Deseño conxunto de antena e rectificador
A característica das rectenas que seguen a topoloxía EG da Figura 2 é que a antena se adapta directamente ao rectificador, en lugar do estándar de 50 Ω, o que require minimizar ou eliminar o circuíto de adaptación para alimentar o rectificador. Esta sección revisa as vantaxes das rectenas SoA con antenas que non son de 50 Ω e as rectenas sen redes de adaptación.
1. Antenas electricamente pequenas
As antenas de anel resonante LC empregáronse amplamente en aplicacións onde o tamaño do sistema é fundamental. 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 as aplicacións como os transceptores totalmente integrados para implantes corporais benefícianse especialmente do uso de antenas electricamente pequenas para a WPT.
A alta impedancia indutiva da pequena antena (case resonante) pódese empregar para acoplar directamente o rectificador ou cunha rede de adaptación capacitiva adicional no chip. Informáronse de antenas electricamente pequenas en WPT 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 moi capacitiva, polo que se require unha antena indutiva para conseguir unha impedancia conxugada. Debido á impedancia capacitiva do chip, as antenas indutivas de alta impedancia utilizáronse amplamente nas etiquetas RFID. As antenas dipolo convertéronse recentemente nunha tendencia nas antenas RFID de impedancia complexa, presentando unha alta impedancia (resistencia e reactancia) preto da súa frecuencia de resonancia.
As antenas dipolo indutivas empregáronse para adaptarse á alta capacitancia do rectificador na banda de frecuencia de interese. Nunha antena dipolo pregada, a dobre liña curta (pregamento dipolar) actúa como un transformador de impedancia, o que permite o deseño dunha antena de impedancia extremadamente alta. Alternativamente, a alimentación de polarización é responsable de aumentar a reactancia indutiva, así como a impedancia real. A combinación de múltiples elementos dipolos polarizados con puntas radiais de pajarita desequilibradas forma unha antena de alta impedancia de banda ancha dual. A figura 4 mostra algunhas antenas conxugadas de rectificador descritas.
Figura 4
Características da radiación en RFEH e WPT
No modelo de Friis, a potencia PRX recibida por unha antena a unha distancia d do transmisor é función directa das ganancias do receptor e do transmisor (GRX, GTX).
A directividade e a polarización do lóbulo principal da antena inflúen directamente na cantidade de potencia recollida da onda incidente. As características da radiación da antena son parámetros clave que diferencian entre a RFEH ambiental e a WPT (Figura 5). Aínda que en ambas as aplicacións o medio de propagación pode ser descoñecido e o seu efecto na onda recibida debe ser considerado, pódese aproveitar o coñecemento da antena transmisora. A Táboa 3 identifica os parámetros clave que se tratan nesta sección e a súa aplicabilidade á RFEH e á WPT.
Figura 5
1. Directividade e ganancia
Na maioría das aplicacións RFEH e WPT, asúmese que o colector descoñece a dirección da radiación incidente e que non existe unha traxectoria en liña de visión (LoS). Neste traballo, investigáronse varios 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 empregáronse amplamente en antenas rectilíneas RFEH ambientais. Na literatura, a densidade espectral de potencia (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 desaxuste de polarización.
Ademais das aplicacións de RFEH, as antenas e matrices direccionais de alta ganancia foron amplamente descritas para a 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 pajarita, as matrices en espiral, as matrices Vivaldi fortemente acopladas, as matrices CPW CP e as matrices de parche están entre as implementacións de rectenna escalables que poden maximizar a densidade de potencia incidente baixo unha determinada área. Outros enfoques para mellorar a ganancia da antena inclúen a tecnoloxía de guía de ondas integrada con substrato (SIW) en bandas de microondas e ondas milimétricas, específica para a WPT. Non obstante, as rectennas de alta ganancia caracterízanse por anchos de feixe estreitos, o que fai que a recepción de ondas en direccións arbitrarias sexa ineficiente. As investigacións sobre o número de elementos e portos da antena concluíron que unha maior directividade non se corresponde cunha maior potencia captada en RFEH ambiente asumindo unha incidencia arbitraria tridimensional; isto verificouse mediante medicións de campo en entornos urbanos. As matrices de alta ganancia poden limitarse ás aplicacións WPT.
Para transferir os beneficios das antenas de alta ganancia a RFEH arbitrarios, utilízanse solucións de empaquetado ou deseño para superar o problema da directividade. Proponse unha pulseira de antena de dobre parche para recoller enerxía dos RFEH Wi-Fi ambientais en dúas direccións. As antenas RFEH celulares ambientais tamén están deseñadas como caixas 3D e imprímense ou adhírense a superficies externas para reducir a área do sistema e permitir a recolección multidireccional. As estruturas de rectena cúbicas presentan unha maior probabilidade de recepción de enerxía nos RFEH ambientais.
Realizáronse melloras no deseño da antena para aumentar o ancho do feixe, incluídos elementos de parche parasitos auxiliares, para mellorar a WPT a 2,4 GHz, matrices 4 × 1. Tamén se propuxo unha antena de malla de 6 GHz con múltiples rexións de feixe, o que demostra varios feixes por porto. Propuxéronse rectángulos de superficie multiporto e multirrectificadores e antenas de captación de enerxía con patróns de radiación omnidireccionais para RFEH multidireccional e multipolarizada. Tamén se propuxeron multirrectificadores con matrices de formación de feixe e matrices de antenas multiporto para a captación de enerxía multidireccional e 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 onde se descoñece a dirección do transmisor (por exemplo, RFEH ambiental ou WPT a través de canles de propagación descoñecidas). Neste traballo, propóñense múltiples enfoques multifeixe para WPT e RFEH de alta ganancia multidireccionais.
2. Polarización da antena
A polarización da antena describe o movemento do vector do campo eléctrico en relación coa dirección de propagación da antena. Os desaxustes de polarización poden levar a unha redución da transmisión/recepción 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 LP horizontal para a recepción, non se recibirá enerxía. Nesta sección, revísanse os métodos descritos para maximizar a eficiencia da recepción inalámbrica e evitar as perdas por desaxuste de polarización. Na Figura 6 móstrase un resumo da arquitectura de rectena proposta con respecto á polarización e na Táboa 4 ofrécese un exemplo de SoA.
Figura 6
Nas comunicacións celulares, é improbable 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 ter unha polarización dual ou multipolarizada para evitar perdas por desaxuste de polarización. Non obstante, a variación de polarización das ondas LP debido aos efectos de traxectoria múltiple segue a ser un problema sen resolver. Baseándose na suposición de estacións base móbiles multipolarizadas, as antenas RFEH celulares están deseñadas como antenas LP.
As rectenas CP úsanse principalmente en WPT porque son relativamente resistentes á desadaptación. As antenas CP poden recibir radiación CP coa mesma dirección de rotación (CP zurda ou dextra) 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 (50 % de perda de potencia). Informouse de que as rectenas CP son axeitadas para bandas industriais, científicas e médicas de 900 MHz, 2,4 GHz e 5,8 GHz, así como para ondas milimétricas. Na RFEH de ondas polarizadas arbitrariamente, a diversidade de polarización representa unha solución potencial para as perdas por desadaptación de polarización.
Propúxose a polarización completa, tamén coñecida como multipolarización, para superar completamente as perdas por desaxuste de polarización, o que permite a recollida de ondas CP e LP, onde dous elementos LP ortogonais con dobre polarización reciben efectivamente todas as ondas LP e CP. Para ilustrar isto, as voltaxes netas verticais e horizontais (VV e VH) permanecen constantes independentemente do ángulo de polarización:
Campo eléctrico "E" de onda electromagnética CP, onde a enerxía se recolle 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 corrente continua, pódense recibir ondas incidentes de polarización arbitraria. A figura 7 mostra a xeometría da rectena totalmente polarizada rexistrada.
Figura 7
En resumo, nas aplicacións WPT con fontes de alimentación dedicadas, prefírese a CP porque mellora a eficiencia da WPT independentemente do ángulo de polarización da antena. Por outra banda, na adquisición multifonte, especialmente de fontes ambientais, as antenas totalmente polarizadas poden lograr unha mellor recepción xeral e a máxima portabilidade; requírense arquitecturas multiporto/multirrectificador para combinar potencia totalmente polarizada en RF ou CC.
Resumo
Este artigo revisa os avances recentes no deseño de antenas para RFEH e WPT, e propón unha clasificación estándar do deseño de antenas para RFEH e WPT que non se propuxo na literatura previa. Identificáronse tres requisitos básicos de antena para lograr unha alta eficiencia de RF a CC, como son:
1. Ancho de banda de impedancia do rectificador da antena para as bandas RFEH e WPT de interese;
2. Aliñamento do lóbulo principal entre o transmisor e o receptor en WPT desde unha alimentación dedicada;
3. Coincidencia de polarización entre a rectena e a onda incidente independentemente do ángulo e da posición.
En función da impedancia, as rectenas clasifícanse en rectenas de 50 Ω e rectenas de rectificador conxugado, centrándose na adaptación de impedancias entre diferentes bandas e cargas e na eficiencia de cada método de adaptación.
Revisáronse as características de radiación das rectenas SoA desde a perspectiva da directividade e a polarización. Discútense métodos para mellorar a ganancia mediante a formación de feixes e o empaquetamento para superar a estreita largura de feixe. Finalmente, revísanse as rectenas CP para WPT, xunto con varias implementacións para lograr unha recepción independente da polarización para WPT e RFEH.
Para saber máis sobre antenas, visita:
Data de publicación: 16 de agosto de 2024
