Sooblikovanje antene in usmernika
Značilnost rectennas, ki sledijo topologiji EG na sliki 2, je, da je antena neposredno usklajena z usmernikom, namesto standarda 50 Ω, ki zahteva zmanjšanje ali odpravo ujemajočega vezja za napajanje usmernika. V tem razdelku so prikazane prednosti rektenn SoA z antenami, ki niso 50Ω, in rekten brez ustreznih omrežij.
1. Električno majhne antene
LC resonančne obročne antene se pogosto uporabljajo v aplikacijah, kjer je velikost sistema kritična. Pri frekvencah pod 1 GHz lahko valovna dolžina povzroči, da standardne porazdeljene antene elementov zasedejo več prostora kot celotna velikost sistema, in aplikacije, kot so popolnoma integrirani oddajniki-sprejemniki za telesne vsadke, imajo še posebej koristi od uporabe električno majhnih anten za WPT.
Visoka induktivna impedanca majhne antene (skoraj resonanca) se lahko uporabi za neposredno povezavo usmernika ali z dodatnim kapacitivnim ujemajočim omrežjem na čipu. Poročali so o električno majhnih antenah v WPT z LP in CP pod 1 GHz z uporabo Huygensovih dipolnih anten, s ka=0,645, medtem ko ka=5,91 v normalnih dipolih (ka=2πr/λ0).
2. Usmerniška konjugirana antena
Tipična vhodna impedanca diode je visoko kapacitivna, zato je za dosego konjugirane impedance potrebna induktivna antena. Zaradi kapacitivne impedance čipa se visokoimpedančne induktivne antene pogosto uporabljajo v RFID oznakah. Dipolne antene so nedavno postale trend pri antenah RFID s kompleksno impedanco, saj kažejo visoko impedanco (upornost in reaktanco) blizu svoje resonančne frekvence.
Induktivne dipolne antene so bile uporabljene za uskladitev z visoko kapacitivnostjo usmernika v frekvenčnem pasu, ki nas zanima. V prepognjeni dipolni anteni deluje dvojna kratka linija (zgib dipola) kot impedančni transformator, kar omogoča oblikovanje antene z izjemno visoko impedanco. Druga možnost je, da je prednapetost odgovorna za povečanje induktivne reaktanse kot tudi dejanske impedance. Kombinacija več pristranskih dipolnih elementov z neuravnoteženimi radialnimi čepi v obliki metuljčka tvori dvojno širokopasovno visokoimpedančno anteno. Slika 4 prikazuje nekatere prijavljene usmerniške konjugirane antene.
Slika 4
Značilnosti sevanja v RFEH in WPT
V Friisovem modelu je moč PRX, ki jo prejme antena na razdalji d od oddajnika, neposredna funkcija ojačitev sprejemnika in oddajnika (GRX, GTX).
Usmerjenost in polarizacija glavnega režnja antene neposredno vplivata na količino moči, zbrane iz vpadnega vala. Značilnosti sevanja antene so ključni parametri, ki razlikujejo med ambientalnim RFEH in WPT (slika 5). Medtem ko je v obeh aplikacijah medij za razširjanje morda neznan in je treba upoštevati njegov učinek na sprejeti val, je mogoče izkoristiti poznavanje oddajne antene. Tabela 3 opredeljuje ključne parametre, obravnavane v tem razdelku, in njihovo uporabnost za RFEH in WPT.
Slika 5
1. Usmerjenost in dobiček
V večini aplikacij RFEH in WPT se predpostavlja, da zbiralnik ne pozna smeri vpadnega sevanja in da ni vidne linije (LoS). V tem delu je bilo raziskanih več zasnov in postavitev antene, da bi povečali prejeto moč iz neznanega vira, neodvisno od poravnave glavnega režnja med oddajnikom in sprejemnikom.
Vsesmerne antene se pogosto uporabljajo v okoljskih rektenah RFEH. V literaturi se PSD razlikuje glede na usmeritev antene. Vendar nihanje moči ni bilo pojasnjeno, zato ni mogoče ugotoviti, ali je nihanje posledica sevalnega vzorca antene ali neusklajenosti polarizacije.
Poleg aplikacij RFEH so veliko poročali o usmerjenih antenah in nizih z visokim ojačenjem za mikrovalovne WPT za izboljšanje učinkovitosti zbiranja nizke gostote moči RF ali premagovanje izgub pri širjenju. Yagi-Uda rektenski nizi, metuljčki nizi, spiralni nizi, tesno povezani Vivaldijevi nizi, nizi CPW CP in patch nizi so med razširljivimi rektennimi izvedbami, ki lahko povečajo gostoto vpadne moči pod določenim območjem. Drugi pristopi za izboljšanje ojačanja antene vključujejo tehnologijo vgrajenega valovoda v substrat (SIW) v mikrovalovnem in milimetrskem valovnem pasu, specifično za WPT. Vendar so za rektene z visokim ojačenjem značilne ozke širine snopa, zaradi česar je sprejem valov v poljubnih smereh neučinkovit. Preiskave števila antenskih elementov in vrat so pokazale, da višja usmerjenost ne ustreza večji pridobljeni moči v RFEH v okolju ob predpostavki tridimenzionalnega poljubnega vpada; to so preverili s terenskimi meritvami v urbanih okoljih. Nizi z visokim ojačenjem so lahko omejeni na aplikacije WPT.
Za prenos prednosti anten z visokim ojačenjem na poljubne RFEH se uporabijo rešitve za pakiranje ali postavitev, da se odpravi težava z usmerjenostjo. Predlagana je zapestnica z dvojno anteno za pridobivanje energije iz okoliških Wi-Fi RFEH v dveh smereh. Ambientalne celične antene RFEH so zasnovane tudi kot 3D škatle in natisnjene ali prilepljene na zunanje površine, da zmanjšajo območje sistema in omogočijo večsmerno zbiranje. Strukture kubične rektene kažejo večjo verjetnost sprejema energije v okoljskih RFEH.
Izboljšave zasnove antene za povečanje širine snopa, vključno s pomožnimi elementi parazitskih zaplat, so bile izvedene za izboljšanje WPT pri 2,4 GHz, nizih 4 × 1. Predlagana je bila tudi mrežasta antena 6 GHz z več območji žarkov, ki prikazuje več žarkov na vrata. Za večsmerne in večpolarizirane RFEH so bile predlagane površinske rektene z več vrati in več usmerniki ter antene za pridobivanje energije z vsesmernimi vzorci sevanja. Večsmerni usmerniki z matricami za oblikovanje snopa in antenskimi nizi z več priključki so bili predlagani tudi za večsmerno pridobivanje energije z visokim ojačenjem.
Če povzamemo, medtem ko so antene z visokim ojačenjem prednostne za izboljšanje moči, pridobljene z nizko gostoto RF, zelo usmerjeni sprejemniki morda niso idealni v aplikacijah, kjer je smer oddajnika neznana (npr. ambientalni RFEH ali WPT prek neznanih kanalov za širjenje). V tem delu je predlaganih več pristopov z več žarki za večsmerne WPT in RFEH z visokim ojačenjem.
2. Polarizacija antene
Polarizacija antene opisuje gibanje vektorja električnega polja glede na smer širjenja antene. Polarizacijske neusklajenosti lahko privedejo do zmanjšanega prenosa/sprejemanja med antenama, tudi če so glavne smeri režnjev poravnane. Na primer, če se za oddajanje uporablja navpična LP antena in za sprejem vodoravna LP antena, ne bo prejetega napajanja. V tem razdelku so pregledane poročane metode za povečanje učinkovitosti brezžičnega sprejema in izogibanje izgubam zaradi neusklajenosti polarizacije. Povzetek predlagane arhitekture rektene glede na polarizacijo je podan na sliki 6, primer SoA pa v tabeli 4.
Slika 6
Pri celičnih komunikacijah je malo verjetno, da bo mogoče doseči linearno polarizacijsko poravnavo med baznimi postajami in mobilnimi telefoni, zato so antene baznih postaj zasnovane tako, da so dvojno polarizirane ali multipolarizirane, da se preprečijo izgube zaradi neusklajenosti polarizacije. Vendar pa polarizacijska sprememba valov LP zaradi večpotnih učinkov ostaja nerešen problem. Na podlagi predpostavke večpolariziranih mobilnih baznih postaj so celične antene RFEH zasnovane kot antene LP.
Rektene CP se večinoma uporabljajo v WPT, ker so razmeroma odporne na neusklajenost. Antene CP lahko sprejmejo sevanje CP z isto smerjo vrtenja (levo ali desno CP) poleg vseh LP valov brez izgube moči. V vsakem primeru antena CP oddaja in antena LP sprejema z izgubo 3 dB (50 % izgube moči). Rektene CP naj bi bile primerne za industrijske, znanstvene in medicinske pasove 900 MHz ter 2,4 GHz in 5,8 GHz ter milimetrske valove. Pri RFEH poljubno polariziranih valov polarizacijska raznolikost predstavlja potencialno rešitev za izgube zaradi neusklajenosti polarizacije.
Popolna polarizacija, znana tudi kot multipolarizacija, je bila predlagana za popolno premagovanje izgub zaradi neusklajenosti polarizacije, kar omogoča zbiranje valov CP in LP, kjer dva dvojno polarizirana pravokotna elementa LP učinkovito sprejemata vse valove LP in CP. Za ponazoritev tega ostanejo navpične in vodoravne neto napetosti (VV in VH) konstantne ne glede na polarizacijski kot:
CP elektromagnetno valovanje »E« električno polje, kjer se moč zbere dvakrat (enkrat na enoto), s čimer se v celoti sprejme komponenta CP in premaga 3 dB izgube polarizacijskega neskladja:
Nazadnje, s kombinacijo enosmernega toka lahko sprejmemo vpadne valove poljubne polarizacije. Slika 7 prikazuje geometrijo prijavljene popolnoma polarizirane rektene.
Slika 7
Če povzamemo, v aplikacijah WPT z namenskimi napajalniki je prednost CP, ker izboljša učinkovitost WPT ne glede na polarizacijski kot antene. Po drugi strani pa lahko pri zajemanju iz več virov, zlasti iz okoliških virov, popolnoma polarizirane antene dosežejo boljši splošni sprejem in največjo prenosljivost; arhitekture z več vrati/več usmerniki so potrebne za kombiniranje popolnoma polarizirane moči pri RF ali DC.
Povzetek
Ta članek pregleduje nedavni napredek pri načrtovanju antene za RFEH in WPT ter predlaga standardno klasifikacijo načrtovanja antene za RFEH in WPT, ki ni bila predlagana v prejšnji literaturi. Ugotovljene so bile tri osnovne zahteve za anteno za doseganje visoke učinkovitosti RF-to-DC:
1. Pasovna širina impedance antenskega usmernika za zanimiva pasova RFEH in WPT;
2. Poravnava glavnega režnja med oddajnikom in sprejemnikom v WPT iz namenskega dovoda;
3. Polarizacijsko ujemanje med rekteno in vpadnim valom ne glede na kot in položaj.
Na podlagi impedance so rektene razvrščene v 50 Ω in usmerniške konjugirane rektene, s poudarkom na ujemanju impedance med različnimi pasovi in obremenitvami ter učinkovitostjo vsake metode ujemanja.
Sevalne značilnosti SoA rekten so bile pregledane z vidika usmerjenosti in polarizacije. Obravnavane so metode za izboljšanje ojačanja z oblikovanjem snopa in pakiranjem za premagovanje ozke širine snopa. Nazadnje so pregledane CP rectennas za WPT, skupaj z različnimi izvedbami za doseganje od polarizacije neodvisnega sprejema za WPT in RFEH.
Če želite izvedeti več o antenah, obiščite:
Čas objave: 16. avgusta 2024
