Ko-dizajnimi i antenës-ndreqës
Karakteristika e rectenave 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 të përputhjes për të fuqizuar ndreqësin. Ky seksion shqyrton avantazhet e rectenave SoA me antena jo-50Ω dhe rectenat pa rrjete të ngjashme.
1. Antena të vogla elektrike
Antenat unazore rezonante LC janë përdorur gjerësisht në aplikacione ku madhësia e sistemit është kritike. Në frekuencat nën 1 GHz, gjatësia e valës mund të bëjë që antenat standarde të elementeve të shpërndara të zënë më shumë hapësirë sesa madhësia e përgjithshme e sistemit dhe aplikacionet si transmetuesit plotësisht të integruar për implantet e trupit përfitojnë veçanërisht nga përdorimi i antenave elektrike të vogla për WPT.
Impedanca e lartë induktive e antenës së vogël (afër rezonancës) mund të përdoret për të bashkuar drejtpërdrejt ndreqësin ose me një rrjet shtesë të përputhjes kapacitore në çip. Antena të vogla elektrike janë raportuar në WPT me LP dhe CP nën 1 GHz duke përdorur antena dipole Huygens, me ka=0.645, ndërsa ka=5.91 në dipole normale (ka=2πr/λ0).
2. Antenë e konjuguar me ndreqës
Impedanca tipike e hyrjes së një diode është shumë kapacitore, kështu që kërkohet një antenë induktive për të arritur rezistencën e konjuguar. Për shkak të rezistencës kapacitore të çipit, antenat induktive me rezistencë 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 rezistencë të lartë (rezistencë dhe reaktancë) pranë frekuencës së tyre rezonante.
Antenat dipole induktive janë përdorur për të përshtatur kapacitetin e lartë të ndreqësit në brezin e frekuencës së interesit. Në një antenë dipole të palosur, linja e shkurtër e dyfishtë (palosja e dipolit) vepron si një transformator me rezistencë, duke lejuar dizajnimin e një antene me rezistencë jashtëzakonisht të lartë. Përndryshe, ushqimi i paragjykimit është përgjegjës për rritjen e reaktancës induktive si dhe rezistencën aktuale. Kombinimi i elementeve të shumëfishtë dipolësh të njëanshëm me trungjet radiale të pabalancuara me kravatë, formon një antenë të dyfishtë me rezistencë të lartë me brez të gjerë. Figura 4 tregon disa antena të konjuguara ndreqës 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 përfitimeve të marrësit dhe transmetuesit (GRX, GTX).
Drejtimi dhe polarizimi i lobit kryesor të antenës ndikojnë drejtpërdrejt në sasinë e fuqisë së mbledhur nga vala e incidentit. Karakteristikat e rrezatimit të antenës janë parametra kyç që bëjnë dallimin midis RFEH dhe WPT të ambientit (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 parasysh, njohuritë e antenës transmetuese mund të shfrytëzohen. Tabela 3 identifikon parametrat kryesorë të diskutuar në këtë seksion dhe zbatueshmërinë e tyre për RFEH dhe WPT.
Figura 5
1. Drejtimi dhe fitimi
Në shumicën e aplikacioneve RFEH dhe WPT, supozohet se kolektori nuk e njeh drejtimin e rrezatimit të incidentit dhe nuk ka rrugë të vijës së shikimit (LoS). Në këtë punë, dizajne dhe vendosje të shumta antenash janë hetuar për të maksimizuar fuqinë e marrë nga një burim i panjohur, pavarësisht nga shtrirja e lobit kryesor midis transmetuesit dhe marrësit.
Antenat omnidirectional janë përdorur gjerësisht në rectenat mjedisore RFEH. 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 grupet e drejtimit me fitim të lartë janë raportuar gjerësisht për WPT me mikrovalë për të përmirësuar efikasitetin e grumbullimit të densitetit të ulët të fuqisë RF ose për të kapërcyer humbjet e përhapjes. Vargjeve rectenna Yagi-Uda, vargjeve me papion, vargjeve spirale, grupeve Vivaldi të lidhura ngushtë, grupeve CPW CP dhe grupeve patch janë ndër implementimet e shkallëzueshme të rectenës që mund të maksimizojnë densitetin e fuqisë së incidentit në një zonë të caktuar. Qasje të tjera për të përmirësuar fitimin e antenës përfshijnë teknologjinë e valëve të integruara të substratit (SIW) në brezat e valëve me mikrovalë dhe milimetër, specifike për WPT. Megjithatë, rektenat me fitim të lartë karakterizohen nga gjerësi të ngushta rrezesh, duke e bërë marrjen e valëve në drejtime arbitrare joefikase. Hetimet në numrin e elementeve të antenës dhe portave arritën në përfundimin se drejtimi më i lartë nuk korrespondon me fuqinë më të lartë të korrur në RFEH të ambientit duke supozuar një incidencë arbitrare tredimensionale; kjo u vërtetua nga matjet në terren në mjediset urbane. Vargjet me fitim të lartë mund të kufizohen në aplikacionet WPT.
Për të transferuar përfitimet e antenave me fitim të lartë në RFEH arbitrare, zgjidhjet e paketimit ose paraqitjes përdoren për të kapërcyer problemin e drejtimit. Propozohet një rrip dore me antena me dy pika për të marrë energji nga RFEH-të Wi-Fi të ambientit në dy drejtime. Antenat celulare të ambientit RFEH janë projektuar gjithashtu si kuti 3D dhe printohen ose ngjiten në sipërfaqe të jashtme për të zvogëluar sipërfaqen e sistemit dhe për të mundësuar korrjen me shumë drejtime. Strukturat rektene kubike shfaqin probabilitet më të lartë të marrjes së energjisë në RFEH të ambientit.
Përmirësimet në dizajnin e antenës për të rritur gjerësinë e rrezes, duke përfshirë elementët ndihmës parazitarë, u bënë për të përmirësuar WPT në 2,4 GHz, 4 × 1 vargje. U propozua gjithashtu një antenë rrjetë 6 GHz me rajone të shumëfishta rrezesh, duke demonstruar rreze të shumta për port. Rektena sipërfaqësore me shumë porta, me shumë ndreqës dhe antena grumbulluese të energjisë me modele të rrezatimit gjithëdrejtues janë propozuar për RFEH me shumë drejtime dhe të polarizuara. Shumë-ndreqës me matrica formuese rreze dhe grupe antenash me shumë porta janë propozuar gjithashtu për grumbullimin e energjisë me fitim të lartë dhe me shumë drejtime.
Në përmbledhje, ndërsa antenat me fitim të lartë preferohen për të përmirësuar fuqinë e marrë nga dendësia e ulët RF, marrësit me drejtim të lartë mund të mos jenë idealë në aplikacionet ku drejtimi i transmetuesit është i panjohur (p.sh. RFEH ose WPT e ambientit përmes kanaleve të panjohura të përhapjes). Në këtë punë, janë propozuar qasje të shumta me shumë rreze për WPT dhe RFEH me fitim të lartë me shumë drejtime.
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 reduktim të transmetimit/marrjes ndërmjet antenave edhe kur drejtimet kryesore të lobit janë në linjë. Për shembull, nëse përdoret një antenë LP vertikale për transmetim dhe një antenë horizontale LP për marrjen, nuk do të merret energji. Në këtë seksion, shqyrtohen metodat e raportuara për maksimizimin e efikasitetit të marrjes me valë dhe shmangien e humbjeve të mospërputhjes së polarizimit. Një përmbledhje e arkitekturës së propozuar të rectenës në lidhje me polarizimin është dhënë në Figurën 6 dhe një shembull 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 të shumëpolarizuara për të shmangur humbjet e mospërputhjes së polarizimit. Megjithatë, ndryshimi i polarizimit të valëve LP për shkak të efekteve me shumë rrugë mbetet një problem i pazgjidhur. Bazuar në supozimin e stacioneve bazë celulare të shumëpolarizuara, antenat celulare RFEH janë projektuar si antena LP.
CP rectenat 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 me dorën e majtë ose të djathtë) përveç të gjitha valëve LP pa humbje të energjisë. Në çdo rast, antena CP transmeton dhe antena LP merr me një humbje 3 dB (50% humbje energjie). Rektena CP raportohet të jetë e përshtatshme për brezat industriale, shkencore dhe mjekësore 900 MHz dhe 2,4 GHz dhe 5,8 GHz, si dhe valët milimetrash. 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 gjithashtu si multi-polarizimi, është propozuar për të kapërcyer plotësisht humbjet e mospërputhjes së polarizimit, duke mundësuar grumbullimin e valëve CP dhe LP, ku dy elementë ortogonalë LP të dyfishtë të polarizuar marrin në mënyrë efektive të gjitha valët LP dhe CP. Për të ilustruar këtë, tensionet neto vertikale dhe horizontale (VV dhe VH) mbeten konstante pavarësisht nga këndi i polarizimit:
Fusha elektrike e valës elektromagnetike CP "E", 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 fundi, përmes kombinimit DC, valët e incidentit të polarizimit arbitrar mund të merren. Figura 7 tregon gjeometrinë e rektenës plotësisht të polarizuar të raportuar.
Figura 7
Në 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 fuqinë plotësisht të polarizuar në RF ose DC.
Përmbledhje
Ky dokument shqyrton progresin e fundit në projektimin e antenave për RFEH dhe WPT dhe propozon një klasifikim standard të dizajnit të antenës për RFEH dhe WPT që nuk është propozuar në literaturën e mëparshme. Tre kërkesat bazë të antenës për arritjen e efikasitetit të lartë RF-në-DC janë identifikuar si:
1. Gjerësia e brezit të rezistencës së rezistencës së ndreqësit të antenës për brezat RFEH dhe WPT me interes;
2. Rreshtimi i lobit kryesor ndërmjet transmetuesit dhe marrësit në WPT nga një furnizim i dedikuar;
3. Përputhja e polarizimit midis rektenës dhe valës së përplasjes pavarësisht nga këndi dhe pozicioni.
Bazuar në impedancën, rectenat klasifikohen në 50Ω dhe rectena të konjuguara ndreqës, me fokus në përputhjen e rezistencës ndërmjet brezave dhe ngarkesave të ndryshme dhe efikasitetin e secilës metodë të përputhjes.
Karakteristikat e rrezatimit të SoA rectennas janë rishikuar nga këndvështrimi i drejtimit dhe polarizimit. Diskutohen metodat për të përmirësuar fitimin duke formuar rreze dhe paketim për të kapërcyer gjerësinë e ngushtë të rrezes. Më në fund, rishikohen rectenat CP për WPT, së bashku me implementime të ndryshme për të arritur marrjen e pavarur nga polarizimi për WPT dhe RFEH.
Për të mësuar më shumë rreth antenave, ju lutemi vizitoni:
Koha e postimit: Gusht-16-2024
