Sočasna zasnova antene in usmernika
Značilnost usmernikov, ki sledijo topologiji EG na sliki 2, je, da je antena neposredno usklajena z usmernikom, namesto standarda 50 Ω, kar zahteva zmanjšanje ali odpravo usklajevalnega vezja za napajanje usmernika. V tem razdelku so pregledane prednosti usmernikov SoA z antenami, ki niso 50 Ω, in usmernikov brez usklajevalnega vezja.
1. Električno majhne antene
LC resonančne obročaste antene se pogosto uporabljajo v aplikacijah, kjer je velikost sistema ključnega pomena. Pri frekvencah pod 1 GHz lahko valovna dolžina povzroči, da standardne antene s porazdeljenimi elementi zasedejo več prostora kot celotna velikost sistema, aplikacije, kot so popolnoma integrirani oddajniki-sprejemniki za telesne vsadke, pa imajo še posebej koristi od uporabe električno majhnih anten za brezžično prenos energije (WPT).
Visoka induktivna impedanca majhne antene (blizu resonance) se lahko uporabi za neposredno povezavo z usmernikom ali z dodatno kapacitivno prilagoditveno mrežo na čipu. Električno majhne antene so bile opisane v WPT z LP in CP pod 1 GHz z uporabo Huygensovih dipolnih anten, s ka = 0,645, medtem ko je ka = 5,91 v normalnih dipolih (ka = 2πr/λ0).
2. Usmerniška konjugirana antena
Tipična vhodna impedanca diode je zelo kapacitivna, zato je za doseganje konjugirane impedance potrebna induktivna antena. Zaradi kapacitivne impedance čipa se v RFID oznakah pogosto uporabljajo induktivne antene z visoko impedanco. Dipolne antene so v zadnjem času postale trend pri RFID antenah s kompleksno impedanco, saj kažejo visoko impedanco (upor in reaktanco) blizu svoje resonančne frekvence.
Za uskladitev visoke kapacitivnosti usmernika v zanimivem frekvenčnem pasu so bile uporabljene induktivne dipolne antene. Pri zloženem dipolnem anteni dvojna kratka linija (zlaganje dipola) deluje kot impedančni transformator, kar omogoča zasnovo antene z izjemno visoko impedanco. Druga možnost je napajanje z odklonom, ki poveča tako induktivno reaktanco kot dejansko impedanco. Kombinacija več pristranskih dipolnih elementov z neuravnoteženimi radialnimi priključki v obliki metuljčka tvori dvojno širokopasovno anteno z visoko impedanco. Slika 4 prikazuje nekaj poročanih usmerniško konjugiranih anten.
Slika 4
Sevalne značilnosti v RFEH in WPT
V Friisovem modelu je moč PRX, ki jo sprejme antena na razdalji d od oddajnika, neposredna funkcija ojačanja 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). Čeprav je v obeh primerih medij širjenja morda neznan in je treba upoštevati njegov vpliv 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 ojačanje
V večini aplikacij RFEH in WPT se predpostavlja, da zbiralnik ne pozna smeri vpadnega sevanja in da ni poti v vidnem polju (LoS). V tem delu je bilo raziskanih več zasnov in namestitev anten za maksimiranje sprejete moči iz neznanega vira, neodvisno od poravnave glavnega režnja med oddajnikom in sprejemnikom.
Vsesmerne antene se pogosto uporabljajo v okoljskih RFEH rektenah. V literaturi se PSD spreminja glede na orientacijo antene. Vendar pa sprememba moči ni pojasnjena, zato ni mogoče ugotoviti, ali je sprememba posledica sevalnega diagrama antene ali zaradi neusklajenosti polarizacije.
Poleg aplikacij RFEH so bile za mikrovalovne brezžične fotonapetostne sisteme (WPT) široko opisane usmerjene antene in nizi z visokim ojačanjem, ki izboljšujejo učinkovitost zbiranja nizke gostote RF moči ali premagujejo izgube zaradi širjenja. Med skalabilnimi izvedbami rekten, ki lahko maksimizirajo gostoto vpadne moči na določenem območju, so Yagi-Uda rektenni nizi, nizi z metuljčki, spiralni nizi, tesno sklopljeni Vivaldijevi nizi, nizi CPW CP in nizi s patchom. Drugi pristopi za izboljšanje ojačanja antene vključujejo tehnologijo valovoda z integriranim substratom (SIW) v mikrovalovnih in milimetrskih valovnih pasovih, značilno za WPT. Vendar pa so za rektenne z visokim ojačanjem značilne ozke širine snopa, zaradi česar je sprejem valov v poljubnih smereh neučinkovit. Raziskave števila elementov antene in vrat so pokazale, da višja usmerjenost ne ustreza večji pridobljeni moči v ambientalnem RFEH ob predpostavki tridimenzionalnega poljubnega vpada; to so potrdile terenske meritve v urbanih okoljih. Nizi z visokim ojačanjem so lahko omejeni na aplikacije WPT.
Za prenos prednosti anten z visokim ojačanjem na poljubne radiofrekvenčne hibridne elemente (RFEH) se za premagovanje težave z usmerjenostjo uporabljajo rešitve za pakiranje ali postavitev. Predlagana je zapestnica z dvojno anteno, ki zajema energijo iz okoliških Wi-Fi RFEH v dveh smereh. Ambientalne celične RFEH antene so zasnovane tudi kot 3D-škatle in natisnjene ali prilepljene na zunanje površine, da se zmanjša površina sistema in omogoči večsmerno zajemanje. Kubične rektenske strukture kažejo večjo verjetnost sprejema energije v okoliških RFEH.
Izboljšave zasnove antene za povečanje širine snopa, vključno s pomožnimi parazitskimi elementi za popravke, so bile narejene za izboljšanje WPT pri 2,4 GHz, 4 × 1 antenskih nizih. Predlagana je bila tudi 6 GHz mrežasta antena z več območji snopa, ki prikazuje več snopov na vrata. Za večsmerno in večpolarizirano RFEH so bile predlagane večportne, večusmerniške površinske rektene in antene za pridobivanje energije z vsesmernimi sevalnimi vzorci. Za večsmerno pridobivanje energije z visokim ojačanjem so bili predlagani tudi večusmerniki z matrikami za oblikovanje snopa in večportne antenske nize.
Skratka, čeprav so antene z visokim ojačanjem prednostne za izboljšanje moči, pridobljene iz nizkih gostot RF, visoko usmerjeni sprejemniki morda niso idealni v aplikacijah, kjer smer oddajnika ni znana (npr. ambientalni RFEH ali WPT prek neznanih kanalov širjenja). V tem delu je predlaganih več žarkovnih pristopov za večsmerni WPT in RFEH z visokim ojačanjem.
2. Polarizacija antene
Polarizacija antene opisuje gibanje vektorja električnega polja glede na smer širjenja antene. Neusklajenost polarizacije lahko povzroči zmanjšan prenos/sprejem med antenama, tudi če sta smeri glavnih rež poravnani. Če se na primer za prenos uporablja navpična LP antena, za sprejem pa vodoravna LP antena, se ne bo sprejemala nobena moč. V tem razdelku so pregledane opisane metode za maksimiranje učinkovitosti brezžičnega sprejema in preprečevanje izgub zaradi neusklajenosti polarizacije. Povzetek predlagane arhitekture rektene glede na polarizacijo je podan na sliki 6, primer SoA pa v tabeli 4.
Slika 6
V celičnih komunikacijah je linearna poravnava polarizacije med baznimi postajami in mobilnimi telefoni malo verjetna, zato so antene baznih postaj zasnovane tako, da so dvojno- ali večpolarizirane, da se izognejo izgubam zaradi neusklajenosti polarizacije. Vendar pa ostaja variacija polarizacije LP valov zaradi večpotnih učinkov nerešen problem. Na podlagi predpostavke o večpolariziranih mobilnih baznih postajah so celične antene RFEH zasnovane kot LP antene.
CP rektenne se uporabljajo predvsem v WPT, ker so relativno odporne na neusklajenost. CP antene lahko sprejemajo CP sevanje z isto smerjo vrtenja (levo ali desno CP) poleg vseh LP valov brez izgube moči. V vsakem primeru CP antena oddaja in LP antena sprejema z izgubo 3 dB (50 % izguba moči). CP rektenne naj bi bile primerne za industrijske, znanstvene in medicinske pasove 900 MHz ter 2,4 GHz in 5,8 GHz, pa tudi za milimetrske valove. V RFEH poljubno polariziranih valov predstavlja polarizacijska raznolikost potencialno rešitev za izgube zaradi polarizacijske neusklajenosti.
Za popolno premagovanje izgub zaradi neusklajenosti polarizacije je bila predlagana polna polarizacija, ki omogoča zbiranje valov CP in LP, kjer dva dvojno polarizirana ortogonalna elementa LP učinkovito sprejemata vse valove LP in CP. Za ponazoritev tega navpična in horizontalna neto napetost (VV in VH) ostaneta konstantni ne glede na kot polarizacije:
CP elektromagnetno valovanje "E" električno polje, kjer se moč zbira dvakrat (enkrat na enoto), s čimer se v celoti sprejme CP komponenta in premaga izguba zaradi 3 dB polarizacijske neusklajenosti:
Končno je mogoče z enosmerno kombinacijo sprejeti vpadne valove poljubne polarizacije. Slika 7 prikazuje geometrijo opisane popolnoma polarizirane rektene.
Slika 7
Skratka, pri aplikacijah brezžičnega prenosa energije (WPT) z namenskimi napajalniki je CP prednostnejši, 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 maksimalno prenosljivost; za kombiniranje popolnoma polarizirane moči pri RF ali DC so potrebne arhitekture z več vrati/več usmerniki.
Povzetek
Ta članek pregleduje nedavni napredek pri načrtovanju anten za RFEH in WPT ter predlaga standardno klasifikacijo načrtovanja anten za RFEH in WPT, ki v prejšnji literaturi še ni bila predlagana. Opredeljene so bile tri osnovne zahteve za anteno za doseganje visoke učinkovitosti pretvorbe RF v enosmerni tok:
1. Pasovna širina impedance antenskega usmernika za zanimiva pasova RFEH in WPT;
2. Poravnava glavnega režnja med oddajnikom in sprejemnikom v brezžičnem prenosu energije (WPT) iz namenskega dovoda;
3. Ujemanje polarizacije med rekteno in vpadnim valom ne glede na kot in položaj.
Glede na impedanco se rektene razvrščajo v 50Ω in usmerniško konjugirane rektene, s poudarkom na usklajevanju impedance med različnimi pasovi in obremenitvami ter učinkovitosti posamezne metode usklajevanja.
Sevalne značilnosti SoA rekten so bile pregledane z vidika usmerjenosti in polarizacije. Obravnavane so metode za izboljšanje ojačanja z oblikovanjem in pakiranjem žarka za premagovanje ozke širine žarka. Nazadnje so pregledane CP rektene za WPT, skupaj z različnimi izvedbami za doseganje polarizacijsko neodvisnega sprejema za WPT in RFEH.
Če želite izvedeti več o antenah, obiščite:
Čas objave: 16. avg. 2024
