Ко-дизајн на антена-исправувач
Карактеристиката на ректените што ја следат EG топологијата на Слика 2 е тоа што антената е директно усогласена со исправувачот, наместо со стандардот 50Ω, што бара минимизирање или елиминирање на соодветните кола за напојување на исправувачот. Овој дел ги разгледува предностите на SoA ректените со антени без 50Ω и ректени без соодветни мрежи.
1. Електрично мали антени
LC резонантните прстени антени се широко користени во апликации каде големината на системот е критична. На фреквенции под 1 GHz, брановата должина може да предизвика стандардните антени со дистрибуирани елементи да заземаат повеќе простор од вкупната големина на системот, а апликациите како што се целосно интегрираните примопредаватели за телесни импланти особено имаат корист од употребата на електрични мали антени за WPT.
Високата индуктивна импеданса на малата антена (близу резонанца) може да се користи за директно спојување на исправувачот или со дополнителна мрежа за усогласување на капацитивниот чип. Електрично мали антени се пријавени во WPT со LP и CP под 1 GHz со користење на Huygens диполни антени, со ka=0,645, додека ka=5,91 во нормални диполи (ka=2πr/λ0).
2. Исправувачка конјугирана антена
Типичната влезна импеданса на диодата е многу капацитивна, па затоа е потребна индуктивна антена за да се постигне конјугирана импеданса. Поради капацитивната импеданса на чипот, индуктивните антени со висока импеданса се широко користени во RFID ознаките. Диполните антени неодамна станаа тренд кај РФИД антените со комплексна импеданса, покажувајќи висока импеданса (отпор и реактанса) во близина на нивната резонантна фреквенција.
Индуктивните диполни антени се користени за да одговараат на високата капацитивност на исправувачот во интересниот фреквентен опсег. Во преклопената диполна антена, двојната кратка линија (дипол преклопување) делува како трансформатор на импеданса, овозможувајќи дизајн на антена со исклучително висока импеданса. Алтернативно, пристрасното напојување е одговорно за зголемување на индуктивната реактанса, како и за вистинската импеданса. Комбинирањето на повеќе пристрасни диполни елементи со неизбалансирани радијални никулци со машнички формира двојна широкопојасна антена со висока импеданса. Слика 4 покажува некои пријавени исправувачки конјугирани антени.
Слика 4
Карактеристики на зрачење во RFEH и WPT
Во моделот Friis, моќноста PRX што ја добива антената на растојание d од предавателот е директна функција на добивките на приемникот и предавателот (GRX, GTX).
Директивноста и поларизацијата на главниот лобус на антената директно влијаат на количината на енергија собрана од ударниот бран. Карактеристиките на зрачењето на антената се клучни параметри кои разликуваат помеѓу амбиенталниот RFEH и WPT (Слика 5). Додека во двете апликации медиумот за ширење може да е непознат и треба да се земе предвид неговиот ефект врз примениот бран, знаењето за предавателната антена може да се искористи. Табела 3 ги идентификува клучните параметри дискутирани во овој дел и нивната применливост за RFEH и WPT.
Слика 5
1. Директивност и добивка
Во повеќето RFEH и WPT апликации, се претпоставува дека колекторот не ја знае насоката на упадното зрачење и дека нема патека за видливост (LoS). Во оваа работа, повеќекратни дизајни и сместувања на антени се истражени за да се максимизира добиената моќност од непознат извор, независно од порамнувањето на главниот лобус помеѓу предавателот и приемникот.
Омнидирекционите антени се широко користени во еколошките ректени RFEH. Во литературата, PSD варира во зависност од ориентацијата на антената. Сепак, варијацијата во моќноста не е објаснета, така што не е можно да се утврди дали варијацијата се должи на шемата на зрачење на антената или поради несовпаѓање на поларизацијата.
Покрај апликациите RFEH, нашироко се пријавени насочени антени и низи со голема засилување за микробранова WPT за да се подобри ефикасноста на собирање на мала густина на RF моќност или да се надминат загубите при ширење. Јаги-Уда rectenna низи, машнички низи, спирални низи, цврсто сврзани низи Vivaldi, CPW CP низи и лепенки се меѓу скалабилните имплементации на rectenna кои можат да ја максимизираат густината на моќноста на инцидентот под одредена област. Други пристапи за подобрување на засилувањето на антената вклучуваат технологија на интегриран брановоден водич (SIW) на супстрат во микробранови и милиметарски бранови опсези, специфични за WPT. Сепак, ректените со голема добивка се карактеризираат со тесни широчини на зраците, што го прави приемот на бранови во произволни насоки неефикасен. Испитувањата за бројот на елементите на антената и портите заклучија дека поголемата директивност не соодветствува со поголемата собрана моќност во амбиенталниот RFEH претпоставувајќи тродимензионална произволна инциденца; ова беше потврдено со мерења на терен во урбани средини. Низите со голема добивка може да се ограничат на WPT апликациите.
За да се пренесат придобивките од антените со голема добивка на произволни RFEH, се користат решенија за пакување или распоред за да се надмине проблемот со директивноста. Се предлага антенска нараквица со двојна лепенка за собирање енергија од амбиенталните Wi-Fi RFEH во две насоки. Амбиенталните мобилни RFEH антени се исто така дизајнирани како 3D кутии и се печатат или се прилепуваат на надворешни површини за да се намали површината на системот и да се овозможи повеќенасочно собирање. Структурите со кубна ректена покажуваат поголема веројатност за примање енергија во амбиенталните RFEH.
Беа направени подобрувања во дизајнот на антената за да се зголеми ширината на зраците, вклучително и помошни паразитски елементи за лепенка, за да се подобри WPT на 2,4 GHz, 4 × 1 низи. Беше предложена и мрежеста антена од 6 GHz со повеќе региони на зрак, која покажува повеќе зраци по порта. Површински ректени со повеќе порти, повеќеисправувачи и антени за собирање енергија со обрасци на сенасочно зрачење се предложени за повеќенасочни и мултиполаризирани RFEH. Исто така, предложени се повеќеисправувачи со матрици за формирање на зрак и антени низи со повеќе порти за собирање на енергија со голема добивка и повеќенасочно.
Накратко, додека антените со висока јачина се претпочитаат за подобрување на моќта добиена од ниски RF густини, високонасочните приемници можеби не се идеални во апликации каде што насоката на предавателот е непозната (на пр. RFEH или WPT на околината преку непознати канали за ширење). Во оваа работа, предложени се повеќекратни пристапи со повеќе зраци за повеќенасочни WPT и RFEH со голема засилување.
2. Поларизација на антената
Поларизацијата на антената го опишува движењето на векторот на електричното поле во однос на насоката на ширење на антената. Неусогласеноста на поларизацијата може да доведе до намален пренос/прием помеѓу антените дури и кога главните насоки на лобусот се порамнети. На пример, ако се користи вертикална LP антена за пренос и хоризонтална LP антена за прием, нема да се прими струја. Во овој дел, се разгледуваат пријавените методи за максимизирање на ефикасноста на безжичниот прием и избегнување загуби од неусогласеност со поларизација. Резиме на предложената ректенска архитектура во однос на поларизацијата е дадена на Слика 6 и пример SoA е даден во Табела 4.
Слика 6
Кај мобилните комуникации, веројатно нема да се постигне линеарна поларизација помеѓу базните станици и мобилните телефони, така што антените на базните станици се дизајнирани да бидат двојно поларизирани или мултиполаризирани за да се избегнат загубите на неусогласеност на поларизацијата. Сепак, варијацијата на поларизација на LP брановите поради ефектите на повеќе патеки останува нерешен проблем. Врз основа на претпоставката за мултиполаризирани мобилни базни станици, мобилните RFEH антени се дизајнирани како LP антени.
CP rectennas главно се користат во WPT бидејќи се релативно отпорни на несовпаѓање. CP антените се способни да примаат CP зрачење со иста насока на ротација (леворака или десна CP) како додаток на сите LP бранови без загуба на енергија. Во секој случај, CP антената емитува, а LP антената прима со загуба од 3 dB (50% загуба на енергија). Пријавено е дека CP ректените се погодни за индустриски, научни и медицински опсези од 900 MHz и 2,4 GHz и 5,8 GHz, како и за милиметарски бранови. Во RFEH на произволно поларизирани бранови, разновидноста на поларизацијата претставува потенцијално решение за загубите на несовпаѓање на поларизацијата.
Целосната поларизација, позната и како мултиполаризација, е предложена за целосно надминување на загубите на несовпаѓање на поларизацијата, овозможувајќи собирање на брановите CP и LP, каде што два двојно-поларизирани ортогонални LP елементи ефективно ги примаат сите LP и CP бранови. За да се илустрира ова, вертикалните и хоризонталните нето напони (VV и VH) остануваат константни без оглед на аголот на поларизација:
Електрично поле на електромагнетниот бран „Е“ на CP, каде што моќта се собира двапати (еднаш по единица), со што целосно ја прима CP компонентата и се надминува загубата на несовпаѓање на поларизацијата од 3 dB:
Конечно, преку DC комбинација, може да се примат инцидентни бранови на произволна поларизација. Слика 7 ја покажува геометријата на пријавената целосно поларизирана ректена.
Слика 7
Накратко, во WPT апликациите со посветени напојувања, CP се претпочита бидејќи ја подобрува ефикасноста на WPT без оглед на аголот на поларизација на антената. Од друга страна, при стекнување со повеќе извори, особено од амбиентални извори, целосно поларизираните антени можат да постигнат подобар целокупен прием и максимална преносливост; Потребни се архитектури со повеќе пристаништа/повеќе исправувачи за комбинирање на целосно поларизирана моќност на RF или DC.
Резиме
Овој труд го разгледува неодамнешниот напредок во дизајнот на антените за RFEH и WPT и предлага стандардна класификација на дизајнот на антената за RFEH и WPT што не е предложена во претходната литература. Три основни барања за антена за постигнување висока ефикасност од RF-to-DC се идентификувани како:
1. Пропусен опсег на импеданса на исправувач на антена за интересните опсези RFEH и WPT;
2. Порамнување на главниот лобус помеѓу предавателот и приемникот во WPT од посветен довод;
3. Поларизациско совпаѓање помеѓу ректената и ударниот бран без оглед на аголот и положбата.
Врз основа на импедансата, ректените се класифицираат на 50Ω и исправувачки конјугирани ректени, со фокус на усогласувањето на импедансата помеѓу различни ленти и оптоварувања и ефикасноста на секој метод на совпаѓање.
Карактеристиките на зрачење на SoA rectennas се разгледани од перспектива на директност и поларизација. Дискутирани се методите за подобрување на добивката со формирање на зрак и пакување за надминување на тесната ширина на зраците. Конечно, CP rectennas за WPT се прегледуваат, заедно со различни имплементации за да се постигне прием независен од поларизација за WPT и RFEH.
За да дознаете повеќе за антените, посетете:
Време на објавување: 16-ти август 2024 година
