Совместная разработка антенны и выпрямителя
Характерной особенностью выпрямительных антенн, построенных по топологии EG, показанной на рисунке 2, является прямое согласование антенны с выпрямителем, в отличие от стандарта 50 Ом, который требует минимизации или полного исключения согласующей цепи для питания выпрямителя. В этом разделе рассматриваются преимущества выпрямительных антенн SoA с антеннами, не соответствующими стандарту 50 Ом, и выпрямительных антенн без согласующих цепей.
1. Малые по электрическим параметрам антенны
Резонансные кольцевые LC-антенны широко используются в тех областях применения, 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, и такие приложения, как полностью интегрированные приемопередатчики для имплантируемых устройств, особенно выигрывают от использования электрически малых антенн для беспроводной передачи энергии.
Высокое индуктивное сопротивление малой антенны (близкое к резонансу) может быть использовано для прямой связи с выпрямителем или с дополнительной емкостной согласующей сетью на кристалле. Сообщалось об использовании электрически малых антенн в беспроводной передаче энергии с низким и постоянным током ниже 1 ГГц с помощью дипольных антенн Гюйгенса, с коэффициентом усиления ka = 0,645, тогда как в обычных диполях ka = 5,91 (ka = 2πr/λ0).
2. Выпрямительно-сопряженная антенна
Типичное входное сопротивление диода является сильно емкостным, поэтому для достижения сопряженного импеданса необходима индуктивная антенна. Из-за емкостного импеданса микросхемы в RFID-метках широко используются индуктивные антенны с высоким импедансом. В последнее время в RFID-антеннах с комплексным импедансом стали популярны дипольные антенны, демонстрирующие высокое сопротивление (резистивное и реактивное) вблизи резонансной частоты.
Индуктивные дипольные антенны используются для согласования высокой емкости выпрямителя в интересующем диапазоне частот. В сложенной дипольной антенне двойная короткая линия (складывание диполя) действует как трансформатор импеданса, что позволяет создавать антенны с чрезвычайно высоким импедансом. В качестве альтернативы, смещение питания отвечает за увеличение как индуктивного реактивного сопротивления, так и фактического импеданса. Комбинирование нескольких смещенных дипольных элементов с несимметричными радиальными шлейфами в форме бабочки образует двухдиапазонную широкополосную антенну с высоким импедансом. На рисунке 4 показаны некоторые описанные антенны с сопряженными выпрямителями.
Рисунок 4
Характеристики излучения в системах 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 энергии, собираемой с падающей волны. Характеристики излучения антенны являются ключевыми параметрами, которые отличают радиочастотную передачу энергии от беспроводной передачи энергии (рис. 5). Хотя в обоих случаях среда распространения может быть неизвестна, и ее влияние на принимаемую волну необходимо учитывать, знание характеристик передающей антенны может быть использовано. В таблице 3 указаны ключевые параметры, обсуждаемые в этом разделе, и их применимость к радиочастотной передаче энергии и беспроводной передаче энергии.
Рисунок 5
1. Направленность и усиление
В большинстве приложений RFEH и WPT предполагается, что получатель не знает направления падающего излучения и отсутствует прямая видимость. В данной работе были исследованы различные конструкции и варианты размещения антенн для максимизации принимаемой мощности от неизвестного источника, независимо от выравнивания главного лепестка диаграммы направленности между передатчиком и приемником.
Всенаправленные антенны широко используются в выпрямляющих антеннах для защиты окружающей среды от радиочастотного излучения. В литературе спектральная плотность мощности изменяется в зависимости от ориентации антенны. Однако изменение мощности не объясняется, поэтому невозможно определить, связано ли это изменение с диаграммой направленности антенны или с несоответствием поляризации.
Помимо применения в системах радиочастотного оптического излучения (RFEH), для микроволновой беспроводной передачи энергии (WPT) широко используются направленные антенные решетки и массивы с высоким коэффициентом усиления, позволяющие повысить эффективность сбора энергии при низкой плотности радиочастотной мощности или преодолеть потери при распространении. К масштабируемым реализациям выпрямленных антенн, позволяющим максимизировать плотность падающей мощности на определенной площади, относятся решетки Яги-Уда, решетки типа «бабочка», спиральные решетки, плотно связанные решетки Вивальди, решетки CPW CP и патч-решетки. Другие подходы к повышению коэффициента усиления антенн включают технологию интегрированных волноводов на подложке (SIW) в микроволновом и миллиметровом диапазонах, специфичную для WPT. Однако выпрямленные антенны с высоким коэффициентом усиления характеризуются узкой шириной луча, что делает прием волн в произвольных направлениях неэффективным. Исследования количества антенных элементов и портов показали, что более высокая направленность не соответствует большей собираемой мощности в условиях окружающего радиочастотного оптического излучения при условии трехмерного произвольного падения; это было подтверждено полевыми измерениями в городских условиях. Массивы с высоким коэффициентом усиления могут быть ограничены применением в системах WPT.
Для переноса преимуществ высокоэффективных антенн на любые радиочастотные источники энергии (РЧЭ) используются решения в области компоновки или компоновки, позволяющие преодолеть проблему направленности. Предлагается браслет с двумя патч-антеннами для сбора энергии от окружающих РЧЭ Wi-Fi в двух направлениях. Также разрабатываются антенны для РЧЭ Wi-Fi сотовой связи в виде 3D-боксов, которые печатаются или приклеиваются к внешним поверхностям для уменьшения площади системы и обеспечения многонаправленного сбора энергии. Кубические прямоугольные антенные структуры демонстрируют более высокую вероятность приема энергии от окружающих РЧЭ.
Для улучшения беспроводной передачи энергии на частоте 2,4 ГГц в антенных решетках 4 × 1 были внесены улучшения в конструкцию антенны для увеличения ширины луча, включая вспомогательные паразитные патч-элементы. Также была предложена сетчатая антенна на частоте 6 ГГц с несколькими областями луча, демонстрирующая несколько лучей на порту. Для многонаправленного и многополяризованного радиочастотного сбора энергии были предложены многопортовые многовыпрямительные поверхностные выпрямительные антенны и антенны для сбора энергии с всенаправленными диаграммами направленности. Также были предложены многовыпрямительные антенны с матрицами формирования луча и многопортовые антенные решетки для высокоэффективного многонаправленного сбора энергии.
В заключение, хотя антенны с высоким коэффициентом усиления предпочтительны для повышения мощности, извлекаемой из низких плотностей радиочастотного излучения, высоконаправленные приемники могут быть не идеальными в приложениях, где направление передатчика неизвестно (например, для передачи радиочастотного излучения в окружающей среде или беспроводной передачи энергии через неизвестные каналы распространения). В данной работе предлагаются несколько многолучевых подходов для многонаправленной беспроводной передачи энергии и передачи радиочастотного излучения с высоким коэффициентом усиления.
2. Поляризация антенны
Поляризация антенны описывает движение вектора электрического поля относительно направления распространения сигнала в антенне. Несоответствие поляризации может привести к снижению эффективности передачи/приема между антеннами, даже если направления главных лепестков совпадают. Например, если для передачи используется вертикальная LP-антенна, а для приема — горизонтальная LP-антенна, то мощность приниматься не будет. В этом разделе рассматриваются методы, описанные для максимизации эффективности беспроводного приема и предотвращения потерь из-за несоответствия поляризации. Краткое описание предлагаемой архитектуры ректенны с учетом поляризации приведено на рисунке 6, а пример SoA — в таблице 4.
Рисунок 6
В сотовой связи достижение линейного выравнивания поляризации между базовыми станциями и мобильными телефонами маловероятно, поэтому антенны базовых станций проектируются как двухполяризационные или многополяризационные, чтобы избежать потерь из-за несоответствия поляризации. Однако изменение поляризации линейно-поляризационных волн из-за многолучевого распространения остается нерешенной проблемой. Исходя из предположения о многополяризации мобильных базовых станций, антенны сотовой связи RFEH проектируются как линейно-поляризационные антенны.
Выпрямляющие антенны с круговой поляризацией (CP) в основном используются в беспроводной передаче энергии (WPT), поскольку они относительно устойчивы к несоответствию поляризации. Антенны с круговой поляризацией способны принимать излучение с круговой поляризацией с тем же направлением вращения (левосторонняя или правосторонняя CP) в дополнение ко всем волнам с линейной поляризацией (LP) без потерь мощности. В любом случае, антенна с круговой поляризацией передает, а антенна с линейной поляризацией принимает с потерями 3 дБ (50% потерь мощности). Сообщается, что выпрямляющие антенны с круговой поляризацией подходят для промышленных, научных и медицинских диапазонов 900 МГц, 2,4 ГГц и 5,8 ГГц, а также для миллиметровых волн. В радиочастотном электронном излучении волн произвольной поляризации поляризационное разнесение представляет собой потенциальное решение проблемы потерь из-за несоответствия поляризации.
Полная поляризация, также известная как мультиполяризация, была предложена для полного преодоления потерь из-за несоответствия поляризации, что позволяет собирать как круговые (CP), так и линейно поляризованные (LP) волны, где два ортогональных LP-элемента с двойной поляризацией эффективно принимают все LP и CP волны. Для иллюстрации этого вертикальное и горизонтальное суммарные напряжения (VV и VH) остаются постоянными независимо от угла поляризации:
Электромагнитная волна с круговой поляризацией «E» — электрическое поле, в котором энергия собирается дважды (один раз на единицу), что позволяет полностью принять компонент круговой поляризации и преодолеть потери, связанные с несоответствием поляризации на 3 дБ:
Наконец, благодаря объединению постоянного тока можно принимать падающие волны произвольной поляризации. На рисунке 7 показана геометрия представленной полностью поляризованной ректенны.
Рисунок 7
В заключение, в приложениях беспроводной передачи энергии с выделенными источниками питания предпочтительнее использовать поляризованную схему, поскольку она повышает эффективность беспроводной передачи энергии независимо от угла поляризации антенны. С другой стороны, при приеме сигнала от нескольких источников, особенно от окружающей среды, полностью поляризованные антенны могут обеспечить лучшее общее качество приема и максимальную портативность; для объединения полностью поляризованной мощности на радиочастотном или постоянном токе требуются многопортовые/многовыпрямительные архитектуры.
Краткое содержание
В данной статье рассматриваются последние достижения в проектировании антенн для радиочастотного преобразования энергии (RFEH) и беспроводной передачи энергии (WPT), а также предлагается стандартная классификация проектирования антенн для RFEH и WPT, которая ранее не была предложена в литературе. Были определены три основных требования к антеннам для достижения высокой эффективности преобразования радиочастотного сигнала в постоянный ток:
1. Ширина полосы пропускания импеданса выпрямителя антенны для интересующих диапазонов RFEH и WPT;
2. Выравнивание главного лепестка диаграммы направленности между передатчиком и приемником в беспроводной передаче энергии от выделенного источника;
3. Согласование поляризации между выпрямляющей антенной и падающей волной независимо от угла и положения.
В зависимости от импеданса выпрямительные антенны классифицируются на 50-омные и выпрямительно-сопряженные, при этом особое внимание уделяется согласованию импеданса между различными диапазонами и нагрузками, а также эффективности каждого метода согласования.
В статье рассмотрены характеристики излучения выпрямительных антенн SoA с точки зрения направленности и поляризации. Обсуждаются методы повышения усиления за счет формирования луча и упаковки для преодоления узкой ширины луча. Наконец, рассмотрены выпрямительные антенны с круговой поляризацией для беспроводной передачи энергии, а также различные варианты реализации для достижения поляризационно-независимого приема для беспроводной передачи энергии и радиочастотного радиоэлектронного анализа.
Чтобы узнать больше об антеннах, посетите:
Дата публикации: 16 августа 2024 г.
