Antenne-ensretter-samdesign
Det karakteristiske ved rektenner, der følger EG-topologien i figur 2, er, at antennen er direkte tilpasset ensretteren i stedet for 50Ω-standarden, hvilket kræver minimering eller eliminering af det tilpasningskredsløb, der driver ensretteren. Dette afsnit gennemgår fordelene ved SoA-rektenner med ikke-50Ω antenner og rektenner uden tilpasningsnetværk.
1. Elektrisk små antenner
LC resonantringantenner har været meget anvendt i applikationer, hvor systemstørrelse er kritisk. Ved frekvenser under 1 GHz kan bølgelængden medføre, at standard distribuerede elementantenner optager mere plads end systemets samlede størrelse, og applikationer som fuldt integrerede transceivere til kropsimplantater drager især fordel af brugen af elektrisk små antenner til WPT.
Den lille antennes høje induktive impedans (nær resonans) kan bruges til direkte at koble ensretteren eller til et yderligere kapacitivt matchingnetværk på chippen. Elektrisk små antenner er blevet rapporteret i WPT med LP og CP under 1 GHz ved hjælp af Huygens dipolantenner, med ka=0,645, mens ka=5,91 i normale dipoler (ka=2πr/λ0).
2. Konjugeret ensretterantenne
Den typiske indgangsimpedans for en diode er meget kapacitiv, så en induktiv antenne er nødvendig for at opnå konjugeret impedans. På grund af chippens kapacitive impedans er højimpedans-induktive antenner blevet meget anvendt i RFID-tags. Dipolantenner er for nylig blevet en trend inden for komplekse impedans-RFID-antenner, der udviser høj impedans (modstand og reaktans) nær deres resonansfrekvens.
Induktive dipolantenner er blevet brugt til at matche den høje kapacitans af ensretteren i det pågældende frekvensbånd. I en foldet dipolantenne fungerer den dobbelte korte ledning (dipolfoldning) som en impedanstransformer, hvilket muliggør design af en antenne med ekstremt høj impedans. Alternativt er bias-feeding ansvarlig for at øge den induktive reaktans såvel som den faktiske impedans. Kombination af flere forspændte dipolelementer med ubalancerede radiale butterfly-stubber danner en dobbelt bredbåndsantenne med høj impedans. Figur 4 viser nogle rapporterede ensretterkonjugatantenner.
Figur 4
Strålingsegenskaber i RFEH og WPT
I Friis-modellen er den effekt PRX, der modtages af en antenne i en afstand d fra senderen, en direkte funktion af modtagerens og senderens forstærkninger (GRX, GTX).
Antennens hovedloberetning og polarisering påvirker direkte mængden af effekt, der opsamles fra den indfaldende bølge. Antennestrålingskarakteristika er nøgleparametre, der skelner mellem omgivende RFEH og WPT (Figur 5). Selvom udbredelsesmediet i begge anvendelser kan være ukendt, og dets effekt på den modtagne bølge skal tages i betragtning, kan kendskab til den sendende antenne udnyttes. Tabel 3 identificerer de nøgleparametre, der diskuteres i dette afsnit, og deres anvendelighed på RFEH og WPT.
Figur 5
1. Retningsbestemthed og forstærkning
I de fleste RFEH- og WPT-applikationer antages det, at samleren ikke kender retningen af den indfaldende stråling, og at der ikke er nogen synslinje (LoS). I dette arbejde er flere antennedesign og -placeringer blevet undersøgt for at maksimere den modtagne effekt fra en ukendt kilde, uafhængigt af hovedlobens justering mellem senderen og modtageren.
Omnidirektionelle antenner er blevet brugt i vid udstrækning i miljømæssige RFEH-rektenner. I litteraturen varierer PSD afhængigt af antennens orientering. Variationen i effekt er dog ikke blevet forklaret, så det er ikke muligt at afgøre, om variationen skyldes antennens strålingsmønster eller polarisationsfejl.
Ud over RFEH-applikationer er der blevet rapporteret bredt om højforstærkningsretningsantenner og -arrays til mikrobølge-WPT for at forbedre indsamlingseffektiviteten af lav RF-effekttæthed eller overvinde udbredelsestab. Yagi-Uda-rektennearrays, bowtie-arrays, spiralarrays, tæt koblede Vivaldi-arrays, CPW CP-arrays og patch-arrays er blandt de skalerbare rektenneimplementeringer, der kan maksimere den indfaldende effekttæthed under et bestemt område. Andre tilgange til at forbedre antenneforstærkningen inkluderer substratintegreret bølgelederteknologi (SIW) i mikrobølge- og millimeterbølgebånd, specifikt for WPT. Højforstærkningsrektenner er dog karakteriseret ved smalle strålebredder, hvilket gør modtagelse af bølger i vilkårlige retninger ineffektiv. Undersøgelser af antallet af antenneelementer og porte konkluderede, at højere retningsvirkning ikke svarer til højere høstet effekt i omgivende RFEH under antagelse af tredimensionel vilkårlig indfald; dette blev verificeret ved feltmålinger i bymiljøer. Højforstærkningsarrays kan begrænses til WPT-applikationer.
For at overføre fordelene ved antenner med høj forstærkning til vilkårlige RFEH'er, anvendes paknings- eller layoutløsninger for at overvinde problemet med retningsvirkning. Et dobbelt-patch antennearmbånd foreslås til at høste energi fra omgivende Wi-Fi RFEH'er i to retninger. Omgivende cellulære RFEH-antenner er også designet som 3D-kasser og trykt eller klæbet til eksterne overflader for at reducere systemarealet og muliggøre høstning i flere retninger. Kubiske rektangulære strukturer udviser højere sandsynlighed for energimodtagelse i omgivende RFEH'er.
Forbedringer af antennedesignet for at øge strålebredden, inklusive hjælpeparasitiske patch-elementer, blev foretaget for at forbedre WPT ved 2,4 GHz, 4 × 1 arrays. En 6 GHz mesh-antenne med flere stråleområder blev også foreslået, hvilket demonstrerer flere stråler pr. port. Multiport-, multi-ensretter-overfladerektenner og energihøstningsantenner med omnidirektionelle strålingsmønstre er blevet foreslået til multidirektionel og multipolariseret RFEH. Multi-ensrettere med stråleformningsmatricer og multiport-antennearrays er også blevet foreslået til højforstærknings-, multidirektionel energihøstning.
Kort sagt, mens højforstærkende antenner foretrækkes til at forbedre den effekt, der høstes fra lave RF-densiteter, er meget retningsbestemte modtagere muligvis ikke ideelle i applikationer, hvor senderretningen er ukendt (f.eks. omgivende RFEH eller WPT gennem ukendte udbredelseskanaler). I dette arbejde foreslås flere multistråletilgange til multidirektionel højforstærkende WPT og RFEH.
2. Antennepolarisering
Antennepolarisering beskriver bevægelsen af det elektriske feltvektor i forhold til antennens udbredelsesretning. Polariseringsfejl kan føre til reduceret transmission/modtagelse mellem antenner, selv når hovedloberetningerne er justeret. Hvis for eksempel en vertikal LP-antenne bruges til transmission, og en horisontal LP-antenne bruges til modtagelse, vil der ikke blive modtaget strøm. I dette afsnit gennemgås rapporterede metoder til at maksimere trådløs modtagelseseffektivitet og undgå tab af polariseringsfejl. En oversigt over den foreslåede rectenna-arkitektur med hensyn til polarisering er givet i figur 6, og et eksempel på en SoA er givet i tabel 4.
Figur 6
I cellulær kommunikation er det usandsynligt, at lineær polarisationsjustering mellem basestationer og mobiltelefoner kan opnås, så basestationsantenner er designet til at være dobbeltpolariserede eller multipolariserede for at undgå tab af polarisationsuoverensstemmelse. Polarisationsvariationen af LP-bølger på grund af multipath-effekter forbliver dog et uløst problem. Baseret på antagelsen om multipolariserede mobile basestationer er cellulære RFEH-antenner designet som LP-antenner.
CP-rektenner anvendes hovedsageligt i WPT, fordi de er relativt modstandsdygtige over for mismatch. CP-antenner er i stand til at modtage CP-stråling med samme rotationsretning (venstre- eller højrehåndet CP) ud over alle LP-bølger uden effekttab. Under alle omstændigheder sender CP-antennen, og LP-antennen modtager med et tab på 3 dB (50% effekttab). CP-rektenner er rapporteret at være egnede til 900 MHz og 2,4 GHz og 5,8 GHz industrielle, videnskabelige og medicinske bånd samt millimeterbølger. I RFEH af vilkårligt polariserede bølger repræsenterer polarisationsdiversitet en potentiel løsning på tab af polarisationsmismatch.
Fuld polarisering, også kendt som multipolarisering, er blevet foreslået for fuldstændigt at overvinde tab ved polarisationsmismatch, hvilket muliggør opsamling af både CP- og LP-bølger, hvor to dobbeltpolariserede ortogonale LP-elementer effektivt modtager alle LP- og CP-bølger. For at illustrere dette forbliver de vertikale og horisontale netspændinger (VV og VH) konstante uanset polarisationsvinklen:
CP elektromagnetisk bølge "E" elektrisk felt, hvor strøm opsamles to gange (én gang pr. enhed), hvorved CP-komponenten modtages fuldt ud og polarisationsmismatch-tabet på 3 dB overvindes:
Endelig kan der modtages indfaldende bølger med vilkårlig polarisering gennem DC-kombination. Figur 7 viser geometrien af den rapporterede fuldt polariserede rektenne.
Figur 7
Kort sagt foretrækkes CP i WPT-applikationer med dedikerede strømforsyninger, fordi det forbedrer WPT-effektiviteten uanset antennens polarisationsvinkel. På den anden side kan fuldt polariserede antenner i forbindelse med multikildemodtagelse, især fra omgivende kilder, opnå bedre samlet modtagelse og maksimal bærbarhed; multiport/multi-ensretterarkitekturer er nødvendige for at kombinere fuldt polariseret effekt ved RF eller DC.
Oversigt
Denne artikel gennemgår de seneste fremskridt inden for antennedesign til RFEH og WPT og foreslår en standardklassificering af antennedesign til RFEH og WPT, som ikke er blevet foreslået i tidligere litteratur. Tre grundlæggende antennekrav for at opnå høj RF-til-DC-effektivitet er blevet identificeret som:
1. Antenneensretterimpedansbåndbredde for de relevante RFEH- og WPT-bånd;
2. Hovedlobejustering mellem sender og modtager i WPT fra en dedikeret feed;
3. Polarisationsmatchning mellem rectennaen og den indfaldende bølge uanset vinkel og position.
Baseret på impedans klassificeres rektenner i 50Ω og ensretterkonjugerede rektenner, med fokus på impedanstilpasning mellem forskellige bånd og belastninger samt effektiviteten af hver matchingsmetode.
Strålingsegenskaberne for SoA-rektenner er blevet gennemgået ud fra et retnings- og polariseringsperspektiv. Metoder til at forbedre forstærkningen ved stråleformning og pakning for at overvinde smal strålebredde diskuteres. Endelig gennemgås CP-rektenner til WPT, sammen med forskellige implementeringer for at opnå polarisationsuafhængig modtagelse for WPT og RFEH.
For at lære mere om antenner, besøg venligst:
Opslagstidspunkt: 16. august 2024
