Ко-дизајн на антена-исправувач
Карактеристиката на ректените што ја следат EG топологијата на Слика 2 е тоа што антената е директно поврзана со исправувачот, наместо со стандардот од 50Ω, што бара минимизирање или елиминирање на соодветното коло за напојување на исправувачот. Овој дел ги разгледува предностите на SoA ректените со антени што не се од 50Ω и ректените без соодветни мрежи.
1. Електрично мали антени
LC резонантните прстенести антени се широко користени во апликации каде што големината на системот е критична. На фреквенции под 1 GHz, брановата должина може да предизвика стандардните антени со дистрибуирани елементи да зафаќаат повеќе простор од вкупната големина на системот, а апликациите како што се целосно интегрираните примопредаватели за телесни импланти особено имаат корист од употребата на електрично мали антени за WPT.
Високата индуктивна импеданса на малата антена (блиска резонанца) може да се користи за директно поврзување на исправувачот или со дополнителна капацитивна мрежа за усогласување на чипот. Електрично мали антени се пријавени во WPT со LP и CP под 1 GHz користејќи Хајгенсови 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 RFID антените со комплексна импеданса, покажувајќи висока импеданса (отпор и реактанса) во близина на нивната резонантна фреквенција.
Индуктивните диполни антени се користат за да се усогласи со високиот капацитет на исправувачот во фреквенцискиот опсег од интерес. Кај преклопена диполна антена, двојната кратка линија (диполно преклопување) делува како трансформатор на импеданса, овозможувајќи дизајнирање на антена со екстремно висока импеданса. Алтернативно, напојувањето со пристрасност е одговорно за зголемување на индуктивната реактанса, како и на вистинската импеданса. Комбинирањето на повеќе пристрасни диполни елементи со неурамнотежени радијални држачи со пеперутка формира двојна широкопојасна антена со висока импеданса. Слика 4 прикажува некои пријавени конјугирани антени со исправувач.
Слика 4
Карактеристики на зрачење во RFEH и WPT
Во моделот на Friis, моќноста PRX што ја прима антената на растојание d од предавателот е директна функција од засилувањата на приемникот и предавателот (GRX, GTX).
Насоченоста на главниот лобус на антената и поларизацијата директно влијаат на количината на енергија собрана од инцидентниот бран. Карактеристиките на зрачењето на антената се клучни параметри што разликуваат помеѓу амбиенталниот RFEH и WPT (Слика 5). Иако во обете апликации медиумот за пропагација може да биде непознат и неговиот ефект врз примениот бран треба да се земе предвид, може да се искористи познавањето на предавателската антена. Табела 3 ги идентификува клучните параметри дискутирани во овој дел и нивната применливост кај RFEH и WPT.
Слика 5
1. Насоченост и засилување
Во повеќето RFEH и WPT апликации, се претпоставува дека колекторот не ја знае насоката на упадното зрачење и дека нема патека низ линијата на видливост (LoS). Во оваа работа, испитани се повеќе дизајни и поставувања на антени за да се максимизира примената моќност од непознат извор, независно од порамнувањето на главниот лобус помеѓу предавателот и приемникот.
Омнидирекционалните антени се широко користени во еколошките RFEH ректени. Во литературата, PSD варира во зависност од ориентацијата на антената. Сепак, варијацијата во моќноста не е објаснета, па затоа не е можно да се утврди дали варијацијата се должи на шемата на зрачење на антената или на несовпаѓање на поларизацијата.
Покрај RFEH апликациите, насочните антени и низи со висок засилување се широко пријавувани за микробраново WPT за подобрување на ефикасноста на собирање на ниска RF густина на моќност или надминување на загубите на пропагација. Yagi-Uda rectenna низи, bowtie низи, спирални низи, цврсто поврзани Vivaldi низи, CPW CP низи и patch низи се меѓу скалабилните имплементации на rectenna што можат да ја максимизираат густината на инцидентна моќност под одредена област. Други пристапи за подобрување на засилувањето на антената вклучуваат технологија на подлога интегрирана бранова водилка (SIW) во микробранови и милиметарски бранови опсези, специфична за WPT. Сепак, rectenna-ите со висок засилување се карактеризираат со тесни ширини на зракот, што го прави приемот на бранови во произволни насоки неефикасен. Истражувањата за бројот на елементи и порти на антената заклучија дека повисоката насоченост не одговара на поголема собрана моќност во амбиентален RFEH, претпоставувајќи тридимензионална произволна инциденца; ова беше потврдено со теренски мерења во урбани средини. Низите со висок засилување можат да бидат ограничени на WPT апликации.
За да се пренесат придобивките од антените со висок засилување на произволни RFEH, се користат решенија за пакување или распоред за да се надмине проблемот со насоченоста. Предложена е двојна лента за антена за собирање енергија од амбиентални Wi-Fi RFEH во два правци. Амбиенталните целуларни RFEH антени се исто така дизајнирани како 3D кутии и се печатат или се залепуваат на надворешни површини за да се намали површината на системот и да се овозможи повеќенасочно собирање. Кубните структури на ректенна покажуваат поголема веројатност за прием на енергија во амбиентални RFEH.
Подобрувања во дизајнот на антената за зголемување на ширината на зракот, вклучувајќи помошни паразитски елементи на лепенка, беа направени за да се подобри WPT на 2,4 GHz, низи од 4 × 1. Исто така, беше предложена и мрежеста антена од 6 GHz со повеќекратни региони на зракот, која демонстрира повеќекратни зраци по порт. За повеќенасочно и повеќеполаризирано RFEH се предложени повеќепортни, повеќенасочни исправувачки површински ректени и антени за собирање енергија со сенасочни шеми на зрачење. За повеќенасочно и повеќенасочно RFEH се предложени и повеќенасочни исправувачи со матрици за формирање зраци и повеќепортни антенски низи.
Накратко, иако антените со високо засилување се претпочитаат за подобрување на моќноста собрана од ниски RF густини, високонасочните приемници може да не бидат идеални во апликации каде што насоката на предавателот е непозната (на пр., амбиентален RFEH или WPT преку непознати канали за пропагација). Во оваа работа, се предложени повеќекратни пристапи со повеќе зраци за повеќенасочен WPT и RFEH со високо засилување.
2. Поларизација на антената
Поларизацијата на антената го опишува движењето на векторот на електричното поле во однос на насоката на ширење на антената. Несовпаѓањата на поларизацијата можат да доведат до намален пренос/прием помеѓу антените дури и кога насоките на главните лобуси се порамнети. На пример, ако за пренос се користи вертикална LP антена, а за прием се користи хоризонтална LP антена, нема да се прима енергија. Во овој дел се разгледуваат пријавените методи за максимизирање на ефикасноста на безжичниот прием и избегнување на загубите од несовпаѓање на поларизацијата. Резиме на предложената архитектура на ректената во однос на поларизацијата е даден на Слика 6, а пример за SoA е даден во Табела 4.
Слика 6
Во мобилните комуникации, малку е веројатно дека ќе се постигне линеарно поларизирање помеѓу базните станици и мобилните телефони, па затоа антените на базните станици се дизајнирани да бидат двојно поларизирани или мултиполаризирани за да се избегнат загуби од несовпаѓање на поларизацијата. Сепак, варијацијата на поларизацијата на LP брановите поради ефектите на повеќекратни патеки останува нерешен проблем. Врз основа на претпоставката за мултиполаризирани мобилни базни станици, целуларните RFEH антени се дизајнирани како LP антени.
CP ректените главно се користат во WPT бидејќи се релативно отпорни на несовпаѓање. CP антените се способни да примаат CP зрачење со иста насока на ротација (лева или десна CP) покрај сите LP бранови без загуба на моќност. Во секој случај, CP антената емитува, а LP антената прима со загуба од 3 dB (50% загуба на моќност). Се вели 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 поради несовпаѓање на поларизацијата.
Целосната поларизација, позната и како мултиполаризација, е предложена за целосно надминување на загубите од несовпаѓање на поларизацијата, овозможувајќи собирање и на CP и на LP бранови, каде што два двојно поларизирани ортогонални LP елементи ефикасно 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:
CP електромагнетно браново електрично поле „E“, каде што моќноста се собира двапати (еднаш по единица), со што целосно се прима CP компонентата и се надминува загубата на несовпаѓање на поларизацијата од 3 dB:
Конечно, преку комбинација од еднонасочна струја, можат да се примат инцидентни бранови со произволна поларизација. Слика 7 ја прикажува геометријата на пријавената целосно поларизирана ректена.
Слика 7
Накратко, во WPT апликациите со наменски напојувања, CP е претпочитан бидејќи ја подобрува ефикасноста на WPT без оглед на аголот на поларизација на антената. Од друга страна, при аквизиција од повеќе извори, особено од амбиентални извори, целосно поларизираните антени можат да постигнат подобар целокупен прием и максимална преносливост; потребни се архитектури со повеќе порти/повеќе исправувачи за да се комбинира целосно поларизирана моќност на RF или DC.
Резиме
Овој труд го разгледува неодамнешниот напредок во дизајнот на антени за RFEH и WPT и предлага стандардна класификација на дизајнот на антени за RFEH и WPT што не е предложена во претходната литература. Идентификувани се три основни барања за антени за постигнување висока RF-до-DC ефикасност како што се:
1. Пропусен опсег на импеданса на антенски исправувач за RFEH и WPT опсезите од интерес;
2. Усогласување на главниот лобус помеѓу предавателот и приемникот во WPT од наменски извор;
3. Поларизирачко совпаѓање помеѓу ректената и упадниот бран без оглед на аголот и положбата.
Врз основа на импедансата, ректените се класифицираат во 50Ω и исправувачки конјугирани ректени, со фокус на усогласување на импедансата помеѓу различните опсези и оптоварувања и ефикасноста на секој метод на усогласување.
Карактеристиките на зрачењето на SoA ректените се разгледани од перспектива на насоченост и поларизација. Разгледани се методи за подобрување на засилувањето со снопформирање и пакување за надминување на тесната ширина на зракот. Конечно, разгледани се CP ректените за WPT, заедно со различни имплементации за постигнување прием независен од поларизација за WPT и RFEH.
За да дознаете повеќе за антените, посетете ја страницата:
Време на објавување: 16 август 2024 година
