Съвместно проектиране на антена и токоизправител
Характеристиката на ректенните, следващи EG топологията на Фигура 2, е, че антената е директно съгласувана с токоизправителя, а не по стандарта 50Ω, което изисква минимизиране или елиминиране на съгласуващата верига за захранване на токоизправителя. Този раздел разглежда предимствата на SoA ректенните с антени, различни от 50Ω, и ректенните без съгласуващи мрежи.
1. Електрически малки антени
LC резонансните пръстеновидни антени са широко използвани в приложения, където размерът на системата е от решаващо значение. При честоти под 1 GHz, дължината на вълната може да доведе до това стандартните антени с разпределени елементи да заемат повече място от общия размер на системата, а приложения като напълно интегрирани приемо-предаватели за телесни импланти се възползват особено от използването на електрически малки антени за безжично пренасяне на енергия (WPT).
Високият индуктивен импеданс на малката антена (близо до резонанс) може да се използва за директно свързване на токоизправителя или с допълнителна вградена капацитивна съгласуваща мрежа. Съобщава се за електрически малки антени в WPT с LP и CP под 1 GHz, използващи диполни антени на Хюйгенс, с ka=0.645, докато ka=5.91 в нормални диполи (ka=2πr/λ0).
2. Антена с токоизправител
Типичният входен импеданс на диода е силно капацитивен, така че е необходима индуктивна антена, за да се постигне спрегнат импеданс. Поради капацитивния импеданс на чипа, високоимпедансните индуктивни антени са широко използвани в RFID етикетите. Диполните антени напоследък се превърнаха в тенденция при RFID антените със сложен импеданс, показвайки висок импеданс (съпротивление и реактивно съпротивление) близо до тяхната резонансна честота.
Индуктивни диполни антени са били използвани за съгласуване на високия капацитет на токоизправителя в интересуващата честотна лента. В сгъната диполна антена, двойната къса линия (сгъване на дипола) действа като импедансен трансформатор, което позволява проектирането на антена с изключително висок импеданс. Алтернативно, захранването с напрежение е отговорно за увеличаване на индуктивното съпротивление, както и на действителния импеданс. Комбинирането на множество диполни елементи с напрежение с небалансирани радиални накрайници тип „папионка“ образува двойна широколентова антена с висок импеданс. Фигура 4 показва някои съобщени спрегнати с токоизправител антени.
Фигура 4
Радиационни характеристики в RFEH и WPT
В модела на Friis, мощността PRX, получена от антена на разстояние d от предавателя, е пряка функция на усилването на приемника и предавателя (GRX, GTX).
Насочеността и поляризацията на главния лоб на антената пряко влияят върху количеството мощност, събрана от падащата вълна. Характеристиките на излъчването на антената са ключови параметри, които разграничават околния RFEH от WPT (Фигура 5). Въпреки че и в двете приложения средата на разпространение може да е неизвестна и нейното влияние върху приеманата вълна трябва да се вземе предвид, познаването на предаващата антена може да се използва. Таблица 3 идентифицира ключовите параметри, обсъдени в този раздел, и тяхната приложимост към RFEH и WPT.
Фигура 5
1. Насоченост и усилване
В повечето приложения на RFEH и WPT се приема, че колекторът не знае посоката на падащото лъчение и няма път по линия на видимост (LoS). В тази работа са изследвани множество конструкции и разположения на антени, за да се максимизира приеманата мощност от неизвестен източник, независимо от подравняването на главния лоб между предавателя и приемника.
Всепосочните антени са широко използвани в екологични RFEH ректенни. В литературата PSD варира в зависимост от ориентацията на антената. Въпреки това, вариацията в мощността не е обяснена, така че не е възможно да се определи дали вариацията се дължи на диаграмата на излъчване на антената или на поляризационно несъответствие.
В допълнение към приложенията на радиочестотните енергийни източници (RFEH), широко се съобщава за насочени антени и решетки с висок коефициент на усилване за микровълнови безжични преносни системи (WPT), за да се подобри ефективността на събиране на ниска плътност на радиочестотната мощност или да се преодолеят загубите от разпространение. Решетките с ректена Yagi-Uda, решетките тип „папионка“, спиралните решетки, тясно свързаните решетки Vivaldi, CPW CP решетките и решетките с пластир са сред мащабируемите реализации на ректенни, които могат да максимизират плътността на падащата мощност в определена област. Други подходи за подобряване на усилването на антената включват технологията с интегриран в субстрата вълновод (SIW) в микровълновите и милиметровите вълнови диапазони, специфични за WPT. Решетките с висок коефициент на усилване обаче се характеризират с тясна ширина на лъча, което прави приемането на вълни в произволни посоки неефективно. Изследванията на броя на антенните елементи и портове заключиха, че по-високата насоченост не съответства на по-висока събрана мощност в околния RFEH, приемайки триизмерно произволно падане; това беше потвърдено чрез полеви измервания в градска среда. Решетките с висок коефициент на усилване могат да бъдат ограничени до приложения на WPT.
За да се прехвърлят предимствата на антените с висок коефициент на усилване към произволни радиочестотни енергийни изходи (RFEH), се използват решения за опаковане или оформление, за да се преодолее проблемът с насочеността. Предлага се гривна с двойна антена, която да събира енергия от околните Wi-Fi RFEH в две посоки. Околните клетъчни RFEH антени също са проектирани като 3D кутии и са отпечатани или залепени към външни повърхности, за да се намали площта на системата и да се даде възможност за многопосочно събиране. Кубичните ректенни структури показват по-висока вероятност за приемане на енергия в околните RFEH.
Направени са подобрения в дизайна на антената за увеличаване на ширината на лъча, включително спомагателни паразитни елементи, за да се подобри WPT при 2.4 GHz, 4 × 1 решетки. Предложена е и 6 GHz мрежова антена с множество лъчеви области, демонстрираща множество лъчи на порт. Предложени са многопортови, многотокоизправителни повърхностни ректени и антени за събиране на енергия с всепосочни диаграми на излъчване за многопосочно и многополяризирано RFEH. Предложени са също многотокоизправители с матрици за формиране на лъча и многопортови антенни решетки за събиране на енергия с високо усилване и многопосочно.
В обобщение, макар че антените с висок коефициент на усилване са предпочитани за подобряване на мощността, добита от ниски радиочестотни плътности, силно насочените приемници може да не са идеални в приложения, където посоката на предавателя е неизвестна (напр. околна радиочестотна емисия (RFEH) или широколентова преходна антена (WPT) през неизвестни канали за разпространение). В тази работа са предложени множество многолъчеви подходи за многопосочна WPT и RFEH с висок коефициент на усилване.
2. Поляризация на антената
Поляризацията на антената описва движението на вектора на електрическото поле спрямо посоката на разпространение на антената. Несъответствията в поляризацията могат да доведат до намалено предаване/приемане между антените, дори когато посоките на главните лобове са подравнени. Например, ако за предаване се използва вертикална LP антена, а за приемане - хоризонтална LP антена, няма да се приема мощност. В този раздел са разгледани докладваните методи за максимизиране на ефективността на безжичното приемане и избягване на загуби от несъответствия в поляризацията. Обобщение на предложената архитектура на ректенната по отношение на поляризацията е дадено на Фигура 6, а примерен SoA е даден в Таблица 4.
Фигура 6
В клетъчните комуникации е малко вероятно да се постигне линейно подравняване на поляризацията между базовите станции и мобилните телефони, така че антените на базовите станции са проектирани да бъдат двойно- или многополяризирани, за да се избегнат загуби от несъответствие в поляризацията. Въпреки това, вариацията на поляризацията на LP вълните, дължаща се на многопътни ефекти, остава нерешен проблем. Въз основа на предположението за многополяризирани мобилни базови станции, клетъчните RFEH антени са проектирани като LP антени.
CP ректенните се използват главно в безжични фотоволтаични устройства (WPT), защото са относително устойчиви на несъответствие. CP антените са способни да приемат CP лъчение със същата посока на въртене (лява или дясна CP) в допълнение към всички LP вълни без загуба на мощност. Във всеки случай, CP антената предава, а LP антената приема със загуба от 3 dB (50% загуба на мощност). Съобщава се, че CP ректенните са подходящи за промишлени, научни и медицински диапазони 900 MHz, 2,4 GHz и 5,8 GHz, както и за милиметрови вълни. В RFEH на произволно поляризирани вълни, поляризационното разнообразие представлява потенциално решение за загубите от поляризационно несъответствие.
Пълната поляризация, известна още като мултиполяризация, е предложена за пълно преодоляване на загубите от поляризационно несъответствие, позволявайки събирането както на CP, така и на LP вълни, където два двойно поляризирани ортогонални LP елемента ефективно приемат всички LP и CP вълни. За да илюстрираме това, вертикалното и хоризонталното мрежово напрежение (VV и VH) остават постоянни, независимо от ъгъла на поляризация:
CP електромагнитна вълна „E“ електрическо поле, където мощността се събира два пъти (веднъж на единица), като по този начин се приема напълно CP компонентът и се преодолява загубата от 3 dB поради несъответствие на поляризацията:
Накрая, чрез DC комбинация, могат да се приемат падащи вълни с произволна поляризация. Фигура 7 показва геометрията на докладваната напълно поляризирана ректена.
Фигура 7
В обобщение, в приложенията за безжично пренос на енергия (WPT) със специални захранвания, CP е предпочитан, защото подобрява ефективността на WPT, независимо от ъгъла на поляризация на антената. От друга страна, при събиране на сигнали от множество източници, особено от околни източници, напълно поляризираните антени могат да постигнат по-добро общо приемане и максимална преносимост; необходими са многопортови/многотокоизправителни архитектури, за да се комбинира напълно поляризирана мощност при радиочестотна или постоянна честота.
Обобщение
Тази статия разглежда последния напредък в проектирането на антени за RFEH и WPT и предлага стандартна класификация на проектирането на антени за RFEH и WPT, която не е била предложена в предишна литература. Идентифицирани са три основни изисквания за антена за постигане на висока ефективност на RF към DC, а именно:
1. Ширина на лентата на импеданса на антенния токоизправител за интересуващите ни RFEH и WPT диапазони;
2. Подравняване на главния лоб между предавателя и приемника в безжичното захранване (WPT) от специално захранване;
3. Поляризационно съвпадение между ректената и падащата вълна, независимо от ъгъла и позицията.
Въз основа на импеданса, ректенните се класифицират в 50Ω и токоизправително спрегнати ректенни, с акцент върху импедансното съгласуване между различните ленти и натоварвания и ефективността на всеки метод за съгласуване.
Радиационните характеристики на SoA ректенните са разгледани от гледна точка на насочеността и поляризацията. Дискутират се методи за подобряване на усилването чрез формиране на лъча и пакетиране, за да се преодолее тясната ширина на лъча. Накрая са разгледани CP ректенните за WPT, заедно с различни реализации за постигане на независимо от поляризация приемане за WPT и RFEH.
За да научите повече за антените, моля, посетете:
Време на публикуване: 16 август 2024 г.
