Co-deseño antena-rectificador
A característica das rectennas que seguen a topoloxía EG da Figura 2 é que a antena está directamente adaptada ao rectificador, en lugar do estándar de 50Ω, o que require minimizar ou eliminar o circuíto de adaptación para alimentar o rectificador. Esta sección revisa as vantaxes das rectennas SoA con antenas sen 50Ω e das rectennas sen redes coincidentes.
1. Antenas eléctricamente pequenas
As antenas de anel de resonancia LC foron moi utilizadas en aplicacións nas que o tamaño do sistema é crítico. A frecuencias inferiores a 1 GHz, a lonxitude de onda pode facer que as antenas estándar de elementos distribuídos ocupen máis espazo que o tamaño total do sistema, e aplicacións como os transceptores totalmente integrados para implantes corporais se benefician especialmente do uso de antenas eléctricamente pequenas para WPT.
A alta impedancia indutiva da antena pequena (case resonancia) pódese usar para acoplar directamente o rectificador ou cunha rede de adaptación capacitiva adicional no chip. En WPT reportáronse antenas eléctricamente pequenas con LP e CP por debaixo de 1 GHz usando antenas dipolo Huygens, con ka=0,645, mentres que ka=5,91 en dipolos normais (ka=2πr/λ0).
2. Antena conxugada rectificadora
A impedancia de entrada típica dun díodo é altamente capacitiva, polo que é necesaria unha antena indutiva para conseguir a impedancia conxugada. Debido á impedancia capacitiva do chip, as antenas indutivas de alta impedancia foron amplamente utilizadas nas etiquetas RFID. As antenas dipolo convertéronse recentemente nunha tendencia nas antenas RFID de impedancia complexa, que presentan unha alta impedancia (resistencia e reactancia) preto da súa frecuencia de resonancia.
Utilizáronse antenas dipolo indutivas para igualar a alta capacitancia do rectificador na banda de frecuencias de interese. Nunha antena dipolo dobrada, a dobre liña curta (dobramento do dipolo) actúa como un transformador de impedancia, permitindo o deseño dunha antena de impedancia extremadamente alta. Alternativamente, a alimentación pola polarización é responsable de aumentar a reactancia indutiva, así como a impedancia real. A combinación de múltiples elementos dipolo polarizado con puntas radiais de corbata desequilibrada forma unha antena de alta impedancia de banda ancha dual. A figura 4 mostra algunhas antenas conxugadas do rectificador.
Figura 4
Características da radiación en RFEH e WPT
No modelo Friis, a potencia PRX recibida por unha antena a unha distancia d do transmisor é unha función directa das ganancias do receptor e do transmisor (GRX, GTX).
A direccionalidade e polarización do lóbulo principal da antena afectan directamente a cantidade de enerxía recollida da onda incidente. As características da radiación da antena son parámetros clave que diferencian entre RFEH e WPT ambiente (Figura 5). Aínda que en ambas aplicacións o medio de propagación pode ser descoñecido e hai que considerar o seu efecto sobre a onda recibida, pódese aproveitar o coñecemento da antena transmisora. A Táboa 3 identifica os parámetros clave discutidos nesta sección e a súa aplicabilidade a RFEH e WPT.
Figura 5
1. Directividad e Ganancia
Na maioría das aplicacións RFEH e WPT, asúmese que o colector non coñece a dirección da radiación incidente e que non existe un camiño de visión (LoS). Neste traballo, investigáronse múltiples deseños e colocacións de antenas para maximizar a potencia recibida dunha fonte descoñecida, independentemente da aliñación do lóbulo principal entre o transmisor e o receptor.
As antenas omnidireccionais foron amplamente utilizadas nas rectenas ambientais RFEH. Na literatura, o PSD varía dependendo da orientación da antena. Non obstante, a variación de potencia non se explicou, polo que non é posible determinar se a variación se debe ao patrón de radiación da antena ou a unha falta de polarización.
Ademais das aplicacións RFEH, as antenas e matrices direccionais de alta ganancia foron amplamente informadas para o WPT de microondas para mellorar a eficiencia de recollida de baixa densidade de potencia de RF ou superar as perdas de propagación. As matrices de rectenna Yagi-Uda, as matrices de corbata, as matrices en espiral, as matrices Vivaldi estreitamente acopladas, as matrices CPW CP e as matrices de parches están entre as implementacións de rectenna escalables que poden maximizar a densidade de potencia incidente nunha determinada área. Outros enfoques para mellorar a ganancia da antena inclúen a tecnoloxía de guía de ondas integradas de substrato (SIW) en bandas de microondas e ondas milimétricas, específica para WPT. Non obstante, as rectennas de alta ganancia caracterízanse por anchos de feixe estreitos, o que fai ineficiente a recepción de ondas en direccións arbitrarias. As investigacións sobre o número de elementos de antena e portos concluíron que unha maior directividade non se corresponde cunha maior potencia recollida na RFEH ambiental asumindo unha incidencia arbitraria tridimensional; isto comprobouse mediante medicións de campo en contornas urbanas. As matrices de alta ganancia pódense limitar a aplicacións WPT.
Para transferir os beneficios das antenas de alta ganancia a RFEH arbitrarias, utilízanse solucións de empaquetado ou deseño para superar o problema da directividade. Proponse unha pulseira de antena de parche dual para recoller enerxía dos RFEH Wi-Fi ambientais en dúas direccións. As antenas RFEH móbiles ambientales tamén están deseñadas como caixas 3D e impresas ou adheridas a superficies externas para reducir a área do sistema e permitir a colleita multidireccional. As estruturas de rectena cúbica presentan unha maior probabilidade de recepción de enerxía nos RFEH ambientais.
Realizáronse melloras no deseño da antena para aumentar o ancho do feixe, incluíndo elementos de parche parasitarios auxiliares, para mellorar o WPT a 2,4 GHz, matrices 4 × 1. Tamén se propuxo unha antena de malla de 6 GHz con varias rexións de feixe, demostrando varios feixes por porto. Propuxéronse rectenas de superficie de múltiples portos e rectificadores múltiples e antenas de captación de enerxía con patróns de radiación omnidireccionais para RFEH multidireccional e multipolarizada. Tamén se propuxeron rectificadores múltiples con matrices de formación de feixe e matrices de antenas multiporto para a recollida de enerxía multidireccional de alta ganancia.
En resumo, aínda que se prefiren as antenas de alta ganancia para mellorar a potencia obtida de baixas densidades de RF, os receptores altamente direccionais poden non ser ideais en aplicacións nas que se descoñece a dirección do transmisor (por exemplo, RFEH ambiente ou WPT a través de canles de propagación descoñecidas). Neste traballo, propóñense múltiples enfoques multi-feis para WPT e RFEH multidireccionais de alta ganancia.
2. Polarización da antena
A polarización da antena describe o movemento do vector de campo eléctrico en relación á dirección de propagación da antena. Os desajustes de polarización poden levar a unha transmisión/recepción reducida entre as antenas mesmo cando as direccións do lóbulo principal estean aliñadas. Por exemplo, se se usa unha antena LP vertical para a transmisión e unha antena horizontal LP para a recepción, non se recibirá enerxía. Nesta sección, revísanse os métodos informados para maximizar a eficiencia da recepción sen fíos e evitar as perdas de polarización desaxustada. Na Figura 6 dáse un resumo da arquitectura de rectenna proposta con respecto á polarización e na Táboa 4 dáse un exemplo de SoA.
Figura 6
Nas comunicacións móbiles, é pouco probable que se consiga un aliñamento de polarización lineal entre as estacións base e os teléfonos móbiles, polo que as antenas das estacións base están deseñadas para ser bipolarizadas ou multipolarizadas para evitar perdas de polarización por desfase. Non obstante, a variación de polarización das ondas LP debido aos efectos de múltiples camiños segue sendo un problema sen resolver. Baseándose no suposto de estacións base móbiles multipolarizadas, as antenas móbiles RFEH están deseñadas como antenas LP.
As rectennas CP úsanse principalmente en WPT porque son relativamente resistentes á falta de coincidencia. As antenas CP son capaces de recibir radiación CP coa mesma dirección de rotación (CP zurda ou dereita) ademais de todas as ondas LP sen perda de potencia. En calquera caso, a antena CP transmite e a antena LP recibe cunha perda de 3 dB (perda de potencia do 50%). Infórmase que as rectenas CP son adecuadas para bandas industriais, científicas e médicas de 900 MHz e 2,4 GHz e 5,8 GHz, así como para ondas milimétricas. En RFEH de ondas polarizadas arbitrariamente, a diversidade de polarización representa unha solución potencial para as perdas de desaxuste de polarización.
A polarización total, tamén coñecida como multipolarización, propúxose para superar completamente as perdas de polarización desaxustada, permitindo a recollida de ondas CP e LP, onde dous elementos LP ortogonais de dobre polarización reciben efectivamente todas as ondas LP e CP. Para ilustralo, as tensións netas verticais e horizontais (VV e VH) permanecen constantes independentemente do ángulo de polarización:
Campo eléctrico "E" de onda electromagnética CP, onde a enerxía recóllese dúas veces (unha vez por unidade), recibindo así completamente o compoñente CP e superando a perda de desaxuste de polarización de 3 dB:
Finalmente, mediante a combinación de CC, pódense recibir ondas incidentes de polarización arbitraria. A figura 7 mostra a xeometría da rectenna totalmente polarizada.
Figura 7
En resumo, en aplicacións WPT con fontes de alimentación dedicadas, prefírese CP porque mellora a eficiencia WPT independentemente do ángulo de polarización da antena. Por outra banda, na adquisición de fontes múltiples, especialmente a partir de fontes ambientais, as antenas totalmente polarizadas poden acadar unha mellor recepción xeral e a máxima portabilidade; As arquitecturas de múltiples portos/multi-rectificadores son necesarias para combinar potencia totalmente polarizada en RF ou DC.
Resumo
Este traballo revisa o progreso recente no deseño de antenas para RFEH e WPT, e propón unha clasificación estándar do deseño de antenas para RFEH e WPT que non foi proposta na literatura anterior. Identificáronse tres requisitos básicos de antena para lograr unha alta eficiencia de RF a CC:
1. Ancho de banda de impedancia do rectificador de antena para as bandas de interese RFEH e WPT;
2. Aliñación do lóbulo principal entre o transmisor e o receptor en WPT a partir dunha alimentación dedicada;
3. Correspondencia de polarización entre a rectenna e a onda incidente independentemente do ángulo e da posición.
En función da impedancia, as rectennas clasifícanse en rectennas de 50Ω e rectificadoras conxugadas, centrándose na adaptación de impedancia entre diferentes bandas e cargas e na eficiencia de cada método de adaptación.
Revisáronse as características de radiación das rectennas SoA desde a perspectiva da directividade e polarización. Discútanse métodos para mellorar a ganancia mediante a formación de feixe e o empaquetado para superar o ancho de feixe estreito. Finalmente, revísanse as rectennas CP para WPT, xunto con varias implementacións para lograr unha recepción independente da polarización para WPT e RFEH.
Para obter máis información sobre as antenas, visite:
Hora de publicación: 16-ago-2024
