Samdesign av antenn och likriktare
Det som kännetecknar rektennor som följer EG-topologin i figur 2 är att antennen är direkt matchad till likriktaren, snarare än 50Ω-standarden, vilket kräver att matchningskretsen för att driva likriktaren minimeras eller elimineras. Detta avsnitt granskar fördelarna med SoA-rektennor med antenner som inte är 50Ω och rektennor utan matchningsnätverk.
1. Elektriskt små antenner
LC-resonansringantenner har använts flitigt i tillämpningar där systemstorleken är kritisk. Vid frekvenser under 1 GHz kan våglängden göra att standardantenner med distribuerade element upptar mer utrymme än systemets totala storlek, och tillämpningar som helt integrerade sändtagare 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 direktkoppla likriktaren eller med ett ytterligare kapacitivt matchningsnätverk på chipet. 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. Likriktarkonjugatantenn
Den typiska ingångsimpedansen för en diod är högkapacitiv, så en induktiv antenn krävs för att uppnå konjugatimpedans. På grund av chipets kapacitiva impedans har högimpedansinduktiva antenner använts i stor utsträckning i RFID-taggar. Dipolantenner har nyligen blivit en trend bland RFID-antenner med komplex impedans, och uppvisar hög impedans (resistans och reaktans) nära sin resonansfrekvens.
Induktiva dipolantenner har använts för att matcha likriktarens höga kapacitans i det aktuella frekvensbandet. I en vikt dipolantenn fungerar den dubbla korta ledningen (dipolvikning) som en impedanstransformator, vilket möjliggör utformningen av en antenn med extremt hög impedans. Alternativt är biasmatning ansvarig för att öka den induktiva reaktansen såväl som den faktiska impedansen. Genom att kombinera flera förspända dipolelement med obalanserade radiella bow-tie-antenner bildas en dubbel bredbandsantenn med hög impedans. Figur 4 visar några rapporterade likriktarkonjugatantenner.
Figur 4
Strålningsegenskaper i RFEH och WPT
I Friis-modellen är effekten PRX som tas emot av en antenn på avståndet d från sändaren en direkt funktion av mottagarens och sändarens förstärkningar (GRX, GTX).
Antennens huvudlobriktning och polarisering påverkar direkt mängden effekt som samlas in från den infallande vågen. Antennstrålningsegenskaper är viktiga parametrar som skiljer mellan omgivande RFEH och WPT (Figur 5). Även om utbredningsmediet kan vara okänt i båda tillämpningarna och dess effekt på den mottagna vågen måste beaktas, kan kunskap om den sändande antennen utnyttjas. Tabell 3 identifierar de viktigaste parametrarna som diskuteras i detta avsnitt och deras tillämplighet på RFEH och WPT.
Figur 5
1. Riktningsförmåga och förstärkning
I de flesta RFEH- och WPT-tillämpningar antas det att samlaren inte känner till riktningen för den infallande strålningen och att det inte finns någon siktlinje (LoS). I detta arbete har flera antenndesigner och placeringar undersökts för att maximera den mottagna effekten från en okänd källa, oberoende av huvudlobens inriktning mellan sändare och mottagare.
Rundstrålande antenner har använts flitigt i miljömässiga RFEH-rektennor. 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 polarisationsmissmatchning.
Förutom RFEH-tillämpningar har högförstärkande riktantenner och matriser rapporterats i stor utsträckning för mikrovågs-WPT för att förbättra insamlingseffektiviteten vid låg RF-effekttäthet eller övervinna utbredningsförluster. Yagi-Uda-rektennamatriser, bowtie-matriser, spiralmatriser, tätt kopplade Vivaldi-matriser, CPW CP-matriser och patchmatriser är bland de skalbara rektennaimplementeringarna som kan maximera den infallande effekttätheten under ett visst område. Andra metoder för att förbättra antennförstärkningen inkluderar substratintegrerad vågledarteknik (SIW) i mikrovågs- och millimetervågsband, specifikt för WPT. Högförstärkande rektennor kännetecknas dock av smala strålbredder, vilket gör mottagning av vågor i godtyckliga riktningar ineffektiv. Undersökningar av antalet antennelement och portar drog slutsatsen att högre riktningsverkan inte motsvarar högre skördad effekt i omgivande RFEH förutsatt tredimensionell godtycklig incidens; detta verifierades genom fältmätningar i stadsmiljöer. Högförstärkande matriser kan begränsas till WPT-tillämpningar.
För att överföra fördelarna med högförstärkande antenner till godtyckliga RFEH:er används paketerings- eller layoutlösningar för att övervinna riktningsproblemet. Ett armband med dubbel patch för antenn föreslås för att skörda energi från omgivande Wi-Fi RFEH:er i två riktningar. Omgivande cellulära RFEH-antenner är också utformade som 3D-lådor 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:er.
Förbättringar av antenndesignen för att öka strålbredden, inklusive hjälpparasitiska patchelement, gjordes för att förbättra WPT vid 2,4 GHz, 4 × 1-matriser. En 6 GHz nätantenn med flera strålregioner föreslogs också, vilket demonstrerar flera strålar per port. Flerports-, flerlikriktar-yt-rektennor och energiskördande antenner med omnidirektionella strålningsmönster har föreslagits för flerdirektionell och multipolariserad RFEH. Multilikriktare med strålformningsmatriser och flerportsantennmatriser har också föreslagits för högförstärkande, flerdirektionell energiskörd.
Sammanfattningsvis, medan högförstärkande antenner är att föredra för att förbättra effekten som skördas från låga RF-densiteter, kanske högdirektionella mottagare inte är idealiska i tillämpningar där sändarriktningen är okänd (t.ex. omgivande RFEH eller WPT genom okända utbredningskanaler). I detta arbete föreslås flera flerstrålningsmetoder för flerdirektionell högförstärkande WPT och RFEH.
2. Antennpolarisering
Antennpolarisering beskriver förflyttningen av det elektriska fältet i förhållande till antennens utbredningsriktning. Polarisationsfelmatchningar kan leda till minskad sändning/mottagning mellan antenner även när huvudlobriktningarna är i linje. Om till exempel en vertikal LP-antenn används för sändning och en horisontell LP-antenn används för mottagning, kommer ingen effekt att tas emot. I detta avsnitt granskas rapporterade metoder för att maximera trådlös mottagningseffektivitet och undvika förluster på grund av polarisationsfelmatchningar. En sammanfattning av den föreslagna rektennaarkitekturen med avseende på polarisering ges i figur 6 och ett exempel på SoA ges i tabell 4.
Figur 6
Inom cellulär kommunikation är det osannolikt att linjär polarisationsjustering mellan basstationer och mobiltelefoner uppnås, så basstationsantenner är utformade för att vara dubbelpolariserade eller multipolariserade för att undvika förluster på grund av polarisationsmissmatchning. Polarisationsvariationen hos LP-vågor på grund av flervägseffekter är dock fortfarande 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. I vilket fall som helst sänder CP-antennen och LP-antennen tar emot med en förlust på 3 dB (50 % effektförlust). CP-rektennor rapporteras vara lämpliga för industriella, vetenskapliga och medicinska band på 900 MHz och 2,4 GHz och 5,8 GHz samt millimetervågor. I RFEH med godtyckligt polariserade vågor representerar polarisationsdiversitet en potentiell lösning på förluster orsakade av polarisationsmissmatchning.
Full polarisering, även känd som multipolarisering, har föreslagits för att helt övervinna förluster på grund av polarisationsmissmatchning, 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 nätspänningarna (VV och VH) konstanta oavsett polarisationsvinkel:
CP elektromagnetisk våg "E" elektriskt fält, där effekt samlas in två gånger (en gång per enhet), varigenom CP-komponenten tas emot helt och hållet och polarisationsmissmatchningsförlusten på 3 dB övervinns:
Slutligen, genom DC-kombination, kan infallande vågor med godtycklig polarisering tas emot. Figur 7 visar geometrin för den rapporterade helt polariserade rektennan.
Figur 7
Sammanfattningsvis är CP att föredra i WPT-applikationer med dedikerade strömförsörjningar eftersom det förbättrar WPT-effektiviteten oavsett antennens polarisationsvinkel. Å andra sidan, vid mottagning från flera källor, särskilt från omgivande källor, kan helt polariserade antenner uppnå bättre total mottagning och maximal portabilitet; multiports-/multilikriktararkitekturer krävs för att kombinera helt polariserad effekt vid RF eller DC.
Sammanfattning
Denna artikel granskar 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. Antennlikriktarens impedansbandbredd för de aktuella RFEH- och WPT-banden;
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 samt effektiviteten hos varje matchningsmetod.
Strålningsegenskaperna hos SoA-rektennor har granskats ur ett riktnings- och polariseringsperspektiv. Metoder för att förbättra förstärkningen genom strålformning och paketering för att övervinna smal strålbredd 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:
Publiceringstid: 16 augusti 2024
