколошким РФЕХ ректеннама. У литератури, ПСД варира у зависности од оријентације антене. Међутим, варијација у снази није објашњена, тако да није могуће утврдити да ли је варијација последица дијаграма зрачења антене или неусклађености поларизације.
Поред РФЕХ апликација, широко се извештава о усмереним антенама и низовима са високим појачањем за микроталасне ВПТ ради побољшања ефикасности сакупљања ниске густине РФ снаге или превазилажења губитака у ширењу. Иаги-Уда рецтенна низови, низови лептир машни, спирални низови, чврсто повезани Вивалди низови, ЦПВ ЦП низови и низови закрпа су међу скалабилним имплементацијама рецтенна које могу максимизирати густину снаге инцидента у одређеном подручју. Други приступи за побољшање појачања антене укључују технологију интегрисаног таласног вода (СИВ) у микроталасном и милиметарском таласном опсегу, специфичном за ВПТ. Међутим, ректене са високим појачањем карактеришу уске ширине снопа, што чини пријем таласа у произвољним правцима неефикасним. Истраживања броја антенских елемената и портова су закључила да већа усмереност не одговара вишој прикупљеној снази у амбијенталном РФЕХ под претпоставком тродимензионалног произвољног упада; то је потврђено теренским мерењима у урбаним срединама. Низови са високим појачањем могу бити ограничени на ВПТ апликације.
Да би се предности антена са високим појачањем пренеле на произвољне РФЕХ, решења за паковање или распоред се користе да би се превазишао проблем усмерености. Предложена је антенска наруквица са двоструким преклопом за прикупљање енергије из амбијенталних Ви-Фи РФЕХ-ова у два смера. Амбијенталне ћелијске РФЕХ антене су такође дизајниране као 3Д кутије и одштампане или залепљене на спољне површине да би се смањила површина система и омогућило вишесмерно прикупљање. Кубичне ректенне структуре показују већу вероватноћу пријема енергије у амбијенталним РФЕХс.
Побољшања у дизајну антене за повећање ширине снопа, укључујући помоћне паразитне патцх елементе, су направљена да би се побољшао ВПТ на 2,4 ГХз, 4 × 1 низови. Такође је предложена мрежаста антена од 6 ГХз са вишеструким регионима снопа, која показује више снопова по порту. За вишесмерне и вишеполаризоване РФЕХ предложене су вишепортне, вишеисправљачке површинске ректене и антене за прикупљање енергије са омнидирекционим шемама зрачења. Вишеструки исправљачи са матрицама за формирање снопа и антенским низовима са више портова такође су предложени за прикупљање енергије у више смерова са високим појачањем.
Укратко, док се антене са високим појачањем преферирају за побољшање снаге добијене од ниских РФ густина, високо усмерени пријемници можда неће бити идеални у апликацијама где је правац предајника непознат (нпр. амбијентални РФЕХ или ВПТ кроз непознате канале пропагације). У овом раду, вишеструки приступи са више зрака су предложени за вишесмерне ВПТ и РФЕХ са високим појачањем.
2. Поларизација антене
Поларизација антене описује кретање вектора електричног поља у односу на правац простирања антене. Неподударања поларизације могу довести до смањеног преноса/пријема између антена чак и када су главни правци режњева поравнати. На пример, ако се вертикална ЛП антена користи за пренос, а хоризонтална ЛП антена се користи за пријем, напајање неће бити примљено. У овом одељку су приказане методе за максимизирање ефикасности бежичног пријема и избегавање губитака неусклађености поларизације. Резиме предложене архитектуре ректенне у односу на поларизацију дат је на слици 6, а пример СоА је дат у табели 4.
Слика 6
У ћелијским комуникацијама, мало је вероватно да ће се постићи линеарно поравнање поларизације између базних станица и мобилних телефона, тако да су антене базних станица дизајниране да буду двоструко поларизоване или мултиполаризоване како би се избегли губици неусклађености поларизације. Међутим, варијација поларизације ЛП таласа због вишепутних ефеката остаје нерешен проблем. На основу претпоставке мултиполаризованих мобилних базних станица, ћелијске РФЕХ антене су пројектоване као ЛП антене.
ЦП ректене се углавном користе у ВПТ јер су релативно отпорне на неусклађеност. ЦП антене су у стању да приме ЦП зрачење са истим смером ротације (леворуко или десно ЦП) поред свих ЛП таласа без губитка снаге. У сваком случају, ЦП антена емитује, а ЛП антена прима са губитком од 3 дБ (50% губитка снаге). Извештава се да су ЦП ректене погодне за индустријске, научне и медицинске опсеге од 900 МХз и 2,4 ГХз и 5,8 ГХз, као и за милиметарске таласе. У РФЕХ произвољно поларизованих таласа, поларизациони диверзитет представља потенцијално решење за губитке неусклађености поларизације.
Предложена је пуна поларизација, такође позната као мултиполаризација, да би се потпуно превазишли губици неусклађености поларизације, омогућавајући прикупљање и ЦП и ЛП таласа, где два двоструко поларизована ортогонална ЛП елемента ефективно примају све ЛП и ЦП таласе. Да би се ово илустровало, вертикални и хоризонтални мрежни напони (ВВ и ВХ) остају константни без обзира на угао поларизације:
Електрично поље ЦП електромагнетног таласа „Е“, где се снага сакупља два пута (једном по јединици), чиме се у потпуности прима ЦП компонента и превазилази губитак неусклађености поларизације од 3 дБ:
Коначно, кроз ДЦ комбинацију, могу се примити упадни таласи произвољне поларизације. Слика 7 приказује геометрију пријављене потпуно поларизоване ректене.
Слика 7
Укратко, у ВПТ апликацијама са наменским изворима напајања, ЦП је пожељнији јер побољшава ефикасност ВПТ без обзира на угао поларизације антене. С друге стране, у аквизицији са више извора, посебно из амбијенталних извора, потпуно поларизоване антене могу постићи бољи укупан пријем и максималну преносивост; Архитектуре са више портова/више исправљача су потребне за комбиновање потпуно поларизоване снаге на РФ или ДЦ.
Резиме
Овај рад разматра недавни напредак у дизајну антена за РФЕХ и ВПТ и предлаже стандардну класификацију дизајна антена за РФЕХ и ВПТ која није предложена у претходној литератури. Идентификована су три основна захтева антене за постизање високе РФ-то-ДЦ ефикасности:
1. Опсег импедансе антенског исправљача за РФЕХ и ВПТ опсеге од интереса;
2. Поравнање главног режња између предајника и пријемника у ВПТ-у из наменског извора;
3. Усклађивање поларизације између ректене и упадног таласа без обзира на угао и положај.
На основу импедансе, ректене су класификоване у 50Ω и коњуговане ректене са исправљачем, са фокусом на усклађивање импедансе између различитих опсега и оптерећења и ефикасност сваке методе усклађивања.
Сагледане су карактеристике зрачења СоА ректена из перспективе усмерености и поларизације. Разматрају се методе за побољшање појачања обликовањем снопа и паковање за превазилажење уске ширине снопа. Коначно, ЦП ректене за ВПТ су прегледане, заједно са различитим имплементацијама за постизање пријема независног од поларизације за ВПТ и РФЕХ.
Да бисте сазнали више о антенама, посетите:
Време поста: 16.08.2024
