Совместная разработка антенны-выпрямителя
Характеристика ректенн, соответствующих топологии EG на рисунке 2, заключается в том, что антенна напрямую согласована с выпрямителем, а не по стандарту 50 Ом, что требует минимизации или исключения согласующей цепи для питания выпрямителя. В этом разделе рассматриваются преимущества ректенн SoA с антеннами, отличными от 50 Ом, и ректенн без согласующих сетей.
1. Электрически малые антенны
Резонансные кольцевые антенны 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 займут больше места, чем общий размер системы, а такие приложения, как полностью интегрированные приемопередатчики для нательных имплантатов, особенно выигрывают от использования электрически малых антенн для БПЭ.
Высокий индуктивный импеданс небольшой антенны (близкий к резонансу) можно использовать для прямого соединения с выпрямителем или с дополнительной встроенной емкостной согласующей цепью. Сообщалось об электрически малых антеннах на БПЭ с LP и CP ниже 1 ГГц с использованием дипольных антенн Гюйгенса с ka=0,645 и ka=5,91 в обычных диполях (ka=2πr/λ0).
2. Сопряженная антенна выпрямителя.
Типичное входное сопротивление диода имеет высокую емкость, поэтому для достижения сопряженного импеданса требуется индуктивная антенна. Из-за емкостного сопротивления чипа в RFID-метках широко используются индуктивные антенны с высоким сопротивлением. Дипольные антенны в последнее время стали тенденцией в области RFID-антенн со сложным импедансом, демонстрируя высокий импеданс (сопротивление и реактивное сопротивление) вблизи их резонансной частоты.
Индуктивные дипольные антенны использовались для согласования высокой емкости выпрямителя в интересующем диапазоне частот. В сложенной дипольной антенне двойная короткая линия (складчатая дипольная линия) действует как трансформатор импеданса, что позволяет создать антенну с чрезвычайно высоким импедансом. Альтернативно, подача смещения отвечает за увеличение индуктивного реактивного сопротивления, а также фактического импеданса. Сочетание нескольких смещенных дипольных элементов с несимметричными радиальными шлейфами типа «бабочка» образует двойную широкополосную антенну с высоким импедансом. На рисунке 4 показаны некоторые известные сопряженные антенны выпрямителя.
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 основного лепестка антенны напрямую влияют на количество мощности, собираемой от падающей волны. Характеристики излучения антенны являются ключевыми параметрами, которые отличают RFEH окружающей среды от WPT (рис. 5). Хотя в обоих случаях среда распространения может быть неизвестна и необходимо учитывать ее влияние на принимаемую волну, можно использовать знание передающей антенны. В Таблице 3 указаны ключевые параметры, обсуждаемые в этом разделе, и их применимость к RFEH и WPT.
Рисунок 5
1. Направленность и усиление
В большинстве применений RFEH и WPT предполагается, что коллектор не знает направления падающего излучения и отсутствует путь прямой видимости (LoS). В этой работе были исследованы различные конструкции и варианты размещения антенн, чтобы максимизировать принимаемую мощность от неизвестного источника, независимо от выравнивания главного лепестка между передатчиком и приемником.
Всенаправленные антенны широко используются в ректеннах RFEH, работающих в условиях окружающей среды. В литературе PSD варьируется в зависимости от ориентации антенны. Однако изменение мощности не объяснено, поэтому невозможно определить, связано ли это изменение с диаграммой направленности антенны или с несоответствием поляризации.
В дополнение к приложениям RFEH широко сообщалось о направленных антеннах и решетках с высоким коэффициентом усиления для микроволновых БПЭ, позволяющих повысить эффективность сбора радиочастотной мощности с низкой плотностью или преодолеть потери при распространении. Массивы ректенн Яги-Уда, массивы-бабочки, спиральные массивы, тесно связанные массивы Вивальди, массивы CPW CP и массивы патчей относятся к числу 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 микроволновом и миллиметровом диапазонах волн, специфичную для БПЭ. Однако ректенны с высоким коэффициентом усиления характеризуются узкой шириной луча, что делает прием волн в произвольных направлениях неэффективным. Исследования количества антенных элементов и портов пришли к выводу, что более высокая направленность не соответствует более высокой собираемой мощности в окружающей среде RFEH, предполагая произвольное трехмерное падение; это было подтверждено полевыми измерениями в городских условиях. Массивы с высоким коэффициентом усиления могут быть ограничены приложениями WPT.
Чтобы перенести преимущества антенн с высоким коэффициентом усиления на произвольные RFEH, используются решения по упаковке или компоновке, позволяющие преодолеть проблему направленности. Предлагается браслет с двойной антенной для сбора энергии от окружающих Wi-Fi RFEH в двух направлениях. Окружающие сотовые антенны RFEH также спроектированы в виде 3D-коробок и напечатаны или приклеены к внешним поверхностям, чтобы уменьшить площадь системы и обеспечить разнонаправленный сбор данных. Кубические структуры ректенны демонстрируют более высокую вероятность приема энергии в окружающих RFEH.
В конструкцию антенны были внесены усовершенствования для увеличения ширины луча, включая вспомогательные паразитные патч-элементы, для улучшения БПЭ на частоте 2,4 ГГц, решетки 4 × 1. Также была предложена ячеистая антенна 6 ГГц с несколькими областями луча, демонстрирующая несколько лучей на порт. Для многонаправленных и многополяризованных RFEH были предложены многопортовые поверхностные ректенны с несколькими выпрямителями и антенны для сбора энергии со всенаправленными диаграммами направленности. Мультивыпрямители с матрицами формирования диаграммы направленности и многопортовыми антенными решетками также были предложены для многонаправленного сбора энергии с высоким коэффициентом усиления.
Таким образом, хотя антенны с высоким коэффициентом усиления предпочтительнее для улучшения сбора мощности за счет низкой плотности радиочастот, узконаправленные приемники могут быть не идеальными в приложениях, где направление передатчика неизвестно (например, окружающая RFEH или БПЭ через неизвестные каналы распространения). В этой работе предлагается несколько многолучевых подходов для разнонаправленных WPT и RFEH с высоким коэффициентом усиления.
2. Поляризация антенны
Поляризация антенны описывает движение вектора электрического поля относительно направления распространения антенны. Несоответствие поляризации может привести к снижению передачи/приема между антеннами, даже если направления основных лепестков совпадают. Например, если для передачи используется вертикальная антенна LP, а для приема — горизонтальная антенна LP, мощность приниматься не будет. В этом разделе рассматриваются известные методы максимизации эффективности беспроводного приема и предотвращения потерь из-за несоответствия поляризации. Краткое описание предлагаемой архитектуры ректенны с учетом поляризации представлено на рисунке 6, а пример SoA приведен в таблице 4.
Рисунок 6
В сотовой связи маловероятно, что будет достигнуто линейное выравнивание поляризации между базовыми станциями и мобильными телефонами, поэтому антенны базовых станций проектируются с двойной или мультиполяризацией, чтобы избежать потерь из-за несоответствия поляризации. Однако изменение поляризации волн ЛП из-за эффектов многолучевости остается нерешенной проблемой. Исходя из предположения о многополяризованных мобильных базовых станциях, сотовые антенны RFEH спроектированы как антенны LP.
Ректенны CP в основном используются в WPT, поскольку они относительно устойчивы к рассогласованию. Антенны CP способны принимать излучение CP с одинаковым направлением вращения (левое или правостороннее CP) в дополнение ко всем волнам LP без потерь мощности. В любом случае антенна CP передает, а антенна LP принимает с потерями 3 дБ (потери мощности 50%). Сообщается, что ректенны CP подходят для промышленных, научных и медицинских диапазонов частот 900 МГц, 2,4 ГГц и 5,8 ГГц, а также миллиметровых волн. В RFEH волн с произвольной поляризацией разнообразие поляризации 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, позволяя собирать как волны CP, так и LP, при этом два ортогональных элемента LP с двойной поляризацией эффективно принимают все волны LP и CP. Чтобы проиллюстрировать это, 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 получая компонент CP и преодолевая потери рассогласования поляризации в 3 дБ:
Наконец, благодаря комбинации постоянного тока можно получить падающие волны произвольной поляризации. На рисунке 7 показана геометрия заявленной полностью поляризованной ректенны.
Рисунок 7
Подводя итог, можно сказать, что в приложениях БПЭ со специальными источниками питания предпочтительным является CP, поскольку он повышает эффективность БПЭ независимо от угла поляризации антенны. С другой стороны, при съемке с нескольких источников, особенно от окружающих источников, полностью поляризованные антенны могут обеспечить лучший общий прием и максимальную портативность; Для объединения полностью поляризованной мощности на ВЧ или постоянном токе необходимы многопортовые/многовыпрямительные архитектуры.
Краткое содержание
В этом документе рассматриваются последние достижения в разработке антенн для RFEH и WPT и предлагается стандартная классификация конструкций антенн для RFEH и WPT, которая не была предложена в предыдущей литературе. Были определены три основных требования к антенне для достижения высокой эффективности преобразования RF в постоянный ток:
1. Полоса импеданса антенного выпрямителя для интересующих диапазонов RFEH и WPT;
2. Выравнивание главного лепестка между передатчиком и приемником в БПЭ от выделенного канала;
3. Согласование поляризации ректенны и падающей волны независимо от угла и положения.
В зависимости от импеданса ректенны подразделяются на 50-омные и сопряженные с выпрямителем ректенны, при этом особое внимание уделяется согласованию импедансов между различными полосами и нагрузками, а также эффективности каждого метода согласования.
Характеристики излучения ректенн SoA 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 независимого от поляризации приема для WPT и RFEH.
Чтобы узнать больше об антеннах, посетите:
Время публикации: 16 августа 2024 г.
