Antenne-Ensretter Co-design
Det karakteristiske ved rektenner, der følger EG-topologien i figur 2, er, at antennen er direkte tilpasset til ensretteren, snarere end 50Ω-standarden, som kræver minimering eller eliminering af matchende kredsløb for at drive ensretteren. Dette afsnit gennemgår fordelene ved SoA-rektenner med ikke-50Ω-antenner og rektenner uden matchende netværk.
1. Elektrisk Små Antenner
LC-resonansringantenner er blevet brugt i vid udstrækning i applikationer, hvor systemstørrelsen er kritisk. Ved frekvenser under 1 GHz kan bølgelængden få standard-distribuerede element-antenner til at optage mere plads end den samlede størrelse af systemet, og applikationer såsom fuldt integrerede transceivere til kropsimplantater drager især fordel af brugen af elektrisk små antenner til WPT.
Den høje induktive impedans af den lille antenne (nær resonans) kan bruges til direkte at koble ensretteren eller med et ekstra kapacitivt matchende netværk på chip. Elektrisk små antenner er blevet rapporteret i WPT med LP og CP under 1 GHz ved brug af Huygens dipolantenner, med ka=0,645, mens ka=5,91 i normale dipoler (ka=2πr/λ0).
2. Ensretter konjugeret antenne
Den typiske indgangsimpedans for en diode er meget kapacitiv, så en induktiv antenne er påkrævet for at opnå konjugeret impedans. På grund af chippens kapacitive impedans er højimpedans induktive antenner blevet meget brugt 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 ensretterens høje kapacitans i frekvensbåndet af interesse. I en foldet dipolantenne fungerer den dobbelte korte linje (dipolfoldning) som en impedanstransformator, hvilket muliggør design af en antenne med ekstrem 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 radialstumper med sløjfebånd danner en dobbelt bredbåndsantenne med høj impedans. Figur 4 viser nogle rapporterede ensretterkonjugerede antenner.
Figur 4
Strålingsegenskaber i RFEH og WPT
I Friis-modellen er den effekt PRX, som modtages af en antenne i en afstand d fra senderen, en direkte funktion af modtager- og senderforstærkningen (GRX, GTX).
Antennens hovedlob-direktivitet og polarisering påvirker direkte mængden af strøm, der indsamles fra den indfaldende bølge. Antennestrålingskarakteristika er nøgleparametre, der skelner mellem omgivende RFEH og WPT (figur 5). Mens udbredelsesmediet i begge applikationer kan være ukendt, og dets effekt på den modtagne bølge skal tages i betragtning, kan viden om den sendeantenne udnyttes. Tabel 3 identificerer nøgleparametrene diskuteret i dette afsnit og deres anvendelighed på RFEH og WPT.
Figur 5
1. Direktivitet og gevinst
I de fleste RFEH- og WPT-applikationer antages det, at solfangeren ikke kender retningen af den indfaldende stråling, og at der ikke er nogen linje-of-sight-vej (LoS). I dette arbejde er flere antennedesigns og -placeringer blevet undersøgt for at maksimere den modtagne effekt fra en ukendt kilde, uafhængigt af hovedsløjfejusteringen mellem senderen og modtageren.
Omnidirektionelle antenner er blevet meget brugt i miljømæssige RFEH-rektenner. I litteraturen varierer PSD'en afhængigt af antennens orientering. Variationen i effekt er dog ikke forklaret, så det er ikke muligt at afgøre, om variationen skyldes antennens strålingsmønster eller polarisationsmismatch.
Ud over RFEH-applikationer er højforstærkede retningsbestemte antenner og arrays blevet rapporteret bredt til mikrobølge-WPT for at forbedre opsamlingseffektiviteten af lav RF-effekttæthed eller overvinde udbredelsestab. Yagi-Uda rectenna-arrays, bowtie-arrays, spiral-arrays, tæt koblede Vivaldi-arrays, CPW CP-arrays og patch-arrays er blandt de skalerbare rectenna-implementeringer, der kan maksimere den indfaldende effekttæthed under et bestemt område. Andre tilgange til at forbedre antenneforstærkningen inkluderer SIW-teknologi (substratintegreret bølgeleder) i mikrobølge- og millimeterbølgebånd, der er specifikke for WPT. Imidlertid er rektenner med høj forstærkning karakteriseret ved smalle strålebredder, hvilket gør modtagelse af bølger i vilkårlige retninger ineffektiv. Undersøgelser af antallet af antenneelementer og porte konkluderede, at højere direktivitet ikke svarer til højere høstet effekt i omgivende RFEH under forudsætning af tredimensionel vilkårlig forekomst; dette blev verificeret ved feltmålinger i bymiljøer. High-gain arrays kan begrænses til WPT-applikationer.
For at overføre fordelene ved højforstærkningsantenner til vilkårlige RFEH'er, bruges emballage- eller layoutløsninger til at overvinde direktivitetsproblemet. Et dual-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-bokse og printet eller klæbet til eksterne overflader for at reducere systemarealet og muliggøre høst i flere retninger. Kubiske rektennastrukturer udviser højere sandsynlighed for energimodtagelse i omgivende RFEH'er.
Forbedringer af antennedesign for at øge strålebredden, inklusive parasitære hjælpeelementer, blev lavet 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. Multi-port, multi-ensretter overfladerektenner og energihøstende antenner med omnidirektionelle strålingsmønstre er blevet foreslået til multi-direktionelle og multi-polariseret RFEH. Multi-ensrettere med stråleformende matricer og multi-port antenne arrays er også blevet foreslået til højforstærkning, multi-direktionel energihøst.
Sammenfattende, mens højforstærkningsantenner foretrækkes for at forbedre den effekt, der høstes fra lave RF-tætheder, er stærkt 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 multi-beam tilgange til multi-directional high-gain WPT og RFEH.
2. Antennepolarisering
Antennepolarisering beskriver bevægelsen af den elektriske feltvektor i forhold til antennens udbredelsesretning. Polarisationsfejl kan føre til reduceret transmission/modtagelse mellem antenner, selv når hovedlobens retninger er justeret. Hvis der f.eks. bruges en lodret LP-antenne til transmission og en vandret LP-antenne til modtagelse, vil der ikke blive modtaget strøm. I dette afsnit gennemgås rapporterede metoder til at maksimere trådløs modtagelseseffektivitet og undgå polarisationsmismatchtab. Et resumé af den foreslåede rektennaarkitektur med hensyn til polarisering er givet i figur 6, og et eksempel på SoA er givet i tabel 4.
Figur 6
I cellulær kommunikation er det usandsynligt, at lineær polarisationsjustering mellem basestationer og mobiltelefoner vil blive opnået, så basestationsantenner er designet til at være dobbeltpolariserede eller multipolariserede for at undgå polarisationsmismatchtab. Polarisationsvariationen af LP-bølger på grund af flervejseffekter forbliver dog et uløst problem. Baseret på antagelsen om multipolariserede mobile basestationer er cellulære RFEH-antenner designet som LP-antenner.
CP-rektenner bruges hovedsageligt i WPT, fordi de er relativt modstandsdygtige over for mismatch. CP-antenner er i stand til at modtage CP-stråling med samme rotationsretning (venstrehåndet eller højrehåndet CP) foruden alle LP-bølger uden effekttab. Under alle omstændigheder sender CP-antennen, og LP-antennen modtager med et tab på 3 dB (50 % strømtab). 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 polarisationsmismatchtab.
Fuld polarisering, også kendt som multipolarisering, er blevet foreslået for fuldstændigt at overvinde polarisationsmismatchtab, 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 lodrette og vandrette nettospændinger (VV og VH) konstante uanset polarisationsvinklen:
CP elektromagnetisk bølge "E" elektrisk felt, hvor strøm opsamles to gange (én gang pr. enhed), og derved fuldt ud modtager CP-komponenten og overvinde 3 dB polarisationsmismatchtab:
Endelig, gennem DC-kombination, kan indfaldende bølger af vilkårlig polarisering modtages. Figur 7 viser geometrien af den rapporterede fuldt polariserede rektenna.
Figur 7
Sammenfattende, i WPT-applikationer med dedikerede strømforsyninger foretrækkes CP, fordi det forbedrer WPT-effektiviteten uanset antennens polariseringsvinkel. På den anden side kan fuldt polariserede antenner opnå bedre overordnet modtagelse og maksimal portabilitet ved optagelse af flere kilder, især fra omgivende kilder; multi-port/multi-ensretter arkitekturer er påkrævet for at kombinere fuldt polariseret strøm ved RF eller DC.
Oversigt
Dette papir gennemgår de seneste fremskridt inden for antennedesign for RFEH og WPT og foreslår en standardklassificering af antennedesign for 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 RFEH- og WPT-båndene af interesse;
2. Hovedlapjustering mellem sender og modtager i WPT fra en dedikeret feed;
3. Polariseringstilpasning mellem rektenna 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 og effektiviteten af hver matchningsmetode.
Strålingsegenskaberne for SoA-rektenner er blevet gennemgået ud fra et perspektiv af retningsbestemmelse og polarisering. Metoder til at forbedre forstærkningen ved stråleformning og pakning for at overvinde smal strålebredde diskuteres. Til sidst gennemgås CP-rektennaer for WPT sammen med forskellige implementeringer for at opnå polarisationsuafhængig modtagelse for WPT og RFEH.
For at lære mere om antenner, besøg venligst:
Indlægstid: 16. august 2024
