Antenn-likriktare Co-design
Egenskapen för rektennor som följer EG-topologin i figur 2 är att antennen är direkt anpassad till likriktaren, snarare än 50Ω-standarden, vilket kräver minimering eller eliminering av matchningskretsen för att driva likriktaren. Detta avsnitt går igenom fördelarna med SoA-rektenner med icke-50Ω-antenner och rektenner utan matchande nätverk.
1. Elektriskt små antenner
LC-resonansringantenner har använts i stor utsträckning i applikationer där systemstorleken är kritisk. Vid frekvenser under 1 GHz kan våglängden göra att standardantenner med distribuerade element tar upp mer utrymme än systemets totala storlek, och applikationer som helt integrerade transceivrar för kroppsimplantat drar särskilt nytta av användningen av elektriskt små antenner för WPT.
Den höga induktiva impedansen hos den lilla antennen (nära resonans) kan användas för att direkt koppla likriktaren eller med ett extra kapacitivt matchningsnätverk på kretsen. Elektriskt små antenner har rapporterats i WPT med LP och CP under 1 GHz med Huygens dipolantenner, med ka=0,645, medan ka=5,91 i normala dipoler (ka=2πr/λ0).
2. Likriktarkonjugerad antenn
Den typiska ingångsimpedansen för en diod är mycket kapacitiv, så en induktiv antenn krävs för att uppnå konjugerad impedans. På grund av chipets kapacitiva impedans har induktiva antenner med hög impedans använts i stor utsträckning i RFID-taggar. Dipolantenner har nyligen blivit en trend inom komplexa impedans RFID-antenner, som uppvisar hög impedans (motstånd och reaktans) nära sin resonansfrekvens.
Induktiva dipolantenner har använts för att matcha den höga kapacitansen hos likriktaren i frekvensbandet av intresse. I en vikt dipolantenn fungerar den dubbla korta linjen (dipolvikning) som en impedanstransformator, vilket möjliggör utformningen av en extremt hög impedansantenn. Alternativt är förspänningsmatning ansvarig för att öka den induktiva reaktansen såväl som den faktiska impedansen. Genom att kombinera flera förspända dipolelement med obalanserade radiella stubbar med rosett bildar en dubbel bredbandsantenn med hög impedans. Figur 4 visar några rapporterade konjugerade likriktarantenner.
Figur 4
Strålningsegenskaper i RFEH och WPT
I Friis-modellen är effekten PRX som tas emot av en antenn på ett avstånd d från sändaren en direkt funktion av mottagarens och sändarens förstärkningar (GRX, GTX).
Antennens huvudlobsriktning och polarisering påverkar direkt mängden effekt som samlas in från den infallande vågen. Antennstrålningsegenskaper är nyckelparametrar som skiljer mellan omgivande RFEH och WPT (Figur 5). Även om utbredningsmediet i båda tillämpningarna kan vara okänt och dess effekt på den mottagna vågen måste beaktas, kan kunskap om den sändande antennen utnyttjas. Tabell 3 identifierar nyckelparametrarna som diskuteras i detta avsnitt och deras tillämpbarhet på RFEH och WPT.
Bild 5
1. Direktivitet och förstärkning
I de flesta RFEH- och WPT-tillämpningar antas det att kollektorn inte känner till riktningen för den infallande strålningen och att det inte finns någon siktlinje (LoS). I detta arbete har flera antennkonstruktioner och placeringar undersökts för att maximera den mottagna effekten från en okänd källa, oberoende av huvudlobsinriktningen mellan sändaren och mottagaren.
Rundstrålande antenner har använts i stor utsträckning i miljömässiga RFEH-rektenner. I litteraturen varierar PSD beroende på antennens orientering. Variationen i effekt har dock inte förklarats, så det är inte möjligt att avgöra om variationen beror på antennens strålningsmönster eller på polarisationsfel.
Förutom RFEH-tillämpningar har högförstärkningsriktantenner och arrayer rapporterats allmänt för mikrovågs-WPT för att förbättra insamlingseffektiviteten för låg RF-effekttäthet eller övervinna spridningsförluster. Yagi-Uda rektenna-arrayer, bowtie-arrayer, spiral-arrayer, tätt kopplade Vivaldi-arrayer, CPW CP-arrayer och patch-arrayer är bland de skalbara rektenna-implementeringarna som kan maximera den infallande effekttätheten under ett visst område. Andra tillvägagångssätt för att förbättra antennförstärkningen inkluderar substratintegrerad vågledarteknik (SIW) i mikrovågs- och millimetervågsband, specifika för WPT. Emellertid kännetecknas rektennor med hög förstärkning av smala strålbredder, vilket gör mottagning av vågor i godtyckliga riktningar ineffektiv. Undersökningar av antalet antennelement och portar drog slutsatsen att högre riktningsförmåga inte motsvarar högre avverkningseffekt i omgivande RFEH under antagande av tredimensionell godtycklig incidens; detta verifierades genom fältmätningar i stadsmiljöer. Högförstärkningsmatriser kan begränsas till WPT-applikationer.
För att överföra fördelarna med högförstärkningsantenner till godtyckliga RFEH:er, används förpacknings- eller layoutlösningar för att övervinna direktivitetsproblemet. Ett armband med antenn med dubbla patcher föreslås för att hämta energi från omgivande Wi-Fi RFEH i två riktningar. Omgivande cellulära RFEH-antenner är också designade som 3D-boxar och tryckta eller fästa på externa ytor för att minska systemarean och möjliggöra skörd i flera riktningar. Kubiska rektennastrukturer uppvisar högre sannolikhet för energimottagning i omgivande RFEH.
Förbättringar av antenndesignen för att öka strålbredden, inklusive extra parasitiska patchelement, gjordes för att förbättra WPT vid 2,4 GHz, 4 × 1 arrayer. En 6 GHz mesh-antenn med flera strålområden föreslogs också, som visar flera strålar per port. Ytrektenner med flera portar och flera likriktare och antenner för energiskörd med rundstrålande strålningsmönster har föreslagits för flerriktad och multipolariserad RFEH. Multilikriktare med strålformande matriser och flerportsantennuppsättningar har också föreslagits för högförstärkning, flerriktad energiskörd.
Sammanfattningsvis, medan högförstärkningsantenner är att föredra för att förbättra effekten från låga RF-densiteter, är mycket riktade mottagare kanske inte idealiska i applikationer där sändarriktningen är okänd (t.ex. omgivande RFEH eller WPT genom okända utbredningskanaler). I detta arbete föreslås flera multi-beam tillvägagångssätt för multi-directional high-gain WPT och RFEH.
2. Antennpolarisering
Antennpolarisation beskriver rörelsen av den elektriska fältvektorn i förhållande till antennens utbredningsriktning. Polarisationsfel kan leda till minskad sändning/mottagning mellan antenner även när huvudlobens riktningar är inriktade. Till exempel, om en vertikal LP-antenn används för överföring och en horisontell LP-antenn används för mottagning, kommer ingen ström att tas emot. I det här avsnittet granskas rapporterade metoder för att maximera trådlös mottagningseffektivitet och undvika polarisationsfelanpassningsförluster. En sammanfattning av den föreslagna rektennaarkitekturen med avseende på polarisation ges i figur 6 och ett exempel på SoA ges i tabell 4.
Bild 6
I cellulär kommunikation är det osannolikt att linjär polariseringsinriktning mellan basstationer och mobiltelefoner uppnås, så basstationsantenner är designade att vara dubbelpolariserade eller multipolariserade för att undvika förluster av polarisationsfelanpassning. Emellertid förblir polarisationsvariationen av LP-vågor på grund av flervägseffekter ett olöst problem. Baserat på antagandet om multipolariserade mobila basstationer är cellulära RFEH-antenner utformade som LP-antenner.
CP-rektennor används huvudsakligen i WPT eftersom de är relativt resistenta mot missmatchning. CP-antenner kan ta emot CP-strålning med samma rotationsriktning (vänster- eller högerhänt CP) utöver alla LP-vågor utan effektförlust. Hur som helst sänder CP-antennen och LP-antennen tar emot med 3 dB förlust (50 % effektförlust). CP-rektennor rapporteras vara lämpliga för 900 MHz och 2,4 GHz och 5,8 GHz industriella, vetenskapliga och medicinska band samt millimetervågor. I RFEH för godtyckligt polariserade vågor representerar polarisationsdiversitet en potentiell lösning på polarisationsfelanpassningsförluster.
Full polarisering, även känd som multipolarisation, har föreslagits för att helt övervinna polarisationsfelanpassningsförluster, vilket möjliggör insamling av både CP- och LP-vågor, där två dubbelpolariserade ortogonala LP-element effektivt tar emot alla LP- och CP-vågor. För att illustrera detta förblir de vertikala och horisontella nettospänningarna (VV och VH) konstanta oavsett polarisationsvinkeln:
CP elektromagnetisk våg "E" elektriskt fält, där ström samlas in två gånger (en gång per enhet), för att därigenom ta emot CP-komponenten fullt ut och övervinna 3 dB polarisationsmissanpassningsförlusten:
Slutligen, genom DC-kombination, kan infallande vågor av godtycklig polarisation tas emot. Figur 7 visar geometrin för den rapporterade helt polariserade rektennan.
Figur 7
Sammanfattningsvis, i WPT-applikationer med dedikerade strömförsörjningar, är CP att föredra eftersom det förbättrar WPT-effektiviteten oberoende av antennens polarisationsvinkel. Å andra sidan, vid insamling av flera källor, särskilt från omgivande källor, kan helt polariserade antenner uppnå bättre övergripande mottagning och maximal portabilitet; Arkitekturer med flera portar/multilikriktare krävs för att kombinera helt polariserad effekt vid RF eller DC.
Sammanfattning
Denna artikel går igenom de senaste framstegen inom antenndesign för RFEH och WPT, och föreslår en standardklassificering av antenndesign för RFEH och WPT som inte har föreslagits i tidigare litteratur. Tre grundläggande antennkrav för att uppnå hög RF-till-DC-effektivitet har identifierats som:
1. Antennlikriktarimpedansbandbredd för RFEH- och WPT-banden av intresse;
2. Huvudlobsinriktning mellan sändare och mottagare i WPT från en dedikerad matning;
3. Polarisationsmatchning mellan rektennan och den infallande vågen oavsett vinkel och position.
Baserat på impedans klassificeras rektennor i 50Ω och likriktarkonjugerade rektennor, med fokus på impedansmatchning mellan olika band och belastningar och effektiviteten för varje matchningsmetod.
Strålningsegenskaperna hos SoA-rektennor har granskats ur ett perspektiv av riktverkan och polarisering. Metoder för att förbättra förstärkningen genom strålformning och packning för att övervinna smala strålbredder diskuteras. Slutligen granskas CP-rektennor för WPT, tillsammans med olika implementeringar för att uppnå polarisationsoberoende mottagning för WPT och RFEH.
För att lära dig mer om antenner, besök:
Posttid: 2024-aug-16
