Antenna-gelykrigter mede-ontwerp
Die kenmerk van reghoeke wat die EG-topologie in Figuur 2 volg, is dat die antenna direk aan die gelykrigter gekoppel is, eerder as die 50Ω-standaard, wat vereis dat die ooreenstemmende kring om die gelykrigter aan te dryf, geminimaliseer of uitgeskakel word. Hierdie afdeling hersien die voordele van SoA-reghoeke met nie-50Ω-antennas en reghoeke sonder ooreenstemmende netwerke.
1. Elektries Klein Antennas
LC resonante ringantennas word wyd gebruik in toepassings waar stelselgrootte krities is. By frekwensies onder 1 GHz kan die golflengte veroorsaak dat standaard verspreide elementantennas meer ruimte as die totale grootte van die stelsel opneem, en toepassings soos volledig geïntegreerde sender-ontvangers vir liggaamsinplantings trek veral voordeel uit 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 kapasitiewe aanpassingsnetwerk op die skyfie. Elektries klein antennas is gerapporteer in WPT met LP en CP onder 1 GHz met behulp van Huygens dipoolantennas, met ka=0.645, terwyl ka=5.91 in normale dipole (ka=2πr/λ0).
2. Gelykrigter-gekonjugeerde antenna
Die tipiese invoerimpedansie van 'n diode is hoogs kapasitief, dus is 'n induktiewe antenna nodig om gekonjugeerde impedansie te bereik. As gevolg van die kapasitiewe impedansie van die skyfie, word hoë-impedansie induktiewe antennas wyd gebruik in RFID-etikette. Dipool-antennas het onlangs 'n tendens 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 dipoolantenna dien die dubbele kort lyn (dipoolvouing) as 'n impedansietransformator, wat die ontwerp van 'n uiters hoë impedansie-antenna moontlik maak. Alternatiewelik is voorspanningsvoeding verantwoordelik vir die verhoging van die induktiewe reaktansie sowel as die werklike impedansie. Deur veelvuldige voorgespanne dipoolelemente met ongebalanseerde strikdas-radiale stompe te kombineer, vorm 'n dubbele breëband hoëimpedansie-antenna. Figuur 4 toon 'n paar gerapporteerde gelykrigter-gekonjugeerde antennas.
Figuur 4
Stralingseienskappe 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 senderwinste (GRX, GTX).
Die antenna se hooflob-richting en polarisasie beïnvloed direk die hoeveelheid krag wat van die invallende golf versamel word. Antenna-stralingseienskappe is sleutelparameters wat onderskei tussen omgewings-RFEH en WPT (Figuur 5). Terwyl die voortplantingsmedium in beide toepassings onbekend mag wees en die effek daarvan op die ontvangde golf in ag geneem moet word, kan kennis van die senderantenna benut word. Tabel 3 identifiseer die sleutelparameters wat in hierdie afdeling bespreek word en hul toepaslikheid op RFEH en WPT.
Figuur 5
1. Rigtingsvermoë 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.
Omnidireksionele antennas word wyd gebruik in omgewings-RFEH-reghoeke. In die literatuur wissel die PSD na gelang van die oriëntasie van die antenna. Die variasie in krag 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 hoëwins-rigtingantennas en -skikkings wyd gerapporteer vir mikrogolf-WPT om die versamelingsdoeltreffendheid van lae RF-kragdigtheid te verbeter of voortplantingsverliese te oorkom. Yagi-Uda-rektenna-skikkings, strikdas-skikkings, spiraalskikkings, dig gekoppelde Vivaldi-skikkings, CPW CP-skikkings en pleisterskikkings is van die skaalbare rektenna-implementerings wat die invallende kragdigtheid onder 'n sekere area kan maksimeer. Ander benaderings om antennawins te verbeter, sluit in substraat-geïntegreerde golfgeleier (SIW) tegnologie in mikrogolf- en millimetergolfbande, spesifiek vir WPT. Hoëwins-rektennas word egter gekenmerk deur nou straalwydtes, wat die ontvangs van golwe in arbitrêre rigtings ondoeltreffend maak. Ondersoeke na die aantal antenne-elemente en poorte het tot die gevolgtrekking gekom dat hoër rigting nie ooreenstem met hoër geoeste krag in omgewings-RFEH nie, met die aanname van driedimensionele arbitrêre inval; dit is geverifieer deur veldmetings in stedelike omgewings. Hoëwins-skikkings kan beperk word tot WPT-toepassings.
Om die voordele van hoëwins-antennas na arbitrêre RFEH's oor te dra, word verpakkings- of uitlegoplossings gebruik om die rigtingsprobleem te oorkom. 'n Dubbele-patch-antenna-polsband word voorgestel om energie van omringende Wi-Fi RFEH's in twee rigtings te oes. Omringende sellulêre RFEH-antennas word ook ontwerp as 3D-bokse en gedruk of aan eksterne oppervlaktes geheg om stelselarea te verminder en multirigting-oesting moontlik te maak. Kubieke rektenna-strukture toon 'n hoër waarskynlikheid van energie-ontvangs in omringende RFEH's.
Verbeterings aan antenna-ontwerp om straalwydte te verhoog, insluitend hulpparasitiese lappie-elemente, is aangebring om WPT teen 2.4 GHz, 4 × 1-skikkings te verbeter. 'n 6 GHz-maasantenna met veelvuldige straalgebiede is ook voorgestel, wat veelvuldige strale per poort demonstreer. Veelpoort-, veelrigting-oppervlak-reghoektennas en energie-oesantennas met omnidireksionele stralingspatrone is voorgestel vir veelrigting- en veelpolariseerde RFEH. Veelrigting-gelykrigters met straalvormende matrikse en veelpoort-antenna-skikkings is ook voorgestel vir hoëwins-, veelrigting-energie-oes.
Kortliks, terwyl hoëwins-antennas verkies word om die krag wat uit lae RF-digthede verkry word, te verbeter, is hoogs gerigte ontvangers dalk nie ideaal in toepassings waar die senderrigting onbekend is nie (bv. omringende RFEH of WPT deur onbekende voortplantingskanale). In hierdie werk word verskeie multistraalbenaderings voorgestel vir multirigting hoëwins-WPT en RFEH.
2. Antennepolarisasie
Antennepolarisasie beskryf die beweging van die elektriese veldvektor relatief tot die antenna-voortplantingsrigting. Polarisasie-wanpassings kan lei tot verminderde transmissie/ontvangs tussen antennas, selfs wanneer die hooflobrigtings in lyn is. Byvoorbeeld, as 'n vertikale LP-antenna vir transmissie gebruik word en 'n horisontale LP-antenna vir ontvangs, sal geen krag ontvang word nie. In hierdie afdeling word gerapporteerde metodes vir die maksimalisering van draadlose ontvangsdoeltreffendheid en die vermyding van polarisasie-wanpassingsverliese hersien. 'n Opsomming van die voorgestelde rektenna-argitektuur met betrekking tot polarisasie word in Figuur 6 gegee en 'n voorbeeld van 'n SoA word in Tabel 4 gegee.
Figuur 6
In sellulêre kommunikasie is dit onwaarskynlik dat lineêre polarisasiebelyning tussen basisstasies en selfone bereik sal word, daarom word basisstasie-antennas ontwerp om dubbelgepolariseerd of multigepolariseerd te wees om polarisasie-wanpassingsverliese te vermy. Die polarisasievariasie van LP-golwe as gevolg van multipad-effekte bly egter 'n onopgeloste probleem. Gebaseer op die aanname van multigepolariseerde mobiele basisstasies, word sellulêre RFEH-antennas as LP-antennas ontwerp.
KP-reghoeke word hoofsaaklik in WPT gebruik omdat hulle relatief bestand is teen wanpassing. KP-antennas kan KP-straling met dieselfde rotasierigting (linkshandige of regshandige KP) ontvang, benewens alle LP-golwe, sonder kragverlies. In elk geval, die KP-antenna stuur uit en die LP-antenna ontvang met 'n 3 dB-verlies (50% kragverlies). KP-reghoeke word berig as geskik 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 polarisasiediversiteit 'n potensiële oplossing vir polarisasiewanpassingsverliese.
Volle polarisasie, ook bekend as multipolarisasie, is voorgestel om polarisasie-wanpassingsverliese 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:
KP elektromagnetiese golf "E" elektriese veld, waar krag twee keer versamel word (een keer per eenheid), waardeur die KP-komponent ten volle ontvang word en die 3 dB polarisasie-wanverhoudingsverlies oorkom word:
Laastens, deur GS-kombinasie, kan invallende golwe van arbitrêre polarisasie ontvang word. Figuur 7 toon die geometrie van die gerapporteerde volledig gepolariseerde rektenna.
Figuur 7
Kortliks, 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-bronverkryging, veral van omgewingsbronne, kan volledig gepolariseerde antennas beter algehele ontvangs en maksimum draagbaarheid behaal; multi-poort/multi-gelykrigterargitekture word benodig om volledig gepolariseerde krag by RF of DC te kombineer.
Opsomming
Hierdie artikel 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-impedansiebandwydte vir die RFEH- en WPT-bande van belang;
2. Hooflobbelyning tussen sender en ontvanger in WPT vanaf 'n toegewyde toevoer;
3. Polarisasie-ooreenstemming tussen die rectenna en die invalsgolf ongeag hoek en posisie.
Gebaseer op impedansie word reghoeke geklassifiseer in 50Ω en gelykrigter-gekonjugeerde reghoeke, met 'n fokus op impedansie-ooreenstemming tussen verskillende bande en laste en die doeltreffendheid van elke ooreenstemmingsmetode.
Die stralingseienskappe van SoA-rektennas is vanuit die perspektief van rigting en polarisasie hersien. Metodes om wins te verbeter deur bundelvorming en verpakking om nou bundelwydte te oorkom, word bespreek. Laastens word CP-rektennas vir WPT hersien, tesame met verskeie implementerings om polarisasie-onafhanklike ontvangs vir WPT en RFEH te bereik.
Om meer oor antennas te wete te kom, besoek asseblief:
Plasingstyd: 16 Augustus 2024
