Съвместно проектиране на антена и токоизправител
Характеристиката на ректените, следващи EG топологията на фигура 2, е, че антената е директно съгласувана с токоизправителя, а не със стандарта 50Ω, което изисква минимизиране или елиминиране на съгласуващата верига за захранване на токоизправителя. Този раздел прави преглед на предимствата на SoA ректените с антени без 50Ω и ректени без съвпадащи мрежи.
1. Електрически малки антени
LC резонансните пръстеновидни антени са широко използвани в приложения, където размерът на системата е критичен. При честоти под 1 GHz дължината на вълната може да накара 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 WPT.
Високият индуктивен импеданс на малката антена (близо до резонанс) може да се използва за директно свързване на токоизправителя или с допълнителна капацитивна съгласувателна мрежа в чипа. Докладвани са 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 при нормални диполи (ka=2πr/λ0).
2. Конюгирана антена на токоизправител
Типичният входен импеданс на диод е силно капацитивен, така че е необходима индуктивна антена за постигане на спрегнат импеданс. Благодарение на капацитивния импеданс на чипа, индуктивните антени с висок импеданс са широко използвани в RFID таговете. Диполните антени напоследък се превърнаха в тенденция в RFID антените със сложен импеданс, показващи висок импеданс (съпротивление и реактивно съпротивление) близо до тяхната резонансна честота.
Използвани са индуктивни диполни антени, за да съответстват на високия капацитет на токоизправителя в интересуващата ни честотна лента. В сгъната диполна антена двойната къса линия (диполно сгъване) действа като импедансен трансформатор, което позволява проектирането на антена с изключително висок импеданс. Като алтернатива захранването с отклонение е отговорно за увеличаване на индуктивното съпротивление, както и на действителния импеданс. Комбинирането на множество предубедени диполни елементи с небалансирани радиални щифтове с папийонка образува двойна широколентова антена с висок импеданс. Фигура 4 показва някои докладвани конюгирани антени на токоизправител.
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 от 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 излъчване на антената са ключови параметри, които правят разлика между RFEH и WPT в околната среда (Фигура 5). Въпреки че и в двете приложения средата за разпространение може да е неизвестна и ефектът й върху приетата вълна трябва да се вземе предвид, познаването на предавателната 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 печалба
В повечето RFEH и WPT приложения се приема, че колекторът не знае посоката на падащото лъчение и няма път на линия на видимост (LoS). В тази работа са изследвани множество дизайни и разположение на антени, за да се увеличи максимално получената мощност от неизвестен източник, независимо от подравняването на главния лоб между предавателя и приемника.
Всенасочените антени са широко използвани в екологични RFEH ректени. В литературата PSD варира в зависимост от ориентацията на антената. Промяната в мощността обаче не е обяснена, така че не е възможно да се определи дали промяната се дължи на диаграмата на излъчване на антената или на несъответствие на поляризацията.
В допълнение към RFEH приложенията, насочени антени и решетки с високо усилване са широко докладвани за микровълнови WPT за подобряване на ефективността на събиране на ниска RF плътност на мощността или преодоляване на загубите при разпространение. Яги-Уда ректенни масиви, папийонки, спирални масиви, плътно свързани масиви на Вивалди, CPW CP масиви и пач масиви са сред мащабируемите ректенни реализации, които могат да увеличат максимално плътността на падащата мощност под определена област. Други подходи за подобряване на усилването на антената включват технология с интегриран вълновод (SIW) в микровълнови и милиметрови вълнови ленти, специфични за WPT. Въпреки това, ректените с голямо усилване се характеризират с тясна ширина на лъча, което прави приемането на вълни в произволни посоки неефективно. Изследванията на броя на елементите на антената и портовете стигнаха до заключението, че по-високата насоченост не съответства на по-висока събрана мощност в RFEH на околната среда, като се приеме триизмерно произволно падане; това беше потвърдено чрез полеви измервания в градска среда. Масивите с високо усилване могат да бъдат ограничени до WPT приложения.
За да се прехвърлят предимствата на антените с високо усилване към произволни RFEH, се използват решения за пакетиране или оформление, за да се преодолее проблемът с насочеността. Предлага се китка с двойна антена за събиране на 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. Структурите на кубичната ректена показват по-голяма вероятност за приемане на енергия в RFEH на околната среда.
Бяха направени подобрения в дизайна на антената за увеличаване на широчината на лъча, включително спомагателни паразитни пач елементи, за подобряване на WPT при 2,4 GHz, 4 × 1 решетки. Беше предложена и 6 GHz мрежеста антена с множество области на лъча, демонстриращи множество лъчи на порт. Предложени са повърхностни ректени с много портове и много токоизправители и антени за събиране на енергия с всепосочни модели на излъчване за многопосочни и многополяризирани RFEH. Мултиизправители с матрици за формиране на лъчи и многопортови антенни решетки също са предложени за многопосочно събиране на енергия с голямо усилване.
В обобщение, докато антените с голям коефициент на усилване са предпочитани за подобряване на мощността, събрана от ниски радиочестотни плътности, силно насочените приемници може да не са идеални в приложения, където посоката на предавателя е неизвестна (напр. околна RFEH или WPT през неизвестни канали за разпространение). В тази работа са предложени множество многолъчеви подходи за многопосочни WPT и RFEH с голямо усилване.
2. Поляризация на антената
Поляризацията на антената описва движението на вектора на електрическото поле спрямо посоката на разпространение на антената. Несъответствията на поляризацията могат да доведат до намалено предаване/приемане между антените, дори когато посоките на главните лобове са подравнени. Например, ако вертикална LP антена се използва за предаване и хоризонтална LP антена се използва за приемане, няма да се получи мощност. В този раздел са прегледани докладваните методи за максимизиране на ефективността на безжичното приемане и избягване на загуби от несъответствие на поляризацията. Обобщение на предложената архитектура на ректената по отношение на поляризацията е дадено на Фигура 6, а примерен SoA е даден в Таблица 4.
Фигура 6
При клетъчните комуникации е малко вероятно да се постигне линейно поляризационно подравняване между базовите станции и мобилните телефони, така че антените на базовите станции са проектирани да бъдат двойно поляризирани или мултиполяризирани, за да се избегнат загуби от несъответствие на поляризацията. Въпреки това, поляризационната вариация 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 ректените се използват главно в WPT, защото са относително устойчиви на несъответствие. CP антените могат 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 ректените са подходящи за 900 MHz и 2,4 GHz и 5,8 GHz промишлени, научни и медицински ленти, както и за милиметрови вълни. В RFEH на произволно поляризирани вълни поляризационното разнообразие представлява потенциално решение за загубите на поляризационно несъответствие.
Пълната поляризация, известна също като мулти-поляризация, е предложена за пълно преодоляване на загубите от несъответствие на поляризацията, позволявайки събирането както на CP, така и на LP вълни, където два двойно поляризирани ортогонални LP елемента ефективно получават всички LP и CP вълни. За да илюстрираме това, вертикалните и хоризонталните нетни напрежения (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 получава напълно CP компонента и се преодолява 3 dB загуба на поляризационно несъответствие:
И накрая, чрез комбинация от постоянен ток могат да бъдат получени инцидентни вълни с произволна поляризация. Фигура 7 показва геометрията на докладваната напълно поляризирана ректена.
Фигура 7
В обобщение, в WPT приложения със специални захранвания, CP е предпочитан, защото подобрява ефективността на WPT независимо от поляризационния ъгъл на антената. От друга страна, при придобиване от множество източници, особено от околни източници, напълно поляризираните антени могат да постигнат по-добро общо приемане и максимална преносимост; архитектурите с много портове/многоизправители са необходими за комбиниране на напълно поляризирана мощност при RF или DC.
Резюме
Този документ прави преглед на скорошния напредък в дизайна на антената за RFEH и WPT и предлага стандартна класификация на дизайна на антената за RFEH и WPT, която не е била предложена в предишна литература. Три основни изисквания към антената за постигане на висока ефективност RF към DC са определени като:
1. Честотна лента на импеданса на токоизправителя на антената за RFEH и WPT лентите, които представляват интерес;
2. Подравняване на главния лоб между предавател и приемник в WPT от специално захранване;
3. Съгласуване на поляризацията между ректената и падащата вълна, независимо от ъгъла и позицията.
Въз основа на импеданса, ректените се класифицират на 50Ω и конюгатни ректени с токоизправител, с акцент върху съвпадението на импеданса между различните ленти и натоварвания и ефективността на всеки метод за съвпадение.
Радиационните характеристики на SoA ректените са прегледани от гледна точка на насоченост и поляризация. Обсъждат се методи за подобряване на усилването чрез формиране на лъча и опаковане за преодоляване на тясната ширина на лъча. И накрая, CP ректените за WPT са прегледани, заедно с различни реализации за постигане на независимо от поляризацията приемане за WPT и RFEH.
За да научите повече за антените, моля посетете:
Време на публикуване: 16 август 2024 г
