Reka Bentuk Bersama Antena-Penerus
Ciri-ciri rektenna mengikut topologi EG dalam Rajah 2 ialah antena dipadankan secara langsung dengan penerus, bukannya standard 50Ω, yang memerlukan meminimumkan atau menghapuskan litar padanan untuk menguasakan penerus. Bahagian ini mengulas kelebihan rektenna SoA dengan antena bukan 50Ω dan rektenna tanpa rangkaian yang sepadan.
1. Antena Kecil Secara Elektrik
Antena cincin resonan LC telah digunakan secara meluas dalam aplikasi di mana saiz sistem adalah kritikal. Pada frekuensi di bawah 1 GHz, panjang gelombang boleh menyebabkan antena elemen teragih standard menduduki lebih banyak ruang daripada saiz keseluruhan sistem, dan aplikasi seperti transceiver bersepadu sepenuhnya untuk implan badan terutamanya mendapat manfaat daripada penggunaan antena elektrik kecil untuk WPT.
Impedans induktif yang tinggi bagi antena kecil (berhampiran resonans) boleh digunakan untuk menghubungkan penerus secara langsung atau dengan rangkaian pemadanan kapasitif atas cip tambahan. Antena elektrik yang kecil telah dilaporkan dalam WPT dengan LP dan CP di bawah 1 GHz menggunakan antena dipol Huygens, dengan ka=0.645, manakala ka=5.91 dalam dipol normal (ka=2πr/λ0).
2. Antena konjugat penerus
Impedans input biasa diod adalah sangat kapasitif, jadi antena induktif diperlukan untuk mencapai impedans konjugat. Disebabkan oleh impedans kapasitif cip, antena induktif impedans tinggi telah digunakan secara meluas dalam tag RFID. Antena dipol baru-baru ini menjadi trend dalam antena RFID impedans kompleks, mempamerkan impedans tinggi (rintangan dan reaktansi) berhampiran frekuensi resonansinya.
Antena dipol induktif telah digunakan untuk memadankan kapasitans tinggi penerus dalam jalur frekuensi yang diminati. Dalam antena dipol terlipat, talian pendek berganda (lipatan dipol) bertindak sebagai transformer impedans, membolehkan reka bentuk antena impedans yang sangat tinggi. Secara alternatif, penyuapan bias bertanggungjawab untuk meningkatkan reaktans induktif serta impedans sebenar. Menggabungkan berbilang elemen dipol bias dengan stub jejari bow-tie yang tidak seimbang membentuk antena impedans tinggi jalur lebar berganda. Rajah 4 menunjukkan beberapa antena konjugat penerus yang dilaporkan.
Rajah 4
Ciri-ciri sinaran dalam RFEH dan WPT
Dalam model Friis, kuasa PRX yang diterima oleh antena pada jarak d dari pemancar adalah fungsi langsung penguatan penerima dan pemancar (GRX, GTX).
Arahan dan polarisasi lobus utama antena secara langsung memberi kesan kepada jumlah kuasa yang dikumpul daripada gelombang datang. Ciri-ciri sinaran antena adalah parameter utama yang membezakan antara RFEH ambien dan WPT (Rajah 5). Walaupun dalam kedua-dua aplikasi, medium perambatan mungkin tidak diketahui dan kesannya terhadap gelombang yang diterima perlu dipertimbangkan, pengetahuan tentang antena pemancar boleh dieksploitasi. Jadual 3 mengenal pasti parameter utama yang dibincangkan dalam bahagian ini dan kebolehgunaannya kepada RFEH dan WPT.
Rajah 5
1. Keterarahan dan Keuntungan
Dalam kebanyakan aplikasi RFEH dan WPT, diandaikan bahawa pengumpul tidak mengetahui arah sinaran datang dan tiada laluan garis pandangan (LoS). Dalam kajian ini, pelbagai reka bentuk dan penempatan antena telah dikaji untuk memaksimumkan kuasa yang diterima daripada sumber yang tidak diketahui, bebas daripada penjajaran lobus utama antara pemancar dan penerima.
Antena omnidirectional telah digunakan secara meluas dalam rektum RFEH persekitaran. Dalam literatur, PSD berbeza-beza bergantung pada orientasi antena. Walau bagaimanapun, variasi kuasa belum dijelaskan, jadi tidak mungkin untuk menentukan sama ada variasi tersebut disebabkan oleh corak sinaran antena atau disebabkan oleh ketidakpadanan polarisasi.
Selain aplikasi RFEH, antena dan tatasusunan berarah bergandingan tinggi telah dilaporkan secara meluas untuk WPT gelombang mikro bagi meningkatkan kecekapan pengumpulan ketumpatan kuasa RF rendah atau mengatasi kehilangan perambatan. Tatasusunan rekten Yagi-Uda, tatasusunan bowtie, tatasusunan lingkaran, tatasusunan Vivaldi yang digandingkan rapat, tatasusunan CPW CP dan tatasusunan tampalan adalah antara pelaksanaan rekten berskala yang boleh memaksimumkan ketumpatan kuasa insiden di bawah kawasan tertentu. Pendekatan lain untuk meningkatkan penguatan antena termasuk teknologi pandu gelombang bersepadu substrat (SIW) dalam jalur gelombang mikro dan milimeter, khusus untuk WPT. Walau bagaimanapun, rekten bergandingan tinggi dicirikan oleh lebar pancaran yang sempit, menjadikan penerimaan gelombang dalam arah sewenang-wenangnya tidak cekap. Siasatan ke atas bilangan elemen dan port antena menyimpulkan bahawa keterarahan yang lebih tinggi tidak sepadan dengan kuasa tuaian yang lebih tinggi dalam RFEH ambien dengan mengandaikan insiden sewenang-wenangnya tiga dimensi; ini telah disahkan oleh ukuran lapangan dalam persekitaran bandar. Tatasusunan bergandingan tinggi boleh dihadkan kepada aplikasi WPT.
Untuk memindahkan manfaat antena bergandingan tinggi kepada RFEH sewenang-wenangnya, penyelesaian pembungkusan atau susun atur digunakan untuk mengatasi isu keterarahan. Gelang tangan antena tampalan dwi dicadangkan untuk menuai tenaga daripada RFEH Wi-Fi ambien dalam dua arah. Antena RFEH selular ambien juga direka bentuk sebagai kotak 3D dan dicetak atau dilekatkan pada permukaan luaran untuk mengurangkan luas sistem dan membolehkan penuaian berbilang arah. Struktur rektena kubik mempamerkan kebarangkalian penerimaan tenaga yang lebih tinggi dalam RFEH ambien.
Penambahbaikan pada reka bentuk antena untuk meningkatkan lebar pancaran, termasuk elemen tampalan parasit tambahan, telah dibuat untuk meningkatkan WPT pada 2.4 GHz, tatasusunan 4 × 1. Antena jejaring 6 GHz dengan pelbagai kawasan pancaran juga dicadangkan, menunjukkan berbilang pancaran setiap port. Rectena permukaan berbilang port, berbilang penerus dan antena penuaian tenaga dengan corak sinaran omnidirectional telah dicadangkan untuk RFEH berbilang arah dan berbilang polar. Pelbagai penerus dengan matriks pembentukan pancaran dan tatasusunan antena berbilang port juga telah dicadangkan untuk penuaian tenaga berbilang arah dan berbilang gandaan tinggi.
Secara ringkasnya, walaupun antena bergandingan tinggi lebih diutamakan untuk meningkatkan kuasa yang diperoleh daripada ketumpatan RF yang rendah, penerima berarah tinggi mungkin tidak sesuai dalam aplikasi di mana arah pemancar tidak diketahui (contohnya, RFEH ambien atau WPT melalui saluran perambatan yang tidak diketahui). Dalam kajian ini, pelbagai pendekatan berbilang pancaran dicadangkan untuk WPT dan RFEH bergandingan tinggi berbilang arah.
2. Polarisasi Antena
Polarisasi antena menerangkan pergerakan vektor medan elektrik relatif kepada arah perambatan antena. Ketidakpadanan polarisasi boleh menyebabkan pengurangan penghantaran/penerimaan antara antena walaupun arah lobus utama sejajar. Contohnya, jika antena LP menegak digunakan untuk penghantaran dan antena LP mendatar digunakan untuk penerimaan, tiada kuasa akan diterima. Dalam bahagian ini, kaedah yang dilaporkan untuk memaksimumkan kecekapan penerimaan tanpa wayar dan mengelakkan kehilangan ketidakpadanan polarisasi dikaji semula. Ringkasan seni bina rektenna yang dicadangkan berkenaan dengan polarisasi diberikan dalam Rajah 6 dan contoh SoA diberikan dalam Jadual 4.
Rajah 6
Dalam komunikasi selular, penjajaran polarisasi linear antara stesen pangkalan dan telefon bimbit tidak mungkin dicapai, jadi antena stesen pangkalan direka bentuk untuk dwi-kutub atau berbilang-kutub bagi mengelakkan kehilangan ketidakpadanan polarisasi. Walau bagaimanapun, variasi polarisasi gelombang LP akibat kesan berbilang laluan kekal sebagai masalah yang tidak dapat diselesaikan. Berdasarkan andaian stesen pangkalan mudah alih berbilang-kutub, antena RFEH selular direka bentuk sebagai antena LP.
Rectena CP digunakan terutamanya dalam WPT kerana ia agak tahan terhadap ketidakpadanan. Antena CP mampu menerima sinaran CP dengan arah putaran yang sama (CP kidal atau kanan) sebagai tambahan kepada semua gelombang LP tanpa kehilangan kuasa. Walau apa pun, antena CP menghantar dan antena LP menerima dengan kehilangan 3 dB (kehilangan kuasa 50%). Rectena CP dilaporkan sesuai untuk jalur perindustrian, saintifik dan perubatan 900 MHz dan 2.4 GHz dan 5.8 GHz serta gelombang milimeter. Dalam RFEH gelombang terkutub sewenang-wenangnya, kepelbagaian polarisasi mewakili penyelesaian yang berpotensi untuk kehilangan ketidakpadanan polarisasi.
Pengkutuban penuh, juga dikenali sebagai multi-polarisasi, telah dicadangkan untuk mengatasi sepenuhnya kehilangan ketidakpadanan pengutuban, membolehkan pengumpulan gelombang CP dan LP, di mana dua elemen LP ortogonal dwi-terkutub menerima semua gelombang LP dan CP secara berkesan. Untuk menggambarkan perkara ini, voltan bersih menegak dan mendatar (VV dan VH) kekal malar tanpa mengira sudut pengutuban:
Medan elektrik "E" gelombang elektromagnet CP, di mana kuasa dikumpulkan dua kali (sekali seunit), dengan itu menerima sepenuhnya komponen CP dan mengatasi kehilangan ketidakpadanan polarisasi 3 dB:
Akhirnya, melalui gabungan DC, gelombang datang bagi pengkutuban sewenang-wenangnya boleh diterima. Rajah 7 menunjukkan geometri bagi rektum terkutub penuh yang dilaporkan.
Rajah 7
Secara ringkasnya, dalam aplikasi WPT dengan bekalan kuasa khusus, CP lebih diutamakan kerana ia meningkatkan kecekapan WPT tanpa mengira sudut polarisasi antena. Sebaliknya, dalam pemerolehan berbilang sumber, terutamanya daripada sumber ambien, antena terkutub sepenuhnya boleh mencapai penerimaan keseluruhan yang lebih baik dan kebolehgunaan maksimum; seni bina berbilang port/berbilang penerus diperlukan untuk menggabungkan kuasa terkutub sepenuhnya pada RF atau DC.
Ringkasan
Kertas kerja ini mengulas kemajuan terkini dalam reka bentuk antena untuk RFEH dan WPT, dan mencadangkan pengelasan standard reka bentuk antena untuk RFEH dan WPT yang belum dicadangkan dalam literatur terdahulu. Tiga keperluan asas antena untuk mencapai kecekapan RF-ke-DC yang tinggi telah dikenal pasti sebagai:
1. Lebar jalur impedans penerus antena untuk jalur RFEH dan WPT yang diminati;
2. Penjajaran lobus utama antara pemancar dan penerima dalam WPT daripada suapan khusus;
3. Padanan polarisasi antara rektum dan gelombang datang tanpa mengira sudut dan kedudukan.
Berdasarkan impedans, rekta dikelaskan kepada rekta konjugat 50Ω dan rekta konjugat penerus, dengan tumpuan pada pemadanan impedans antara jalur dan beban yang berbeza dan kecekapan setiap kaedah pemadanan.
Ciri-ciri sinaran rektenna SoA telah dikaji semula dari perspektif keterarahan dan pengkutuban. Kaedah untuk meningkatkan perolehan melalui pembentukan pancaran dan pembungkusan bagi mengatasi lebar pancaran yang sempit dibincangkan. Akhir sekali, rektenna CP untuk WPT dikaji semula, bersama-sama dengan pelbagai pelaksanaan untuk mencapai penerimaan bebas pengkutuban untuk WPT dan RFEH.
Untuk mengetahui lebih lanjut tentang antena, sila layari:
Masa siaran: 16 Ogos 2024
