Совместная конструкция антенны-выпрямителя
Характерной чертой ректенн, следующих топологии EG на рисунке 2, является то, что антенна напрямую согласована с выпрямителем, а не со стандартом 50 Ом, что требует минимизации или устранения согласующей цепи для питания выпрямителя. В этом разделе рассматриваются преимущества ректенн SoA с антеннами, отличными от 50 Ом, и ректенн без согласующих цепей.
1. Электрически малые антенны
Антенны с резонансным кольцом LC широко используются в приложениях, где размер системы имеет решающее значение. На частотах ниже 1 ГГц длина волны может привести к тому, что стандартные антенны с распределенными элементами будут занимать больше места, чем общий размер системы, а такие приложения, как полностью интегрированные приемопередатчики для имплантатов тела, особенно выигрывают от использования электрически малых антенн для WPT.
Высокое индуктивное сопротивление малой антенны (близкое к резонансу) может использоваться для прямого соединения выпрямителя или с дополнительной емкостной согласующей сетью на кристалле. Электрически малые антенны были зарегистрированы в WPT с LP и CP ниже 1 ГГц с использованием дипольных антенн Гюйгенса с ka=0,645, тогда как ka=5,91 в обычных диполях (ka=2πr/λ0).
2. Выпрямительная сопряженная антенна
Типичное входное сопротивление диода является высокоемкостным, поэтому для достижения сопряженного сопротивления требуется индуктивная антенна. Из-за емкостного сопротивления чипа высокоомные индуктивные антенны широко используются в RFID-метках. Дипольные антенны в последнее время стали тенденцией в комплексных RFID-антеннах, демонстрируя высокое сопротивление (активное и реактивное) вблизи их резонансной частоты.
Индуктивные дипольные антенны использовались для согласования высокой емкости выпрямителя в интересующем диапазоне частот. В сложенной дипольной антенне двойная короткая линия (складывание диполя) действует как трансформатор импеданса, что позволяет спроектировать антенну с чрезвычайно высоким импедансом. В качестве альтернативы, подача смещения отвечает за увеличение индуктивного реактивного сопротивления, а также фактического импеданса. Объединение нескольких смещенных дипольных элементов с несбалансированными радиальными шлейфами типа «бабочка» образует двойную широкополосную антенну с высоким импедансом. На рисунке 4 показаны некоторые описанные сопряженные выпрямительные антенны.
Рисунок 4
Характеристики излучения в RFEH и WPT
В модели Фрииса мощность PRX, принимаемая антенной на расстоянии d от передатчика, является прямой функцией коэффициентов усиления приемника и передатчика (GRX, GTX).
Направленность и поляризация главного лепестка антенны напрямую влияют на количество мощности, собираемой из падающей волны. Характеристики излучения антенны являются ключевыми параметрами, которые различают окружающий RFEH и WPT (рисунок 5). Хотя в обоих приложениях среда распространения может быть неизвестна и ее влияние на принимаемую волну необходимо учитывать, можно использовать знание передающей антенны. Таблица 3 определяет ключевые параметры, обсуждаемые в этом разделе, и их применимость к RFEH и WPT.
Рисунок 5
1. Направленность и усиление
В большинстве приложений RFEH и WPT предполагается, что коллектор не знает направление падающего излучения и нет пути прямой видимости (LoS). В этой работе были исследованы несколько конструкций и размещений антенн для максимизации принимаемой мощности от неизвестного источника, независимо от выравнивания главного лепестка между передатчиком и приемником.
Всенаправленные антенны широко использовались в экологически чистых ректеннах RFEH. В литературе PSD варьируется в зависимости от ориентации антенны. Однако изменение мощности не было объяснено, поэтому невозможно определить, вызвано ли изменение диаграммой направленности антенны или несоответствием поляризации.
В дополнение к приложениям RFEH, направленные антенны и решетки с высоким коэффициентом усиления широко использовались для микроволнового WPT для повышения эффективности сбора низкой плотности мощности РЧ или преодоления потерь распространения. Решетчатые решетки Yagi-Uda, решетки Bowtie, спиральные решетки, тесно связанные решетки Vivaldi, решетки CPW CP и патч-решетки входят в число масштабируемых реализаций ректенн, которые могут максимизировать плотность падающей мощности в определенной области. Другие подходы к улучшению усиления антенны включают технологию интегрированного в подложку волновода (SIW) в диапазонах микроволновых и миллиметровых волн, характерную для WPT. Однако ректенны с высоким коэффициентом усиления характеризуются узкой шириной луча, что делает прием волн в произвольных направлениях неэффективным. Исследования количества элементов антенны и портов пришли к выводу, что более высокая направленность не соответствует более высокой собираемой мощности в окружающем RFEH, предполагающем трехмерное произвольное падение; это было подтверждено полевыми измерениями в городских условиях. Решетки с высоким коэффициентом усиления могут быть ограничены приложениями WPT.
Для переноса преимуществ антенн с высоким коэффициентом усиления на произвольные RFEH используются решения по упаковке или компоновке для преодоления проблемы направленности. Предлагается браслет с двойной патч-антенной для сбора энергии из окружающих Wi-Fi RFEH в двух направлениях. Окружающие сотовые антенны RFEH также проектируются как 3D-коробки и печатаются или приклеиваются к внешним поверхностям для уменьшения площади системы и обеспечения многонаправленного сбора. Кубические ректенные структуры демонстрируют более высокую вероятность приема энергии в окружающих RFEH.
Улучшения в конструкции антенны для увеличения ширины луча, включая вспомогательные паразитные элементы-патч, были сделаны для улучшения WPT на частоте 2,4 ГГц, 4 × 1 решетках. Также была предложена сетчатая антенна 6 ГГц с несколькими лучевыми областями, демонстрирующая несколько лучей на порт. Многопортовые, многовыпрямительные поверхностные ректенны и антенны сбора энергии с всенаправленными диаграммами направленности были предложены для многонаправленной и многополяризованной RFEH. Многовыпрямители с матрицами формирования луча и многопортовые антенные решетки были также предложены для многонаправленного сбора энергии с высоким коэффициентом усиления.
Подводя итог, можно сказать, что в то время как антенны с высоким коэффициентом усиления предпочтительны для улучшения мощности, собираемой с низкой плотности радиочастот, узконаправленные приемники могут быть не идеальными в приложениях, где направление передатчика неизвестно (например, окружающий RFEH или WPT через неизвестные каналы распространения). В этой работе предлагаются подходы с несколькими многолучевыми лучами для многонаправленного WPT и RFEH с высоким коэффициентом усиления.
2. Поляризация антенны
Поляризация антенны описывает движение вектора электрического поля относительно направления распространения антенны. Несоответствия поляризации могут привести к снижению передачи/приема между антеннами, даже если направления главных лепестков выровнены. Например, если вертикальная LP-антенна используется для передачи, а горизонтальная LP-антенна — для приема, то никакой мощности получено не будет. В этом разделе рассматриваются описанные методы максимизации эффективности беспроводного приема и избежания потерь из-за несоответствия поляризации. Краткое изложение предлагаемой архитектуры ректенны относительно поляризации приведено на рисунке 6, а пример SoA — в таблице 4.
Рисунок 6
В сотовой связи линейное выравнивание поляризации между базовыми станциями и мобильными телефонами вряд ли будет достигнуто, поэтому антенны базовых станций проектируются как двухполяризованные или многополяризованные, чтобы избежать потерь из-за несоответствия поляризации. Однако изменение поляризации волн LP из-за эффектов многолучевого распространения остается нерешенной проблемой. Исходя из предположения о многополяризованных мобильных базовых станциях, антенны сотовой связи RFEH проектируются как антенны LP.
Ректенны CP в основном используются в WPT, поскольку они относительно устойчивы к рассогласованию. Антенны CP способны принимать излучение CP с тем же направлением вращения (левостороннее или правостороннее CP) в дополнение ко всем волнам LP без потери мощности. В любом случае антенна CP передает, а антенна LP принимает с потерей 3 дБ (потеря мощности 50%). Сообщается, что ректенны CP подходят для промышленных, научных и медицинских диапазонов 900 МГц, 2,4 ГГц и 5,8 ГГц, а также миллиметровых волн. В RFEH произвольно поляризованных волн поляризационное разнесение представляет собой потенциальное решение потерь из-за рассогласования поляризации.
Полная поляризация, также известная как мультиполяризация, была предложена для полного преодоления потерь из-за несоответствия поляризации, что позволяет собирать как волны CP, так и волны LP, где два двухполяризованных ортогональных элемента LP эффективно принимают все волны LP и CP. Для иллюстрации этого, вертикальные и горизонтальные чистые напряжения (VV и VH) остаются постоянными независимо от угла поляризации:
Электрическое поле электромагнитной волны CP «E», в котором мощность собирается дважды (один раз на единицу), тем самым полностью принимая компонент CP и преодолевая потери из-за рассогласования поляризации в 3 дБ:
Наконец, посредством комбинации постоянного тока можно получить падающие волны произвольной поляризации. На рисунке 7 показана геометрия полностью поляризованной ректенны.
Рисунок 7
Подводя итог, можно сказать, что в приложениях WPT с выделенными источниками питания предпочтительнее использовать CP, поскольку он повышает эффективность WPT независимо от угла поляризации антенны. С другой стороны, при получении сигнала из нескольких источников, особенно из окружающих источников, полностью поляризованные антенны могут обеспечить лучший общий прием и максимальную портативность; для объединения полностью поляризованной мощности на ВЧ или постоянном токе требуются архитектуры с несколькими портами/множеством выпрямителей.
Краткое содержание
В этой статье рассматривается недавний прогресс в проектировании антенн для RFEH и WPT, а также предлагается стандартная классификация проектирования антенн для RFEH и WPT, которая не была предложена в предыдущей литературе. Были определены три основных требования к антеннам для достижения высокой эффективности преобразования RF в DC:
1. Полоса пропускания импеданса антенного выпрямителя для интересующих диапазонов RFEH и WPT;
2. Выравнивание главного лепестка между передатчиком и приемником в WPT от выделенного источника;
3. Согласование поляризации между ректенной и падающей волной независимо от угла и положения.
В зависимости от импеданса ректенны классифицируются на 50-омные и сопряженные выпрямительные ректенны, при этом особое внимание уделяется согласованию импеданса между различными диапазонами и нагрузками, а также эффективности каждого метода согласования.
Характеристики излучения ректенн SoA были рассмотрены с точки зрения направленности и поляризации. Обсуждаются методы улучшения усиления за счет формирования луча и упаковки для преодоления узкой ширины луча. Наконец, рассматриваются ректенны CP для WPT, а также различные реализации для достижения приема, независимого от поляризации, для WPT и RFEH.
Чтобы узнать больше об антеннах, посетите сайт:
Время публикации: 16-авг-2024
