Reka bentuk Bersama Penerus Antena
Ciri rektenna mengikut topologi EG dalam Rajah 2 ialah antena dipadankan secara langsung dengan penerus, bukannya piawai 50Ω, yang memerlukan meminimumkan atau menghapuskan litar padanan untuk menggerakkan penerus. Bahagian ini menyemak kelebihan rectenna SoA dengan antena bukan 50Ω dan rectenna tanpa rangkaian yang sepadan.
1. Antena Kecil Secara Elektrik
Antena gelang resonan LC telah digunakan secara meluas dalam aplikasi di mana saiz sistem adalah kritikal. Pada frekuensi di bawah 1 GHz, panjang gelombang mungkin 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 kecil elektrik untuk WPT.
Impedans induktif tinggi antena kecil (berhampiran resonans) boleh digunakan untuk menggandingkan secara langsung penerus atau dengan rangkaian pemadanan kapasitif tambahan pada cip. Antena kecil elektrik 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 biasa (ka=2πr/λ0).
2. Antena konjugat penerus
Impedans input biasa diod adalah sangat kapasitif, jadi antena induktif diperlukan untuk mencapai impedans konjugat. Oleh kerana impedans kapasitif cip, antena induktif impedans tinggi telah digunakan secara meluas dalam tag RFID. Antena dipole baru-baru ini menjadi trend dalam antena RFID impedans kompleks, mempamerkan impedans tinggi (rintangan dan reaktans) berhampiran frekuensi resonansnya.
Antena dipol induktif telah digunakan untuk memadankan kemuatan tinggi penerus dalam jalur frekuensi yang diminati. Dalam antena dipol terlipat, garis pendek berganda (lipatan dipol) bertindak sebagai pengubah impedans, membenarkan reka bentuk antena impedans yang sangat tinggi. Sebagai alternatif, pemberian berat sebelah bertanggungjawab untuk meningkatkan reaktans induktif serta impedans sebenar. Menggabungkan berbilang elemen dipol pincang dengan stub jejari ikatan tunduk yang tidak seimbang membentuk antena bergalangan tinggi jalur lebar berkembar. 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 penerima dan keuntungan pemancar (GRX, GTX).
Pengarah lobus utama antena dan polarisasi secara langsung memberi kesan kepada jumlah kuasa yang dikumpul daripada gelombang kejadian. Ciri sinaran antena ialah 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 untuk RFEH dan WPT.
Rajah 5
1. Directivity and Gain
Dalam kebanyakan aplikasi RFEH dan WPT, diandaikan bahawa pengumpul tidak mengetahui arah sinaran kejadian dan tiada laluan garis pandang (LoS). Dalam kerja ini, berbilang reka bentuk dan penempatan antena telah disiasat 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 rektenna RFEH persekitaran. Dalam kesusasteraan, JPA berbeza-beza bergantung pada orientasi antena. Walau bagaimanapun, variasi kuasa belum dijelaskan, jadi tidak mungkin untuk menentukan sama ada variasi itu disebabkan oleh corak sinaran antena atau disebabkan ketidakpadanan polarisasi.
Sebagai tambahan kepada aplikasi RFEH, antena berarah keuntungan tinggi dan tatasusunan telah dilaporkan secara meluas untuk gelombang mikro WPT untuk meningkatkan kecekapan pengumpulan ketumpatan kuasa RF yang rendah atau mengatasi kehilangan perambatan. Tatasusunan rectenna Yagi-Uda, tatasusunan ikatan kupu-kupu, tatasusunan lingkaran, tatasusunan Vivaldi berganding rapat, tatasusunan CPW CP dan tatasusunan tampalan ialah antara pelaksanaan rektenna berskala yang boleh memaksimumkan ketumpatan kuasa kejadian di bawah kawasan tertentu. Pendekatan lain untuk meningkatkan perolehan antena termasuk teknologi pandu gelombang bersepadu substrat (SIW) dalam gelombang mikro dan jalur gelombang milimeter, khusus untuk WPT. Walau bagaimanapun, rectenna untung tinggi dicirikan oleh lebar rasuk yang sempit, menjadikan penerimaan gelombang dalam arah sewenang-wenangnya tidak cekap. Siasatan ke dalam bilangan elemen antena dan port menyimpulkan bahawa kearah yang lebih tinggi tidak sepadan dengan kuasa penuaian yang lebih tinggi dalam RFEH ambien dengan mengandaikan kejadian sewenang-wenangnya tiga dimensi; ini telah disahkan oleh pengukuran medan dalam persekitaran bandar. Tatasusunan untung tinggi boleh dihadkan kepada aplikasi WPT.
Untuk memindahkan faedah antena untung tinggi kepada RFEH sewenang-wenangnya, penyelesaian pembungkusan atau susun atur digunakan untuk mengatasi isu arahan. Gelang tangan antena dwi-patch 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 luar untuk mengurangkan kawasan sistem dan membolehkan penuaian berbilang arah. Struktur rectenna padu 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 menambah baik WPT pada tatasusunan 2.4 GHz, 4 × 1. Antena mesh 6 GHz dengan berbilang kawasan rasuk juga dicadangkan, menunjukkan berbilang rasuk setiap port. Berbilang port, rektenna permukaan berbilang penerus dan antena penuaian tenaga dengan corak sinaran omnidirectional telah dicadangkan untuk RFEH berbilang arah dan berbilang kutub. Penerus berbilang dengan matriks pembentuk pancaran dan tatasusunan antena berbilang port juga telah dicadangkan untuk penuaian tenaga berbilang arah dengan keuntungan tinggi.
Ringkasnya, walaupun antena bergain tinggi lebih disukai untuk meningkatkan kuasa yang diperoleh daripada ketumpatan RF rendah, penerima berarah tinggi mungkin tidak sesuai dalam aplikasi di mana arah pemancar tidak diketahui (cth, RFEH ambien atau WPT melalui saluran perambatan yang tidak diketahui). Dalam kerja ini, berbilang pendekatan berbilang rasuk dicadangkan untuk WPT dan RFEH berbilang arah keuntungan tinggi.
2. Polarisasi Antena
Polarisasi antena menerangkan pergerakan vektor medan elektrik berbanding arah perambatan antena. Ketidakpadanan polarisasi boleh menyebabkan pengurangan penghantaran/penerimaan antara antena walaupun apabila arah lobus utama dijajarkan. 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 wayarles dan mengelakkan kehilangan ketidakpadanan polarisasi dikaji semula. Ringkasan seni bina rectenna 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 mudah alih tidak mungkin dicapai, jadi antena stesen pangkalan direka bentuk untuk dwi-kutub atau berbilang kutub untuk mengelakkan kehilangan ketidakpadanan polarisasi. Walau bagaimanapun, variasi polarisasi gelombang LP disebabkan oleh 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.
Rectenna CP digunakan terutamanya dalam WPT kerana ia agak tahan terhadap ketidakpadanan. Antena CP mampu menerima sinaran CP dengan arah putaran yang sama (CP tangan kiri 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 (50% kehilangan kuasa). Rectenna CP dilaporkan sesuai untuk jalur industri, saintifik dan perubatan 900 MHz dan 2.4 GHz dan 5.8 GHz serta gelombang milimeter. Dalam RFEH gelombang terpolarisasi sewenang-wenangnya, kepelbagaian polarisasi mewakili penyelesaian yang berpotensi untuk kehilangan ketidakpadanan polarisasi.
Polarisasi penuh, juga dikenali sebagai berbilang polarisasi, telah dicadangkan untuk mengatasi kehilangan ketidakpadanan polarisasi sepenuhnya, membolehkan pengumpulan kedua-dua gelombang CP dan LP, di mana dua elemen LP ortogon dwi-kutub secara berkesan menerima semua gelombang LP dan CP. Untuk menggambarkan ini, voltan bersih menegak dan mendatar (VV dan VH) kekal malar tanpa mengira sudut polarisasi:
Medan elektrik gelombang elektromagnet CP "E", 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 kejadian polarisasi sewenang-wenangnya boleh diterima. Rajah 7 menunjukkan geometri rektenna terkutub sepenuhnya yang dilaporkan.
Rajah 7
Ringkasnya, dalam aplikasi WPT dengan bekalan kuasa khusus, CP diutamakan kerana ia meningkatkan kecekapan WPT tanpa mengira sudut polarisasi antena. Sebaliknya, dalam pemerolehan pelbagai sumber, terutamanya daripada sumber ambien, antena terkutub sepenuhnya boleh mencapai penerimaan keseluruhan yang lebih baik dan mudah alih maksimum; seni bina multi-port/multi-rectifier diperlukan untuk menggabungkan kuasa terkutub sepenuhnya pada RF atau DC.
Ringkasan
Kertas kerja ini mengkaji kemajuan terkini dalam reka bentuk antena untuk RFEH dan WPT, dan mencadangkan klasifikasi standard reka bentuk antena untuk RFEH dan WPT yang belum dicadangkan dalam literatur sebelumnya. Tiga keperluan asas antena untuk mencapai kecekapan RF-ke-DC yang tinggi telah dikenal pasti sebagai:
1. Jalur lebar 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 rectenna dan gelombang kejadian tanpa mengira sudut dan kedudukan.
Berdasarkan impedans, rectennas dikelaskan kepada 50Ω dan rectenna conjugate rectifier, dengan tumpuan pada pemadanan impedans antara jalur dan beban yang berbeza dan kecekapan setiap kaedah padanan.
Ciri-ciri sinaran SoA rectennas telah dikaji semula dari perspektif arahan dan polarisasi. Kaedah untuk meningkatkan keuntungan dengan membentuk rasuk dan pembungkusan untuk mengatasi lebar rasuk sempit dibincangkan. Akhir sekali, rectenna CP untuk WPT disemak, bersama-sama dengan pelbagai pelaksanaan untuk mencapai penerimaan bebas polarisasi untuk WPT dan RFEH.
Untuk mengetahui lebih lanjut tentang antena, sila lawati:
Masa siaran: 16 Ogos 2024
