Antenne-gelijkrichter co-ontwerp
Het kenmerk van rectennes volgens de EG-topologie in Figuur 2 is dat de antenne direct is afgestemd op de gelijkrichter, in plaats van de 50Ω-standaard, waarbij het aanpassingscircuit voor de gelijkrichter moet worden geminimaliseerd of geëlimineerd. In deze sectie worden de voordelen besproken van SoA-rectennes met antennes die niet 50Ω zijn en rectennes zonder aanpassingsnetwerken.
1. Elektrisch kleine antennes
LC-resonantieringantennes worden veel gebruikt in toepassingen waar de systeemgrootte cruciaal is. Bij frequenties lager dan 1 GHz kan de golflengte ervoor zorgen dat standaard gedistribueerde elementantennes meer ruimte innemen dan de totale grootte van het systeem. Toepassingen zoals volledig geïntegreerde transceivers voor lichaamsimplantaten profiteren met name van het gebruik van elektrisch kleine antennes voor WPT.
De hoge inductieve impedantie van de kleine antenne (bijna resonantie) kan worden gebruikt om de gelijkrichter direct te koppelen of met een extra capacitief aanpassingsnetwerk op de chip. Elektrisch kleine antennes zijn gerapporteerd in WPT met LP en CP onder 1 GHz met behulp van Huygens-dipoolantennes, met ka = 0,645, terwijl ka = 5,91 in normale dipolen (ka = 2πr/λ0).
2. Gelijkrichter-conjugaatantenne
De typische ingangsimpedantie van een diode is zeer capacitief, dus een inductieve antenne is nodig om geconjugeerde impedantie te bereiken. Vanwege de capacitieve impedantie van de chip worden inductieve antennes met hoge impedantie veelvuldig gebruikt in RFID-tags. Dipoolantennes zijn recentelijk een trend geworden in RFID-antennes met complexe impedantie, met een hoge impedantie (weerstand en reactantie) nabij hun resonantiefrequentie.
Inductieve dipoolantennes zijn gebruikt om de hoge capaciteit van de gelijkrichter in de gewenste frequentieband te evenaren. In een gevouwen dipoolantenne fungeert de dubbele korte lijn (dipoolvouwing) als impedantietransformator, wat het ontwerp van een antenne met extreem hoge impedantie mogelijk maakt. Een andere mogelijkheid is bias-feeding, die zowel de inductieve reactantie als de daadwerkelijke impedantie verhoogt. Door meerdere gepolariseerde dipoolelementen te combineren met ongebalanceerde vlinderdasvormige radiale stubs, ontstaat een dubbele breedbandantenne met hoge impedantie. Figuur 4 toont enkele gerapporteerde gelijkrichter-conjugaatantennes.
Figuur 4
Stralingskarakteristieken in RFEH en WPT
In het Friis-model is het vermogen PRX dat een antenne op een afstand d van de zender ontvangt een directe functie van de versterkingen van de ontvanger en zender (GRX, GTX).
De richtingsgevoeligheid en polarisatie van de hoofdlob van de antenne hebben een directe invloed op de hoeveelheid vermogen die uit de invallende golf wordt verzameld. De stralingskarakteristieken van de antenne zijn belangrijke parameters die het verschil maken tussen omgevings-RFEH en WPT (Figuur 5). Hoewel in beide toepassingen het voortplantingsmedium onbekend kan zijn en het effect ervan op de ontvangen golf in aanmerking moet worden genomen, kan kennis van de zendantenne worden benut. Tabel 3 identificeert de belangrijkste parameters die in deze sectie worden besproken en hun toepasbaarheid op RFEH en WPT.
Figuur 5
1. Richtingsgevoeligheid en versterking
In de meeste RFEH- en WPT-toepassingen wordt ervan uitgegaan dat de collector de richting van de invallende straling niet kent en dat er geen zichtlijn (LoS) is. In dit werk zijn meerdere antenneontwerpen en -plaatsingen onderzocht om het ontvangen vermogen van een onbekende bron te maximaliseren, onafhankelijk van de uitlijning van de hoofdlob tussen de zender en de ontvanger.
Omnidirectionele antennes worden veel gebruikt in omgevingsgerichte RFEH-rectennes. In de literatuur varieert de PSD afhankelijk van de oriëntatie van de antenne. De variatie in vermogen is echter niet verklaard, waardoor het niet mogelijk is om te bepalen of de variatie te wijten is aan het stralingspatroon van de antenne of aan polarisatiemismatch.
Naast RFEH-toepassingen zijn directionele antennes en arrays met hoge versterking veelvuldig gebruikt voor microgolf-WPT om de verzamelefficiëntie van lage RF-vermogensdichtheden te verbeteren of voortplantingsverliezen te compenseren. Yagi-Uda rectenna-arrays, bowtie-arrays, spiraalarrays, tight coupled Vivaldi-arrays, CPW CP-arrays en patcharrays behoren tot de schaalbare rectenna-implementaties die de invallende vermogensdichtheid binnen een bepaald gebied kunnen maximaliseren. Andere benaderingen om de antenneversterking te verbeteren, zijn onder andere substraatgeïntegreerde golfgeleidertechnologie (SIW) in microgolf- en millimetergolfbanden, specifiek voor WPT. Rectenna's met hoge versterking worden echter gekenmerkt door smalle bundelbreedtes, waardoor de ontvangst van golven in willekeurige richtingen inefficiënt is. Onderzoek naar het aantal antenne-elementen en -poorten concludeerde dat een hogere richtingsgevoeligheid niet overeenkomt met een hoger geoogst vermogen bij omgevings-RFEH, uitgaande van een driedimensionale willekeurige inval; dit werd geverifieerd door veldmetingen in stedelijke omgevingen. Arrays met hoge versterking kunnen beperkt blijven tot WPT-toepassingen.
Om de voordelen van antennes met hoge versterking over te brengen op willekeurige RFEH's, worden verpakkings- of lay-outoplossingen gebruikt om het probleem van de richtingsgevoeligheid te ondervangen. Een dual-patch antenne-polsband wordt voorgesteld om energie te verzamelen van omgevings-wifi-RFEH's in twee richtingen. Omgevings-cellulaire RFEH-antennes worden ook ontworpen als 3D-dozen en geprint of bevestigd op externe oppervlakken om het systeemoppervlak te verkleinen en multidirectionele energieverzameling mogelijk te maken. Kubieke rectenna-structuren vertonen een hogere waarschijnlijkheid van energieontvangst in omgevings-RFEH's.
Verbeteringen in het antenneontwerp om de bundelbreedte te vergroten, inclusief extra parasitaire patchelementen, werden doorgevoerd om de WPT op 2,4 GHz, 4 × 1 arrays te verbeteren. Er werd ook een 6 GHz mesh-antenne met meerdere bundelgebieden voorgesteld, die meerdere bundels per poort demonstreerde. Oppervlakte-rectenna's met meerdere poorten en meerdere gelijkrichters en energie-oogstende antennes met omnidirectionele stralingspatronen zijn voorgesteld voor multidirectionele en multigepolariseerde RFEH. Ook zijn multi-gelijkrichters met beamforming-matrices en antenne-arrays met meerdere poorten voorgesteld voor multidirectionele energieoogstende antennes met hoge versterking.
Kortom, hoewel antennes met hoge versterking de voorkeur genieten om het vermogen uit lage RF-dichtheden te verbeteren, zijn zeer directionele ontvangers mogelijk niet ideaal in toepassingen waarbij de zenderrichting onbekend is (bijvoorbeeld omgevings-RFEH of WPT via onbekende propagatiekanalen). In dit werk worden meerdere multi-beam-benaderingen voorgesteld voor multidirectionele WPT en RFEH met hoge versterking.
2. Antennepolarisatie
Antennepolarisatie beschrijft de beweging van de elektrische veldvector ten opzichte van de voortplantingsrichting van de antenne. Polarisatiemismatches kunnen leiden tot verminderde transmissie/ontvangst tussen antennes, zelfs wanneer de hoofdlobrichtingen zijn uitgelijnd. Als bijvoorbeeld een verticale LP-antenne wordt gebruikt voor transmissie en een horizontale LP-antenne voor ontvangst, zal er geen vermogen worden ontvangen. In deze sectie worden gerapporteerde methoden besproken voor het maximaliseren van de draadloze ontvangstefficiëntie en het voorkomen van verliezen door polarisatiemismatches. Een samenvatting van de voorgestelde rectenna-architectuur met betrekking tot polarisatie is te vinden in Figuur 6 en een voorbeeld van een SoA is te vinden in Tabel 4.
Figuur 6
In mobiele communicatie is het onwaarschijnlijk dat lineaire polarisatie-uitlijning tussen basisstations en mobiele telefoons wordt bereikt. Daarom worden antennes van basisstations ontworpen met een dubbele of meervoudige polarisatie om verliezen door polarisatiemismatch te voorkomen. De polarisatievariatie van lage-frequentiegolven als gevolg van multipath-effecten blijft echter een onopgelost probleem. Gebaseerd op de aanname van multigepolariseerde mobiele basisstations, worden mobiele RFEH-antennes ontworpen als lage-frequentieantennes.
CP-rectennes worden voornamelijk gebruikt in WPT omdat ze relatief resistent zijn tegen mismatch. CP-antennes kunnen CP-straling met dezelfde rotatierichting (links- of rechtsdraaiende CP) ontvangen, naast alle LP-golven, zonder vermogensverlies. In elk geval zendt de CP-antenne en ontvangt de LP-antenne met een verlies van 3 dB (50% vermogensverlies). CP-rectennes zijn naar verluidt geschikt voor industriële, wetenschappelijke en medische frequenties van 900 MHz en 2,4 GHz en 5,8 GHz, evenals voor millimetergolven. Bij RFEH van willekeurig gepolariseerde golven vertegenwoordigt polarisatiediversiteit een mogelijke oplossing voor verliezen door polarisatiemismatch.
Volledige polarisatie, ook wel multipolarisatie genoemd, is voorgesteld om verliezen door polarisatiemismatch volledig te ondervangen, waardoor zowel CP- als LP-golven kunnen worden verzameld. Twee dubbel gepolariseerde orthogonale LP-elementen ontvangen effectief alle LP- en CP-golven. Ter illustratie blijven de verticale en horizontale netspanningen (VV en VH) constant, ongeacht de polarisatiehoek:
CP elektromagnetische golf “E” elektrisch veld, waarbij vermogen tweemaal wordt verzameld (eenmaal per eenheid), waardoor de CP-component volledig wordt ontvangen en het verlies van 3 dB door polarisatiemismatch wordt overwonnen:
Ten slotte kunnen via DC-combinatie invallende golven met willekeurige polarisatie worden ontvangen. Figuur 7 toont de geometrie van de gerapporteerde volledig gepolariseerde rectenna.
Figuur 7
Kortom, in WPT-toepassingen met speciale voedingen heeft CP de voorkeur omdat het de WPT-efficiëntie verbetert, ongeacht de polarisatiehoek van de antenne. Aan de andere kant kunnen volledig gepolariseerde antennes bij multi-source acquisitie, met name van omgevingsbronnen, een betere algehele ontvangst en maximale draagbaarheid bereiken; architecturen met meerdere poorten/meerdere gelijkrichters zijn vereist om volledig gepolariseerd vermogen te combineren bij RF of DC.
Samenvatting
In dit artikel wordt de recente vooruitgang in antenneontwerp voor RFEH en WPT besproken en wordt een standaardclassificatie voor antenneontwerp voor RFEH en WPT voorgesteld die nog niet eerder in de literatuur is voorgesteld. Drie basisvereisten voor antennes om een hoge RF-naar-DC-efficiëntie te bereiken, zijn geïdentificeerd:
1. Impedantiebandbreedte van de antennegelijkrichter voor de relevante RFEH- en WPT-banden;
2. Uitlijning van de hoofdlob tussen zender en ontvanger in WPT vanuit een speciale feed;
3. Polarisatieaanpassing tussen de rectenna en de invallende golf, ongeacht de hoek en positie.
Op basis van impedantie worden rectennes ingedeeld in 50Ω en gelijkrichter-conjugaat-rectennes, met de nadruk op impedantieaanpassing tussen verschillende banden en belastingen en de efficiëntie van elke aanpassingsmethode.
De stralingskarakteristieken van SoA-rectennes zijn beoordeeld vanuit het perspectief van richtingsgevoeligheid en polarisatie. Methoden om de versterking te verbeteren door middel van beamforming en packaging om een smalle bundelbreedte te overwinnen, worden besproken. Tot slot worden CP-rectennes voor WPT besproken, samen met diverse implementaties om polarisatie-onafhankelijke ontvangst voor WPT en RFEH te bereiken.
Voor meer informatie over antennes kunt u terecht op:
Plaatsingstijd: 16-08-2024
