Antenne-gelykrigter mede-ontwerp
Die kenmerk van rektennas wat die EG-topologie in Figuur 2 volg, is dat die antenna direk by die gelykrigter pas, eerder as die 50Ω-standaard, wat vereis dat die ooreenstemmende stroombaan geminimaliseer of uitgeskakel word om die gelykrigter aan te dryf. Hierdie afdeling hersien die voordele van SoA-rektennas met nie-50Ω-antennas en rektennas sonder bypassende netwerke.
1. Elektries klein antennas
LC-resonante ringantennas is wyd gebruik in toepassings waar stelselgrootte krities is. By frekwensies onder 1 GHz kan die golflengte veroorsaak dat standaard-verspreide element-antennas meer spasie in beslag neem as die algehele grootte van die stelsel, en toepassings soos volledig geïntegreerde transceivers vir liggaamsinplantings baat veral by die gebruik van elektries klein antennas vir WPT.
Die hoë induktiewe impedansie van die klein antenna (naby resonansie) kan gebruik word om die gelykrigter direk te koppel of met 'n addisionele on-chip kapasitiewe bypassende netwerk. Elektries klein antennas is gerapporteer in WPT met LP en CP onder 1 GHz met Huygens dipool antennas, met ka=0.645, terwyl ka=5.91 in normale dipole (ka=2πr/λ0).
2. Ligrigter gekonjugeerde antenna
Die tipiese insetimpedansie van 'n diode is hoogs kapasitief, so 'n induktiewe antenna is nodig om gekonjugeerde impedansie te verkry. As gevolg van die kapasitiewe impedansie van die skyfie, is hoë-impedansie induktiewe antennas wyd gebruik in RFID-etikette. Dipool-antennas het onlangs 'n neiging geword in komplekse impedansie RFID-antennas, wat hoë impedansie (weerstand en reaktansie) naby hul resonante frekwensie vertoon.
Induktiewe dipoolantennas is gebruik om die hoë kapasitansie van die gelykrigter in die frekwensieband van belang te pas. In 'n gevoude dipool antenna dien die dubbele kort lyn (dipool vou) as 'n impedansie transformator, wat die ontwerp van 'n uiters hoë impedansie antenna moontlik maak. Alternatiewelik is vooroordeelvoeding verantwoordelik vir die verhoging van die induktiewe reaktansie sowel as die werklike impedansie. Deur veelvuldige bevooroordeelde dipoolelemente te kombineer met ongebalanseerde boog-das radiale stompe vorm 'n dubbele breëband hoë impedansie antenna. Figuur 4 toon 'n paar gerapporteerde gelykrigter gekonjugeerde antennas.
Figuur 4
Bestralingskenmerke in RFEH en WPT
In die Friis-model is die krag PRX wat deur 'n antenna op 'n afstand d van die sender ontvang word, 'n direkte funksie van die ontvanger- en senderwins (GRX, GTX).
Die antenna se hooflob-rigting en polarisasie het 'n direkte impak op die hoeveelheid krag wat van die invallende golf ingesamel word. Antennastralingskenmerke is sleutelparameters wat onderskei tussen omgewings-RFEH en WPT (Figuur 5). Terwyl in beide toepassings die voortplantingsmedium onbekend kan wees en die effek daarvan op die ontvang golf in ag geneem moet word, kan kennis van die uitsaaiantenna ontgin word. Tabel 3 identifiseer die sleutelparameters wat in hierdie afdeling bespreek word en hul toepaslikheid op RFEH en WPT.
Figuur 5
1. Rigting en wins
In die meeste RFEH- en WPT-toepassings word aanvaar dat die versamelaar nie die rigting van die invallende straling ken nie en dat daar geen siglyn (LoS) pad is nie. In hierdie werk is verskeie antenna-ontwerpe en -plasings ondersoek om die ontvangde krag van 'n onbekende bron te maksimeer, onafhanklik van die hooflobbelyning tussen die sender en die ontvanger.
Omnirigting-antennas is wyd gebruik in omgewings RFEH-rektennas. In die literatuur verskil die PSD na gelang van die oriëntasie van die antenna. Die variasie in drywing is egter nie verduidelik nie, dus is dit nie moontlik om te bepaal of die variasie te wyte is aan die stralingspatroon van die antenna of as gevolg van polarisasie-wanpassing nie.
Benewens RFEH-toepassings, is wydverspreide rigtingantennas en skikkings vir mikrogolf-WPT gerapporteer om die versamelingsdoeltreffendheid van lae RF-kragdigtheid te verbeter of voortplantingsverliese te oorkom. Yagi-Uda-rektenna-skikkings, bowtie-skikkings, spiraal-skikkings, styf gekoppelde Vivaldi-skikkings, CPW CP-skikkings en pleisterskikkings is van die skaalbare rektenna-implementerings wat die insidente kragdigtheid onder 'n sekere area kan maksimeer. Ander benaderings om antennawins te verbeter, sluit in substraatgeïntegreerde golfleier (SIW) tegnologie in mikrogolf- en millimetergolfbande, spesifiek vir WPT. Hoë-aanwins rektennas word egter gekenmerk deur smal bundelwydtes, wat die ontvangs van golwe in arbitrêre rigtings ondoeltreffend maak. Ondersoeke na die aantal antenna-elemente en poorte het tot die gevolgtrekking gekom dat hoër gerigtheid nie ooreenstem met hoër geoesde krag in omringende RFEH nie, met die veronderstelling van driedimensionele arbitrêre voorkoms; dit is geverifieer deur veldmetings in stedelike omgewings. Hoë-wins skikkings kan beperk word tot WPT toepassings.
Om die voordele van hoë-wins antennas na arbitrêre RFEH's oor te dra, word verpakkings- of uitlegoplossings gebruik om die rigtinggewingskwessie te oorkom. 'n Dubbele pleister-antenna-polsband word voorgestel om energie van omringende Wi-Fi RFEH's in twee rigtings te oes. Omringende sellulêre RFEH-antennas is ook ontwerp as 3D-bokse en gedruk of aan eksterne oppervlaktes vasgeplak om stelselarea te verminder en multi-rigting oes moontlik te maak. Kubiese rektenna-strukture toon 'n groter waarskynlikheid van energie-ontvangs in omringende RFEH's.
Verbeterings aan antenna-ontwerp om straalwydte te verhoog, insluitend parasitiese hulppleister-elemente, is gemaak om WPT by 2.4 GHz, 4 × 1 skikkings te verbeter. 'n 6 GHz maas antenna met veelvuldige straalstreke is ook voorgestel, wat veelvuldige strale per poort demonstreer. Multi-poort, multi-gelykrigter oppervlak rektennas en energie-oes antennas met alomrigting stralingspatrone is voorgestel vir multi-rigting en multi-gepolariseerde RFEH. Multi-gelykrigters met bundelvormende matrikse en multi-poort antenna skikkings is ook voorgestel vir hoë-wins, multi-rigting energie-oes.
Ter opsomming, terwyl hoë-versterking antennas verkies word om die krag wat geoes word vanaf lae RF digthede te verbeter, is hoogs rigting ontvangers dalk nie ideaal in toepassings waar die sender rigting onbekend is nie (bv. omgewings RFEH of WPT deur onbekende voortplantingskanale). In hierdie werk word veelvuldige multi-straal benaderings voorgestel vir multi-rigting hoë-wins WPT en RFEH.
2. Antenna Polarisasie
Antennapolarisasie beskryf die beweging van die elektriese veldvektor relatief tot die antenna-voortplantingsrigting. Polarisasie-wanaanpassings kan lei tot verminderde transmissie/ontvangs tussen antennas, selfs wanneer die hooflob-rigtings in lyn is. Byvoorbeeld, as 'n vertikale LP-antenna vir uitsending gebruik word en 'n horisontale LP-antenna vir ontvangs gebruik word, sal geen krag ontvang word nie. In hierdie afdeling word gerapporteerde metodes vir die maksimalisering van draadlose ontvangsdoeltreffendheid en die voorkoming van polarisasie-wanaanpassingsverliese hersien. 'n Opsomming van die voorgestelde rektenna-argitektuur met betrekking tot polarisasie word in Figuur 6 gegee en 'n voorbeeld SoA word in Tabel 4 gegee.
Figuur 6
In sellulêre kommunikasie is dit onwaarskynlik dat lineêre polarisasie-belyning tussen basisstasies en selfone bereik sal word, dus is basisstasie-antennas ontwerp om dubbel- of multi-polariseer te wees om polarisasie-wanaanpassingsverliese te vermy. Die polarisasievariasie van LP-golwe as gevolg van meerpad-effekte bly egter 'n onopgeloste probleem. Gebaseer op die aanname van multi-gepolariseerde mobiele basisstasies, is sellulêre RFEH-antennas ontwerp as LP-antennas.
CP-rektennas word hoofsaaklik in WPT gebruik omdat hulle relatief bestand is teen wanpassing. CP-antennas is in staat om CP-straling te ontvang met dieselfde rotasierigting (linkshandig of regshandig CP) bykomend tot alle LP-golwe sonder kragverlies. In elk geval, die CP-antenna stuur en die LP-antenna ontvang met 'n verlies van 3 dB (50% kragverlies). Daar word gerapporteer dat CP-rektennas geskik is vir 900 MHz en 2,4 GHz en 5,8 GHz industriële, wetenskaplike en mediese bande sowel as millimetergolwe. In RFEH van arbitrêr gepolariseerde golwe verteenwoordig polarisasie diversiteit 'n potensiële oplossing vir polarisasie wanaanpassing verliese.
Volle polarisasie, ook bekend as multi-polarisasie, is voorgestel om polarisasie-wanaanpassingsverliese heeltemal te oorkom, wat die versameling van beide CP- en LP-golwe moontlik maak, waar twee dubbelgepolariseerde ortogonale LP-elemente effektief alle LP- en CP-golwe ontvang. Om dit te illustreer, bly die vertikale en horisontale netto spannings (VV en VH) konstant ongeag die polarisasiehoek:
CP elektromagnetiese golf "E" elektriese veld, waar krag twee keer versamel word (een keer per eenheid), waardeur die CP komponent ten volle ontvang word en die 3 dB polarisasie wanaanpassing verlies oorkom:
Ten slotte, deur GS-kombinasie, kan invallende golwe van arbitrêre polarisasie ontvang word. Figuur 7 toon die geometrie van die gerapporteerde volledig gepolariseerde rektenna.
Figuur 7
Samevattend, in WPT-toepassings met toegewyde kragbronne, word CP verkies omdat dit WPT-doeltreffendheid verbeter, ongeag die polarisasiehoek van die antenna. Aan die ander kant, in multi-bron verkryging, veral vanaf omgewingsbronne, kan ten volle gepolariseerde antennas beter algehele ontvangs en maksimum draagbaarheid bereik; multi-poort/multi-gelykrigter-argitekture word vereis om volledig gepolariseerde krag by RF of DC te kombineer.
Opsomming
Hierdie referaat hersien die onlangse vordering in antenna-ontwerp vir RFEH en WPT, en stel 'n standaardklassifikasie van antenna-ontwerp vir RFEH en WPT voor wat nie in vorige literatuur voorgestel is nie. Drie basiese antennavereistes vir die bereiking van hoë RF-tot-GS-doeltreffendheid is geïdentifiseer as:
1. Antenna gelykrigter impedansie bandwydte vir die RFEH en WPT bande van belang;
2. Hooflobbelyning tussen sender en ontvanger in WPT vanaf 'n toegewyde voer;
3. Polarisasie-passing tussen die rektenna en die invallende golf ongeag hoek en posisie.
Op grond van impedansie word rektennas geklassifiseer in 50Ω en gelykrigter gekonjugeerde rektennas, met 'n fokus op impedansiepassing tussen verskillende bande en ladings en die doeltreffendheid van elke bypassende metode.
Die stralingskenmerke van SoA-rektennas is hersien vanuit die perspektief van gerigtheid en polarisasie. Metodes om wins te verbeter deur balkvorming en verpakking om smal balkwydte te oorkom, word bespreek. Laastens word CP-rektennas vir WPT hersien, tesame met verskeie implementerings om polarisasie-onafhanklike ontvangs vir WPT en RFEH te bewerkstellig.
Om meer te wete te kom oor antennas, besoek asseblief:
Postyd: 16 Aug. 2024
