Bashkëprojektim i Antenës-Rrektifuesit
Karakteristika e rektenave që ndjekin topologjinë EG në Figurën 2 është se antena përputhet drejtpërdrejt me ndreqësin, në vend të standardit 50Ω, i cili kërkon minimizimin ose eliminimin e qarkut përputhës për të furnizuar me energji ndreqësin. Ky seksion shqyrton avantazhet e rektenave SoA me antena jo-50Ω dhe rektenave pa rrjete përputhëse.
1. Antena të vogla elektrike
Antenat unazore rezonante LC janë përdorur gjerësisht në aplikime ku madhësia e sistemit është kritike. Në frekuenca nën 1 GHz, gjatësia e valës mund të shkaktojë që antenat standarde të elementeve të shpërndara të zënë më shumë hapësirë sesa madhësia e përgjithshme e sistemit, dhe aplikime të tilla si marrës-transmetuesit plotësisht të integruar për implantet e trupit përfitojnë veçanërisht nga përdorimi i antenave elektrikisht të vogla për WPT.
Impedanca e lartë induktive e antenës së vogël (afër rezonancës) mund të përdoret për të lidhur drejtpërdrejt ndreqësin ose me një rrjet shtesë përputhës kapacitiv në çip. Antena elektrikisht të vogla janë raportuar në WPT me LP dhe CP nën 1 GHz duke përdorur antena dipolare Huygens, me ka=0.645, ndërsa ka=5.91 në dipole normale (ka=2πr/λ0).
2. Antenë konjugat ndreqëse
Impedanca tipike hyrëse e një diode është shumë kapacitive, kështu që kërkohet një antenë induktive për të arritur impedancën konjugat. Për shkak të impedancës kapacitive të çipit, antenat induktive me impedancë të lartë janë përdorur gjerësisht në etiketat RFID. Antenat dipole janë bërë kohët e fundit një trend në antenat RFID me impedancë komplekse, duke shfaqur impedancë të lartë (rezistencë dhe reaktancë) pranë frekuencës së tyre rezonante.
Antenat dipolare induktive janë përdorur për të përputhur kapacitetin e lartë të ndreqësit në brezin e frekuencave të interesit. Në një antenë dipolare të palosur, linja e shkurtër e dyfishtë (palosja e dipolit) vepron si një transformator i impedancës, duke lejuar projektimin e një antene me impedancë jashtëzakonisht të lartë. Nga ana tjetër, ushqimi i polarizuar është përgjegjës për rritjen e reaktancës induktive, si dhe të impedancës aktuale. Kombinimi i elementëve të shumtë dipolarë të polarizuar me stube radiale me hark të pabalancuar formon një antenë të dyfishtë me impedancë të lartë me brez të gjerë. Figura 4 tregon disa antena të konjuguara të ndreqësit të raportuara.
Figura 4
Karakteristikat e rrezatimit në RFEH dhe WPT
Në modelin Friis, fuqia PRX e marrë nga një antenë në një distancë d nga transmetuesi është një funksion i drejtpërdrejtë i fitimeve të marrësit dhe transmetuesit (GRX, GTX).
Drejtueshmëria dhe polarizimi i lobit kryesor të antenës ndikojnë drejtpërdrejt në sasinë e energjisë së mbledhur nga vala incidente. Karakteristikat e rrezatimit të antenës janë parametra kryesorë që dallojnë midis RFEH ambientit dhe WPT (Figura 5). Ndërsa në të dyja aplikimet mediumi i përhapjes mund të jetë i panjohur dhe efekti i tij në valën e marrë duhet të merret në konsideratë, njohuria e antenës transmetuese mund të shfrytëzohet. Tabela 3 identifikon parametrat kryesorë të diskutuar në këtë seksion dhe zbatueshmërinë e tyre në RFEH dhe WPT.
Figura 5
1. Drejtueshmëria dhe Fitimi
Në shumicën e aplikacioneve RFEH dhe WPT, supozohet se kolektori nuk e di drejtimin e rrezatimit incident dhe nuk ka shteg në vijën e shikimit (LoS). Në këtë punim, janë hetuar dizajne dhe vendosje të shumëfishta të antenave për të maksimizuar fuqinë e marrë nga një burim i panjohur, pavarësisht nga shtrirja e lobit kryesor midis transmetuesit dhe marrësit.
Antenat omnidireksionale janë përdorur gjerësisht në rectenat RFEH mjedisore. Në literaturë, PSD ndryshon në varësi të orientimit të antenës. Megjithatë, ndryshimi në fuqi nuk është shpjeguar, kështu që nuk është e mundur të përcaktohet nëse ndryshimi është për shkak të modelit të rrezatimit të antenës apo për shkak të mospërputhjes së polarizimit.
Përveç aplikimeve RFEH, antenat dhe vargjet drejtuese me fitim të lartë janë raportuar gjerësisht për WPT mikrovalë për të përmirësuar efikasitetin e mbledhjes së dendësisë së ulët të fuqisë RF ose për të kapërcyer humbjet e përhapjes. Vargjet rectenna Yagi-Uda, vargjet me hark, vargjet spirale, vargjet Vivaldi të lidhura fort, vargjet CPW CP dhe vargjet patch janë ndër implementimet e shkallëzueshme të rectenna që mund të maksimizojnë dendësinë e fuqisë incidente nën një zonë të caktuar. Qasje të tjera për të përmirësuar fitimin e antenës përfshijnë teknologjinë e valëudhëzuesit të integruar në substrat (SIW) në brezat e valëve mikrovalë dhe milimetër, specifike për WPT. Megjithatë, rectenat me fitim të lartë karakterizohen nga gjerësi të ngushta rrezesh, duke e bërë pritjen e valëve në drejtime arbitrare joefikase. Hetimet mbi numrin e elementëve dhe porteve të antenave arritën në përfundimin se drejtueshmëria më e lartë nuk korrespondon me fuqi më të lartë të mbledhur në RFEH ambienti duke supozuar incidencë arbitrare tre-dimensionale; kjo u verifikua nga matjet në terren në mjediset urbane. Vargjet me fitim të lartë mund të kufizohen në aplikimet WPT.
Për të transferuar përfitimet e antenave me fitim të lartë në RFEH arbitrare, përdoren zgjidhje paketimi ose paraqitjeje për të kapërcyer problemin e drejtimit. Propozohet një rrip dore me antenë me dy pjesë për të mbledhur energji nga RFEH-të Wi-Fi të ambientit në dy drejtime. Antenat celulare RFEH të ambientit janë gjithashtu të projektuara si kuti 3D dhe të shtypura ose të ngjitura në sipërfaqe të jashtme për të zvogëluar sipërfaqen e sistemit dhe për të mundësuar mbledhjen shumëdrejtimëshe. Strukturat kubike të rektenës shfaqin probabilitet më të lartë të marrjes së energjisë në RFEH-të e ambientit.
Përmirësime në projektimin e antenës për të rritur gjerësinë e rrezes, duke përfshirë elementë ndihmës parazitarë të patch-it, u bënë për të përmirësuar WPT në 2.4 GHz, vargje 4 × 1. U propozua gjithashtu një antenë rrjetë 6 GHz me rajone të shumëfishta rrezesh, duke demonstruar rreze të shumëfishta për port. Rektena sipërfaqësore me shumë porta, shumë-ndreqëse dhe antena për mbledhjen e energjisë me modele rrezatimi omnidireksionale janë propozuar për RFEH shumë-direksionale dhe shumë-polarizuar. Shumë-ndreqësues me matrica formuese rrezesh dhe vargje antenash shumë-portëshe janë propozuar gjithashtu për mbledhje energjie me fitim të lartë dhe shumë-direksionale.
Si përmbledhje, ndërsa antenat me fitim të lartë preferohen për të përmirësuar fuqinë e mbledhur nga dendësi të ulëta RF, marrësit me drejtim të lartë mund të mos jenë idealë në aplikimet ku drejtimi i transmetuesit është i panjohur (p.sh., RFEH ambienti ose WPT përmes kanaleve të panjohura të përhapjes). Në këtë punim, propozohen qasje të shumëfishta shumë-rreze për WPT dhe RFEH me fitim të lartë shumë-drejtimësh.
2. Polarizimi i Antenës
Polarizimi i antenës përshkruan lëvizjen e vektorit të fushës elektrike në lidhje me drejtimin e përhapjes së antenës. Mospërputhjet e polarizimit mund të çojnë në transmetim/marrje të reduktuar midis antenave edhe kur drejtimet e lobeve kryesore janë të rreshtuara. Për shembull, nëse një antenë vertikale LP përdoret për transmetim dhe një antenë horizontale LP përdoret për marrje, nuk do të merret energji. Në këtë seksion, rishikohen metodat e raportuara për maksimizimin e efikasitetit të pritjes pa tel dhe shmangien e humbjeve të mospërputhjes së polarizimit. Një përmbledhje e arkitekturës së propozuar të rectenna në lidhje me polarizimin është dhënë në Figurën 6 dhe një shembull i SoA është dhënë në Tabelën 4.
Figura 6
Në komunikimet celulare, shtrirja lineare e polarizimit midis stacioneve bazë dhe telefonave celularë nuk ka gjasa të arrihet, kështu që antenat e stacioneve bazë janë projektuar të jenë të dyfishta ose shumëpolare për të shmangur humbjet e mospërputhjes së polarizimit. Megjithatë, ndryshimi i polarizimit të valëve LP për shkak të efekteve shumëpalëshe mbetet një problem i pazgjidhur. Bazuar në supozimin e stacioneve bazë mobile shumëpolare, antenat celulare RFEH janë projektuar si antena LP.
Rektena CP përdoren kryesisht në WPT sepse janë relativisht rezistente ndaj mospërputhjes. Antenat CP janë në gjendje të marrin rrezatim CP me të njëjtin drejtim rrotullimi (CP majtas ose djathtas) përveç të gjitha valëve LP pa humbje të energjisë. Sidoqoftë, antena CP transmeton dhe antena LP merr me një humbje prej 3 dB (humbje energjie 50%). Rektena CP raportohet të jetë e përshtatshme për bandat industriale, shkencore dhe mjekësore 900 MHz dhe 2.4 GHz dhe 5.8 GHz, si dhe valët milimetrike. Në RFEH të valëve të polarizuara në mënyrë arbitrare, diversiteti i polarizimit përfaqëson një zgjidhje të mundshme për humbjet e mospërputhjes së polarizimit.
Polarizimi i plotë, i njohur edhe si multi-polarizim, është propozuar për të kapërcyer plotësisht humbjet e mospërputhjes së polarizimit, duke mundësuar mbledhjen e valëve CP dhe LP, ku dy elementë LP ortogonalë me polarizim të dyfishtë marrin në mënyrë efektive të gjitha valët LP dhe CP. Për ta ilustruar këtë, tensionet neto vertikale dhe horizontale (VV dhe VH) mbeten konstante pavarësisht nga këndi i polarizimit:
Fusha elektrike "E" e valës elektromagnetike CP, ku fuqia mblidhet dy herë (një herë për njësi), duke marrë kështu plotësisht komponentin CP dhe duke kapërcyer humbjen e mospërputhjes së polarizimit prej 3 dB:
Së fundmi, nëpërmjet kombinimit DC, mund të merren valë incidente të polarizimit arbitrar. Figura 7 tregon gjeometrinë e rektenës së raportuar plotësisht të polarizuar.
Figura 7
Si përmbledhje, në aplikacionet WPT me furnizime të dedikuara me energji, CP preferohet sepse përmirëson efikasitetin e WPT pavarësisht nga këndi i polarizimit të antenës. Nga ana tjetër, në marrjen me shumë burime, veçanërisht nga burimet e ambientit, antenat plotësisht të polarizuara mund të arrijnë një pritje më të mirë të përgjithshme dhe transportueshmëri maksimale; arkitekturat me shumë porta/shumë ndreqës kërkohen për të kombinuar energjinë plotësisht të polarizuar në RF ose DC.
Përmbledhje
Ky punim shqyrton progresin e fundit në projektimin e antenave për RFEH dhe WPT, dhe propozon një klasifikim standard të projektimit të antenave për RFEH dhe WPT që nuk është propozuar në literaturën e mëparshme. Janë identifikuar tre kërkesa themelore të antenave për arritjen e efikasitetit të lartë RF-në-DC si:
1. Gjerësia e brezit të impedancës së ndreqësit të antenës për brezat RFEH dhe WPT të interesit;
2. Rreshtimi i lobit kryesor midis transmetuesit dhe marrësit në WPT nga një furnizim i dedikuar;
3. Përputhja e polarizimit midis rektenës dhe valës incidente pavarësisht nga këndi dhe pozicioni.
Bazuar në impedancë, rektenat klasifikohen në rektena të konjuguara 50Ω dhe ndreqëse, me fokus në përputhjen e impedancës midis brezave dhe ngarkesave të ndryshme dhe efikasitetin e secilës metodë përputhjeje.
Karakteristikat e rrezatimit të rektenave SoA janë shqyrtuar nga perspektiva e drejtueshmërisë dhe polarizimit. Diskutohen metodat për të përmirësuar fitimin me anë të formimit të rrezes dhe paketimit për të kapërcyer gjerësinë e ngushtë të rrezes. Së fundmi, shqyrtohen rektena CP për WPT, së bashku me zbatime të ndryshme për të arritur pritje të pavarur nga polarizimi për WPT dhe RFEH.
Për të mësuar më shumë rreth antenave, ju lutemi vizitoni:
Koha e postimit: 16 gusht 2024
