Co-disseny antena-rectificador
La característica de les rectennes que segueixen la topologia EG de la figura 2 és que l'antena s'adapta directament al rectificador, en lloc de l'estàndard de 50Ω, que requereix minimitzar o eliminar el circuit de concordança per alimentar el rectificador. En aquesta secció es revisen els avantatges de les rectennes SoA amb antenes sense 50Ω i les rectennes sense xarxes coincidents.
1. Antenes elèctricament petites
Les antenes d'anell de ressonància 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 els transceptors totalment integrats per a implants corporals es beneficien particularment de l'ús d'antenes elèctricament petites per a WPT.
L'alta impedància inductiva de l'antena petita (prop de ressonància) es pot utilitzar per acoblar directament el rectificador o amb una xarxa de concordança capacitiva addicional al xip. S'han informat antenes elèctricament petites a WPT amb LP i CP per sota d'1 GHz utilitzant antenes dipols Huygens, amb ka=0,645, mentre que ka=5,91 en dipols normals (ka=2πr/λ0).
2. Antena conjugada del rectificador
La impedància d'entrada típica d'un díode és altament capacitiva, de manera que es necessita 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 a les etiquetes RFID. Les antenes dipols s'han convertit recentment en una tendència en les antenes RFID d'impedància complexa, que presenten una alta impedància (resistència i reactància) prop de la seva freqüència de ressonància.
S'han utilitzat antenes dipols inductives per fer coincidir l'alta capacitat del rectificador a la banda de freqüència d'interès. En una antena dipol plegada, la doble línia curta (plegament dipol) actua com un transformador d'impedància, permetent el disseny d'una antena d'impedància extremadament alta. Alternativament, l'alimentació de biaix és responsable d'augmentar la reactància inductiva així com la impedància real. La combinació de múltiples elements dipols esbiaixats amb talons radials de corbata desequilibrats forma una antena d'alta impedància de doble banda ampla. La figura 4 mostra algunes antenes conjugades del rectificador informades.
Figura 4
Característiques de la radiació en RFEH i WPT
En el model 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 afecten directament la quantitat d'energia recollida de l'ona incident. Les característiques de la radiació de l'antena són paràmetres clau que diferencien entre RFEH ambiental i WPT (Figura 5). Si bé 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 de transmissió. La taula 3 identifica els paràmetres clau tractats en aquesta secció i la seva aplicabilitat a RFEH i WPT.
Figura 5
1. Directivitat i guany
En la majoria de les aplicacions RFEH i WPT, se suposa que el col·lector no coneix la direcció de la radiació incident i no hi ha cap camí de visió (LoS). En aquest treball, s'han investigat múltiples dissenys i ubicacions 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 les rectenes ambientals RFEH. A la literatura, el PSD varia en funció de l'orientació de l'antena. No obstant això, la variació de la 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 un desajust de polarització.
A més de les aplicacions RFEH, s'han informat àmpliament antenes direccionals i matrius d'alt guany per a 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 rectenna Yagi-Uda, les matrius de corbata, les matrius en espiral, les matrius Vivaldi estretament acoblades, les matrius de CPW CP i les matrius de pedaços es troben entre les implementacions de rectenna escalables que poden maximitzar la densitat de potència incident sota una àrea determinada. Altres enfocaments per millorar el guany de l'antena inclouen la tecnologia de guia d'ona integrada en substrat (SIW) en bandes d'ones de microones i mil·límetres, específiques per a WPT. Tanmateix, les rectennes d'alt guany es caracteritzen per amples de feix estrets, cosa que fa que la recepció d'ones en direccions arbitràries sigui ineficient. Les investigacions sobre el nombre d'elements d'antena i ports van concloure que una directivitat més alta no correspon a una potència collida més gran en RFEH ambiental assumint una incidència arbitrària tridimensional; això es va comprovar mitjançant mesures de camp en entorns urbans. Les matrius d'alt guany es poden limitar a aplicacions WPT.
Per transferir els avantatges de les antenes d'alt guany a RFEH arbitràries, s'utilitzen solucions d'embalatge o disseny per superar el problema de la directivitat. Es proposa una polsera d'antena de doble pegat per recollir energia dels RFEH Wi-Fi ambientals en dues direccions. Les antenes RFEH cel·lulars ambientals també estan dissenyades 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 de rectenna cúbica presenten una major probabilitat de recepció d'energia en els RFEH ambientals.
Es van fer millores en el disseny de l'antena per augmentar l'amplada del feix, inclosos els elements de pegat paràsits auxiliars, per millorar el WPT a 2,4 GHz, matrius 4 × 1. També es va proposar una antena de malla de 6 GHz amb diverses regions de feix, demostrant múltiples feixs per port. S'han proposat rectenes de superfície multi-port, multi-rectificadors i antenes de recollida d'energia amb patrons de radiació omnidireccionals per a RFEH multidireccional i multipolaritzat. També s'han proposat múltiples rectificadors amb matrius de formació de feix i matrius d'antenes multiport per a la recollida d'energia multidireccional i d'alt guany.
En resum, mentre que les antenes d'alt guany es prefereixen per millorar la potència recollida a partir de baixes densitats de RF, els receptors altament direccionals poden no ser ideals en aplicacions on es desconeix la direcció del transmissor (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 multidireccionals d'alt guany.
2. Polarització de l'antena
La polarització de l'antena descriu el moviment del vector del camp elèctric en relació amb la direcció de propagació de l'antena. Els desajustos de polarització poden provocar 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 informats per maximitzar l'eficiència de la recepció sense fil i evitar pèrdues de desajust de polarització. A la figura 6 es presenta un resum de l'arquitectura de rectenna proposada pel que fa a la polarització i a la taula 4 es dóna un exemple de SoA.
Figura 6
En les comunicacions cel·lulars, és poc probable que s'aconsegueixi l'alineació de polarització lineal entre les estacions base i els telèfons mòbils, de manera que les antenes de les estacions base estan dissenyades per ser bipolaritzades o multipolaritzades per evitar pèrdues de desajust de polarització. Tanmateix, la variació de polarització de les ones LP a causa dels efectes de múltiples camins segueix sent un problema sense resoldre. A partir del supòsit de les estacions base mòbils multipolaritzades, les antenes RFEH cel·lulars estan dissenyades com a antenes LP.
Les rectennes CP s'utilitzen principalment a WPT perquè són relativament resistents al desajust. 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). S'informa que les rectennes CP són adequades per a bandes industrials, científiques i mèdiques de 900 MHz i 2,4 GHz i 5,8 GHz, així com ones mil·límetres. En RFEH d'ones polaritzades arbitràriament, la diversitat de polarització representa una solució potencial a les pèrdues de desajust de polarització.
La polarització completa, també coneguda com a multipolarització, s'ha proposat per superar completament les pèrdues de desajust de polarització, permetent la recollida d'ones CP i LP, on dos elements LP ortogonals de doble polarització reben eficaçment totes les ones LP i CP. Per il·lustrar-ho, les tensions netes verticals i horitzontals (VV i VH) es mantenen 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 corrent continu, es poden rebre ones incidents de polarització arbitrària. La figura 7 mostra la geometria de la rectena totalment polaritzada.
Figura 7
En resum, a les aplicacions WPT amb fonts d'alimentació dedicades, es prefereix CP perquè millora l'eficiència WPT independentment de l'angle de polarització de l'antena. D'altra banda, en l'adquisició multifont, especialment a partir de fonts ambientals, les antenes totalment polaritzades poden aconseguir una millor recepció global i la màxima portabilitat; Es requereixen arquitectures multiport/multi-rectificadors per combinar potència totalment polaritzada a RF o DC.
Resum
Aquest article revisa els avenços 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 anterior. S'han identificat tres requisits bàsics d'antena per aconseguir una alta eficiència de RF a CC:
1. Ample de banda d'impedància del rectificador d'antena per a les bandes d'interès RFEH i WPT;
2. Alineació del lòbul principal entre transmissor i receptor en WPT a partir d'una alimentació dedicada;
3. Coincidència de polarització entre la rectena i l'ona incident independentment de l'angle i la posició.
En funció de la impedància, les rectennes es classifiquen en rectennes de 50Ω i rectennes conjugades de rectificador, amb un enfocament en la concordança d'impedància entre diferents bandes i càrregues i l'eficiència de cada mètode de concordança.
Les característiques de radiació de les rectennes SoA s'han revisat 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'ample de feix estret. Finalment, es revisen les rectennes CP per a WPT, juntament amb diverses implementacions per aconseguir una recepció independent de la polarització per a WPT i RFEH.
Per obtenir més informació sobre les antenes, visiteu:
Hora de publicació: 16-agost-2024
