Совместная конструкция антенны и выпрямителя
Особенностью ректенн, построенных по топологии EG (см. рисунок 2), является непосредственное согласование антенны с выпрямителем, а не по стандарту 50 Ом, что требует минимизации или полного исключения 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
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, и такие приложения, как полностью интегрированные приемопередатчики для имплантатов, особенно выигрывают от использования электрически малых антенн для беспроводной передачи энергии (БПЭ).
Высокое индуктивное сопротивление малогабаритной антенны (близкое к резонансу) может быть использовано для прямого соединения с выпрямителем или с дополнительной встроенной емкостной согласующей цепью. В беспроводной электропередачи с LP и CP ниже 1 ГГц были описаны электрически малые антенны с дипольными антеннами Гюйгенса с ka = 0,645, в то время как у обычных диполей ka = 5,91 (ka = 2πr/λ0).
2. Выпрямительная сопряженная антенна
Типичное входное сопротивление диода имеет высокую ёмкость, поэтому для достижения сопряжённого импеданса требуется индуктивная антенна. Из-за ёмкостного импеданса микросхемы высокоомные индуктивные антенны широко используются в RFID-метках. Дипольные антенны в последнее время стали популярными среди RFID-антенн со сложным импедансом, демонстрируя высокое сопротивление (активное и реактивное) вблизи резонансной частоты.
Индуктивные дипольные антенны использовались для согласования высокой ёмкости выпрямителя в интересующем диапазоне частот. В петлевой дипольной антенне двойная короткая линия (петля диполя) действует как трансформатор импеданса, что позволяет создать антенну с чрезвычайно высоким импедансом. В качестве альтернативы, подача смещения увеличивает как индуктивное сопротивление, так и фактическое импеданс. Сочетание нескольких смещенных дипольных элементов с несбалансированными радиальными шлейфами типа «бабочка» образует двойную широкополосную высокоимпедансную антенну. На рисунке 4 показаны некоторые известные сопряжённые выпрямительные антенны.
Рисунок 4
Характеристики излучения в СВЧ-излучении и БПЭ
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 величину мощности, собираемой падающей волной. Характеристики излучения антенны являются ключевыми параметрами, определяющими различия между ближней радиочастотной эхо-сигнализацией и беспроводной электропередачей (рис. 5). Хотя в обоих случаях среда распространения может быть неизвестна и её влияние на принимаемую волну необходимо учитывать, знание характеристик передающей антенны может быть использовано. В таблице 3 представлены ключевые параметры, обсуждаемые в этом разделе, и их применимость к ближней радиочастотной эхо-сигнализации и беспроводной электропередачи.
Рисунок 5
1. Направленность и усиление
В большинстве приложений RFEH и WPT предполагается, что приёмник не знает направление падающего излучения и отсутствует прямая видимость (LoS). В данной работе были исследованы различные конструкции и варианты размещения антенн для максимального увеличения мощности приёма от неизвестного источника, независимо от выравнивания главного лепестка диаграммы направленности передатчика и приёмника.
Всенаправленные антенны широко используются в ректеннах с радиочастотной эхо-сигнализацией (RFEH). В литературе спектральная плотность мощности (СПМ) варьируется в зависимости от ориентации антенны. Однако объяснение изменения мощности не дано, поэтому невозможно определить, связано ли это изменение с диаграммой направленности антенны или с рассогласованием поляризации.
Помимо применения в радиочастотной эхо-сигнализации (RFEH), широко используются направленные антенны и решетки с высоким коэффициентом усиления для микроволнового беспроводного электропитания (WPT), позволяющие повысить эффективность сбора низкой плотности мощности радиочастотного сигнала или преодолеть потери распространения. Решетчатые решетки типа «Яги-Уда», решетки типа «бабочка», спиральные решетки, решетки Вивальди с сильной связью, решетки CPW CP и патч-решетки – вот лишь некоторые из масштабируемых реализаций ректенн, которые могут максимизировать плотность падающей мощности в определенной области. Другие подходы к улучшению усиления антенн включают технологию интегрированных в подложку волноводов (SIW) в микроволновом и миллиметровом диапазонах волн, характерную для WPT. Однако ректенны с высоким коэффициентом усиления характеризуются узкой шириной диаграммы направленности, что делает прием волн в произвольных направлениях неэффективным. Исследования количества антенных элементов и портов показали, что более высокая направленность не соответствует более высокой собираемой мощности в окружающем радиочастотном эхо-сигнале, предполагающем трехмерное произвольное падение; это было подтверждено полевыми измерениями в городских условиях. Решетчатые решетки с высоким коэффициентом усиления могут быть ограничены приложениями WPT.
Чтобы использовать преимущества антенн с высоким коэффициентом усиления для любых радиочастотных эхолокаторов (РЭЭ), применяются решения по компоновке и компоновке, позволяющие преодолеть проблему направленности. Предлагается браслет с двумя патч-антеннами для сбора энергии от окружающих радиочастотных эхолокаторов Wi-Fi в двух направлениях. Антенны сотовой связи (РЭЭ) также проектируются в виде трёхмерных коробок и печатаются или наклеиваются на внешние поверхности для уменьшения площади системы и обеспечения сбора энергии в нескольких направлениях. Кубические ректенны демонстрируют более высокую вероятность приёма энергии от окружающих радиочастотных эхолокаторов (РЭЭ).
В конструкцию антенны были внесены усовершенствования, направленные на увеличение ширины луча, включая вспомогательные паразитные патч-элементы, для улучшения беспроводной передачи энергии (WPT) на частоте 2,4 ГГц с использованием антенных решеток 4 × 1. Также была предложена сетчатая антенна с несколькими областями луча на частоту 6 ГГц, демонстрирующая несколько лучей на порт. Для многонаправленной и многополяризованной радиочастотной эхо-сигнализации (RFEH) были предложены многопортовые поверхностные ректенны с несколькими выпрямителями и антенны для сбора энергии с всенаправленными диаграммами направленности. Для многонаправленной генерации энергии с высоким коэффициентом усиления также были предложены многопортовые выпрямители с матрицами формирования луча и многопортовые антенные решетки.
Подводя итог, можно сказать, что, хотя антенны с высоким коэффициентом усиления предпочтительны для повышения эффективности сбора мощности при низкой плотности радиочастот, узконаправленные приёмники могут оказаться неидеальными в приложениях, где направление передатчика неизвестно (например, при использовании фоновой радиочастотной эхо-сигнализации или беспроводного переноса энергии (WPT) через неизвестные каналы распространения). В данной работе предлагаются многолучевые подходы для многонаправленных беспроводных радиочастотных эхо-сигналов с высоким коэффициентом усиления и радиочастотного переноса энергии (WPT).
2. Поляризация антенны
Поляризация антенны описывает движение вектора электрического поля относительно направления распространения сигнала антенны. Рассогласование поляризации может привести к снижению качества передачи/приёма между антеннами даже при совпадении направлений главных лепестков. Например, если вертикальная LP-антенна используется для передачи, а горизонтальная — для приёма, приём энергии не будет. В этом разделе рассматриваются известные методы максимального повышения эффективности приёма беспроводной связи и предотвращения потерь из-за рассогласования поляризации. Краткое описание предлагаемой архитектуры ректенны с точки зрения поляризации представлено на рисунке 6, а пример SoA — в таблице 4.
Рисунок 6
В сотовой связи достижение линейной поляризации между базовыми станциями и мобильными телефонами маловероятно, поэтому антенны базовых станций проектируются с двойной или многополяризационной поляризацией, чтобы избежать потерь из-за рассогласования поляризации. Однако изменение поляризации волн LP из-за эффектов многолучевого распространения остаётся нерешённой проблемой. Исходя из предположения о многополяризованности мобильных базовых станций, антенны сотовой связи RFEH проектируются как антенны LP.
Ректенны с катодной поляризацией (CP) в основном используются в беспроводной электросвязи (WPT) благодаря своей относительной устойчивости к рассогласованию. Антенны с катодной поляризацией способны принимать излучение с катодной поляризацией (CP) с тем же направлением вращения (левостороннее или правостороннее), а также все волны LP без потерь мощности. В любом случае, антенна с катодной поляризацией (CP) излучает, а антенна LP принимает с потерями 3 дБ (50% потерь мощности). Сообщается, что ректенны с катодной поляризацией подходят для промышленных, научных и медицинских диапазонов 900 МГц, 2,4 ГГц и 5,8 ГГц, а также миллиметровых волн. В радиочастотной эхо-сигнализации (RFEH) волн произвольной поляризации поляризационное разнесение представляет собой потенциальное решение для снижения потерь из-за рассогласования поляризации.
Полная поляризация, также известная как мультиполяризация, была предложена для полного устранения потерь, связанных с рассогласованием поляризации, что позволяет собирать как CP-, так и LP-волны. Два двухполяризованных ортогональных LP-элемента эффективно принимают все LP- и CP-волны. Для иллюстрации этого, вертикальное и горизонтальное суммарные 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 3 дБ:
Наконец, посредством комбинации постоянного тока можно принимать падающие волны произвольной поляризации. На рисунке 7 показана геометрия полностью поляризованной ректенны.
Рисунок 7
Подводя итог, можно сказать, что в беспроводных системах передачи сигналов (WPT) с выделенными источниками питания предпочтительнее использовать поляризованную антенну, поскольку она повышает эффективность WPT независимо от угла поляризации антенны. С другой стороны, при приёме сигналов от нескольких источников, особенно от окружающих источников, полностью поляризованные антенны могут обеспечить лучший общий приём и максимальную портативность; для объединения полностью поляризованной мощности на ВЧ и постоянном токе требуются архитектуры с несколькими портами и несколькими выпрямителями.
Краткое содержание
В данной статье рассматривается недавний прогресс в проектировании антенн для радиочастотной и беспроводной передачи энергии (РЧЭЭ и БПЭ) и предлагается стандартная классификация конструкций антенн для РЧЭЭ и БПЭ, которая ранее не предлагалась. Были определены три основных требования к антеннам для достижения высокой эффективности преобразования радиочастотного сигнала в постоянный ток:
1. Полоса пропускания импеданса антенного выпрямителя для интересующих диапазонов RFEH и WPT;
2. Выравнивание главного лепестка между передатчиком и приемником в беспроводном диапазоне частот 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 выпрямители, при этом особое внимание уделяется согласованию импеданса между различными диапазонами и нагрузками, а также эффективности каждого метода согласования.
Рассмотрены характеристики излучения ректенн SoA с точки зрения направленности и поляризации. Обсуждаются методы повышения коэффициента усиления за счёт формирования диаграммы направленности и компоновки для преодоления узкой ширины диаграммы направленности. Наконец, рассматриваются ректенны CP для беспроводной передачи энергии (WPT), а также различные реализации для достижения поляризационно-независимого приёма для WPT и RFEH.
Более подробную информацию об антеннах можно найти на сайте:
Время публикации: 16 августа 2024 г.
