Codisseny d'antena-rectificador
La característica de les rectenes que segueixen la topologia EG de la Figura 2 és que l'antena s'adapta directament al rectificador, en lloc de l'estàndard de 50 Ω, cosa que requereix minimitzar o eliminar el circuit d'adaptació per alimentar el rectificador. Aquesta secció revisa els avantatges de les rectenes SoA amb antenes que no són de 50 Ω i les rectenes sense xarxes d'adaptació.
1. Antenes elèctricament petites
Les antenes d'anell ressonant LC s'han utilitzat àmpliament en aplicacions on la mida del sistema és crítica. A freqüències inferiors a 1 GHz, la longitud d'ona pot fer que les antenes d'elements distribuïts estàndard ocupin més espai que la mida total del sistema, i aplicacions com ara transceptors totalment integrats per a implants corporals es beneficien especialment de l'ús d'antenes elèctricament petites per a WPT.
L'alta impedància inductiva de la petita antena (gairebé ressonant) es pot utilitzar per acoplar directament el rectificador o amb una xarxa d'adaptació capacitiva addicional en el xip. S'han descrit antenes elèctricament petites en WPT amb LP i CP per sota d'1 GHz utilitzant antenes dipol de Huygens, amb ka=0,645, mentre que ka=5,91 en dipols normals (ka=2πr/λ0).
2. Antena rectificadora conjugada
La impedància d'entrada típica d'un díode és altament capacitiva, per la qual cosa es requereix una antena inductiva per aconseguir una impedància conjugada. A causa de la impedància capacitiva del xip, les antenes inductives d'alta impedància s'han utilitzat àmpliament en etiquetes RFID. Les antenes dipol s'han convertit recentment en una tendència en les antenes RFID d'impedància complexa, presentant una alta impedància (resistència i reactància) prop de la seva freqüència de ressonància.
S'han utilitzat antenes dipolars inductives per adaptar-se a l'alta capacitança del rectificador a la banda de freqüència d'interès. En una antena dipolar plegada, la doble línia curta (plegament dipolar) actua com a transformador d'impedància, permetent el disseny d'una antena d'impedància extremadament alta. Alternativament, l'alimentació de polarització és responsable d'augmentar la reactància inductiva, així com la impedància real. La combinació de múltiples elements dipolars polaritzats amb talls radials de tipus llaç desequilibrats forma una antena d'alta impedància de doble banda ampla. La figura 4 mostra algunes antenes conjugades de rectificador descrites.
Figura 4
Característiques de la radiació en RFEH i WPT
En el model de Friis, la potència PRX rebuda per una antena a una distància d del transmissor és una funció directa dels guanys del receptor i del transmissor (GRX, GTX).
La directivitat i la polarització del lòbul principal de l'antena impacten directament en la quantitat de potència recollida de l'ona incident. Les característiques de radiació de l'antena són paràmetres clau que diferencien entre RFEH ambient i WPT (Figura 5). Tot i que en ambdues aplicacions el medi de propagació pot ser desconegut i cal tenir en compte el seu efecte sobre l'ona rebuda, es pot aprofitar el coneixement de l'antena transmissora. La Taula 3 identifica els paràmetres clau que es discuteixen en aquesta secció i la seva aplicabilitat a RFEH i WPT.
Figura 5
1. Directivitat i guany
En la majoria d'aplicacions RFEH i WPT, se suposa que el col·lector no coneix la direcció de la radiació incident i que no hi ha cap trajectòria en línia de visió (LoS). En aquest treball, s'han investigat múltiples dissenys i col·locacions d'antenes per maximitzar la potència rebuda d'una font desconeguda, independentment de l'alineació del lòbul principal entre el transmissor i el receptor.
Les antenes omnidireccionals s'han utilitzat àmpliament en antenes rectes RFEH ambientals. A la literatura, la PSD varia segons l'orientació de l'antena. Tanmateix, la variació de potència no s'ha explicat, per la qual cosa no és possible determinar si la variació es deu al patró de radiació de l'antena o a una desajust de polarització.
A més de les aplicacions RFEH, s'han descrit àmpliament antenes i matrius direccionals d'alt guany per a la WPT de microones per millorar l'eficiència de recollida de baixa densitat de potència de RF o superar les pèrdues de propagació. Les matrius de rectena Yagi-Uda, les matrius de corbata de pols, les matrius en espiral, les matrius Vivaldi fortament acoblades, les matrius CPW CP i les matrius de pegats es troben entre les implementacions de rectena escalables que poden maximitzar la densitat de potència incident sota una determinada àrea. Altres enfocaments per millorar el guany de l'antena inclouen la tecnologia de guia d'ones integrada amb substrat (SIW) en bandes de microones i ones mil·limètriques, específica per a la WPT. Tanmateix, les rectenes d'alt guany es caracteritzen per amplades de feix estretes, cosa que fa que la recepció d'ones en direccions arbitràries sigui ineficient. Les investigacions sobre el nombre d'elements i ports d'antena van concloure que una directivitat més alta no correspon a una potència recollida més alta en RFEH ambiental assumint una incidència arbitrària tridimensional; això es va verificar mitjançant mesures de camp en entorns urbans. Les matrius d'alt guany es poden limitar a les aplicacions WPT.
Per transferir els beneficis de les antenes d'alt guany a RFEH arbitràries, s'utilitzen solucions d'empaquetament o disseny per superar el problema de la directivitat. Es proposa una polsera d'antena de doble pegat per recol·lectar energia dels RFEH Wi-Fi ambientals en dues direccions. Les antenes RFEH cel·lulars ambientals també es dissenyen com a caixes 3D i s'imprimeixen o s'adhereixen a superfícies externes per reduir l'àrea del sistema i permetre la recol·lecció multidireccional. Les estructures rectes cúbiques presenten una major probabilitat de recepció d'energia en RFEH ambientals.
Es van fer millores en el disseny de l'antena per augmentar l'amplada del feix, incloent-hi elements de pegat paràsit auxiliars, per millorar la WPT a 2,4 GHz, matrius 4 × 1. També es va proposar una antena de malla de 6 GHz amb múltiples regions de feix, que demostra múltiples feixos per port. S'han proposat rectenes de superfície multiport i multirectificador i antenes de recol·lecció d'energia amb patrons de radiació omnidireccionals per a RFEH multidireccional i multipolaritzada. També s'han proposat multirectificadors amb matrius de formació de feix i matrius d'antenes multiport per a la recol·lecció d'energia multidireccional d'alt guany.
En resum, mentre que es prefereixen les antenes d'alt guany per millorar la potència obtinguda de baixes densitats de RF, els receptors altament direccionals poden no ser ideals en aplicacions on la direcció del transmissor és desconeguda (per exemple, RFEH ambiental o WPT a través de canals de propagació desconeguts). En aquest treball, es proposen múltiples enfocaments multifeix per a WPT i RFEH d'alt guany multidireccionals.
2. Polarització de l'antena
La polarització de l'antena descriu el moviment del vector de camp elèctric respecte a la direcció de propagació de l'antena. Els desajustos de polarització poden conduir a una reducció de la transmissió/recepció entre antenes, fins i tot quan les direccions del lòbul principal estan alineades. Per exemple, si s'utilitza una antena LP vertical per a la transmissió i una antena LP horitzontal per a la recepció, no es rebrà energia. En aquesta secció, es revisen els mètodes descrits per maximitzar l'eficiència de la recepció sense fil i evitar les pèrdues per desajustament de polarització. A la Figura 6 es mostra un resum de l'arquitectura de rectena proposada respecte a la polarització i a la Taula 4 es mostra un exemple de SoA.
Figura 6
En les comunicacions cel·lulars, és poc probable que s'aconsegueixi una alineació de polarització lineal entre les estacions base i els telèfons mòbils, per la qual cosa les antenes de les estacions base estan dissenyades per ser de polarització dual o multipolaritzada per evitar pèrdues per desajust de polarització. Tanmateix, la variació de polarització de les ones LP a causa dels efectes de multicamí continua sent un problema sense resoldre. Basant-se en la suposició d'estacions base mòbils multipolaritzades, les antenes RFEH cel·lulars estan dissenyades com a antenes LP.
Les rectenes CP s'utilitzen principalment en WPT perquè són relativament resistents a la desajustament. Les antenes CP poden rebre radiació CP amb la mateixa direcció de rotació (CP esquerra o dreta) a més de totes les ones LP sense pèrdua de potència. En qualsevol cas, l'antena CP transmet i l'antena LP rep amb una pèrdua de 3 dB (50% de pèrdua de potència). Es diu que les rectenes CP són adequades per a bandes industrials, científiques i mèdiques de 900 MHz i 2,4 GHz i 5,8 GHz, així com per a ones mil·limètriques. En RFEH d'ones polaritzades arbitràriament, la diversitat de polarització representa una solució potencial a les pèrdues per desajustament de polarització.
La polarització completa, també coneguda com a multipolarització, s'ha proposat per superar completament les pèrdues per desajust de polarització, permetent la recollida d'ones CP i LP, on dos elements LP ortogonals de doble polarització reben efectivament totes les ones LP i CP. Per il·lustrar-ho, els voltatges nets verticals i horitzontals (VV i VH) romanen constants independentment de l'angle de polarització:
Camp elèctric "E" d'ona electromagnètica CP, on l'energia es recull dues vegades (una vegada per unitat), rebent així completament el component CP i superant la pèrdua de desajust de polarització de 3 dB:
Finalment, mitjançant la combinació de CC, es poden rebre ones incidents de polarització arbitrària. La figura 7 mostra la geometria de la rectena completament polaritzada reportada.
Figura 7
En resum, en aplicacions WPT amb fonts d'alimentació dedicades, es prefereix el CP perquè millora l'eficiència de la WPT independentment de l'angle de polarització de l'antena. D'altra banda, en l'adquisició multifont, especialment de fonts ambientals, les antenes totalment polaritzades poden aconseguir una millor recepció general i una portabilitat màxima; es requereixen arquitectures multiport/multirectificador per combinar potència totalment polaritzada a RF o CC.
Resum
Aquest article revisa els progressos recents en el disseny d'antenes per a RFEH i WPT, i proposa una classificació estàndard del disseny d'antenes per a RFEH i WPT que no s'ha proposat en la literatura prèvia. S'han identificat tres requisits bàsics d'antena per aconseguir una alta eficiència de RF a CC, com ara:
1. Amplada de banda d'impedància del rectificador d'antena per a les bandes RFEH i WPT d'interès;
2. Alineació del lòbul principal entre el transmissor i el receptor en WPT des d'una font dedicada;
3. Coincidència de polarització entre la rectena i l'ona incident independentment de l'angle i la posició.
Segons la impedància, les rectenes es classifiquen en rectenes de 50 Ω i rectenes de rectificador conjugat, amb un enfocament en l'adaptació d'impedància entre diferents bandes i càrregues i l'eficiència de cada mètode d'adaptació.
S'han revisat les característiques de radiació de les rectenes SoA des de la perspectiva de la directivitat i la polarització. Es discuteixen mètodes per millorar el guany mitjançant la formació de feix i l'empaquetament per superar l'amplada de feix estreta. Finalment, es revisen les rectenes CP per a WPT, juntament amb diverses implementacions per aconseguir una recepció independent de la polarització per a WPT i RFEH.
Per a més informació sobre les antenes, visiteu:
Data de publicació: 16 d'agost de 2024
