Co-ontwerp antenne-gelijkrichter
Het kenmerk van rectennes die de EG-topologie in figuur 2 volgen, is dat de antenne rechtstreeks is afgestemd op de gelijkrichter, in plaats van op de 50Ω-standaard, die het minimaliseren of elimineren van het aanpassingscircuit vereist om de gelijkrichter van stroom te voorzien. In dit gedeelte worden de voordelen besproken van SoA-rectennes met niet-50Ω antennes en rectennes zonder bijpassende netwerken.
1. Elektrisch kleine antennes
LC-resonante ringantennes worden veel gebruikt in toepassingen waarbij de systeemgrootte van cruciaal belang is. Bij frequenties onder 1 GHz kan de golflengte ervoor zorgen dat standaard gedistribueerde elementantennes meer ruimte in beslag nemen dan de totale omvang van het systeem, en toepassingen zoals volledig geïntegreerde zendontvangers voor lichaamsimplantaten profiteren vooral 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 rechtstreeks te koppelen of met een extra capacitief matchingnetwerk op de chip. Er zijn elektrisch kleine antennes 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 vereist om een geconjugeerde impedantie te bereiken. Vanwege de capacitieve impedantie van de chip worden inductieve antennes met hoge impedantie op grote schaal gebruikt in RFID-tags. Dipoolantennes zijn onlangs een trend geworden in RFID-antennes met complexe impedantie, die een hoge impedantie (weerstand en reactantie) vertonen nabij hun resonantiefrequentie.
Er zijn inductieve dipoolantennes gebruikt om de hoge capaciteit van de gelijkrichter in de betreffende frequentieband te evenaren. In een gevouwen dipoolantenne fungeert de dubbele korte lijn (dipoolvouwen) als een impedantietransformator, waardoor een antenne met extreem hoge impedantie kan worden ontworpen. Als alternatief is bias-voeding verantwoordelijk voor het vergroten van zowel de inductieve reactantie als de feitelijke impedantie. Door meerdere voorgespannen dipoolelementen te combineren met ongebalanceerde radiale vlinderdasstompen ontstaat een dubbele breedbandantenne met hoge impedantie. Figuur 4 toont enkele gerapporteerde gelijkrichterconjugaatantennes.
Figuur 4
Stralingskarakteristieken in RFEH en WPT
In het Friis-model is het PRX-vermogen dat wordt ontvangen door een antenne op afstand d van de zender een directe functie van de ontvanger- en zenderversterkingen (GRX, GTX).
De richtingsgevoeligheid en polarisatie van de hoofdlob van de antenne hebben een directe invloed op de hoeveelheid energie die uit de invallende golf wordt verzameld. Antennestralingskarakteristieken zijn sleutelparameters die onderscheid 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 overweging 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. Directiviteit en winst
Bij de meeste RFEH- en WPT-toepassingen wordt aangenomen dat de collector de richting van de invallende straling niet kent en dat er geen zichtlijnpad (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 op grote schaal gebruikt in RFEH-rectenna's in de omgeving. In de literatuur varieert de PSD afhankelijk van de oriëntatie van de antenne. De variatie in vermogen is echter niet verklaard, dus het is niet mogelijk om te bepalen of de variatie te wijten is aan het stralingspatroon van de antenne of aan polarisatie-mismatch.
Naast RFEH-toepassingen zijn er op grote schaal gerichte antennes en arrays met hoge versterking gerapporteerd voor microgolf-WPT om de verzamelefficiëntie van lage RF-vermogensdichtheid te verbeteren of voortplantingsverliezen te overwinnen. Yagi-Uda rectenna-arrays, bowtie-arrays, spiraalarrays, nauw gekoppelde Vivaldi-arrays, CPW CP-arrays en patch-arrays behoren tot de schaalbare rectenna-implementaties die de invallende vermogensdichtheid onder een bepaald gebied kunnen maximaliseren. Andere benaderingen om de antenneversterking te verbeteren zijn onder meer 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 wordt. Onderzoek naar het aantal antenne-elementen en poorten concludeerde dat een hogere richtingsgevoeligheid niet overeenkomt met een hoger geoogst vermogen in omgevings-RFEH, uitgaande van een driedimensionale willekeurige inval; dit werd geverifieerd door veldmetingen in stedelijke omgevingen. Arrays met hoge versterking kunnen worden beperkt tot WPT-toepassingen.
Om de voordelen van antennes met hoge versterking over te dragen naar willekeurige RFEH's, worden verpakkings- of lay-outoplossingen gebruikt om het directiviteitsprobleem op te lossen. Er wordt een dual-patch antennepolsband voorgesteld om energie uit omringende Wi-Fi RFEH's in twee richtingen te oogsten. Ambient cellulaire RFEH-antennes zijn ook ontworpen als 3D-boxen en geprint of geplakt op externe oppervlakken om het systeemoppervlak te verkleinen en multidirectionele oogst mogelijk te maken. Kubieke rectenna-structuren vertonen een grotere kans op energie-ontvangst in omgevings-RFEH's.
Er zijn verbeteringen aan het antenneontwerp aangebracht om de bundelbreedte te vergroten, inclusief aanvullende parasitaire patchelementen, om de WPT bij 2,4 GHz, 4 x 1 arrays te verbeteren. Er werd ook een 6 GHz mesh-antenne met meerdere bundelgebieden voorgesteld, die meerdere bundels per poort demonstreert. Er zijn oppervlakterectennes met meerdere poorten, meerdere gelijkrichters en antennes voor het oogsten van energie met omnidirectionele stralingspatronen voorgesteld voor multidirectionele en multi-gepolariseerde RFEH. Er zijn ook multi-gelijkrichters met bundelvormende matrices en antenne-arrays met meerdere poorten voorgesteld voor het oogsten van energie in meerdere richtingen met hoge versterking.
Samenvattend: hoewel antennes met hoge versterking de voorkeur hebben om het vermogen te verbeteren dat wordt geoogst uit lage RF-dichtheden, zijn sterk directionele ontvangers mogelijk niet ideaal in toepassingen waarbij de zenderrichting onbekend is (bijvoorbeeld omgevings-RFEH of WPT via onbekende voortplantingskanalen). 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. Polarisatie-mismatches kunnen leiden tot verminderde transmissie/ontvangst tussen antennes, zelfs als de hoofdlobrichtingen op één lijn liggen. Als er bijvoorbeeld een verticale LP-antenne wordt gebruikt voor verzending en een horizontale LP-antenne voor ontvangst, wordt er geen stroom ontvangen. In deze sectie worden gerapporteerde methoden voor het maximaliseren van de efficiëntie van draadloze ontvangst en het vermijden van verliezen door polarisatie-mismatch besproken. Een samenvatting van de voorgestelde rectenna-architectuur met betrekking tot polarisatie wordt gegeven in Figuur 6 en een voorbeeld van een SoA wordt gegeven in Tabel 4.
Figuur 6
Bij cellulaire communicatie is het onwaarschijnlijk dat lineaire polarisatie-uitlijning tussen basisstations en mobiele telefoons wordt bereikt, daarom zijn basisstationantennes ontworpen om dubbel gepolariseerd of multi-gepolariseerd te zijn om verliezen door polarisatie-mismatch te voorkomen. De polarisatievariatie van LP-golven als gevolg van multipath-effecten blijft echter een onopgelost probleem. Gebaseerd op de aanname van multi-gepolariseerde mobiele basisstations, zijn cellulaire RFEH-antennes ontworpen als LP-antennes.
CP rectenna's worden voornamelijk gebruikt in WPT omdat ze relatief resistent zijn tegen mismatch. CP-antennes kunnen naast alle LP-golven zonder vermogensverlies CP-straling met dezelfde draairichting (links- of rechtshandige CP) ontvangen. In ieder geval zendt de CP-antenne en ontvangt de LP-antenne met een verlies van 3 dB (50% vermogensverlies). CP-rectenna's zijn naar verluidt geschikt voor industriële, wetenschappelijke en medische banden van 900 MHz en 2,4 GHz en 5,8 GHz, evenals voor millimetergolven. In RFEH van willekeurig gepolariseerde golven vertegenwoordigt polarisatiediversiteit een mogelijke oplossing voor verliezen door polarisatie-mismatch.
Volledige polarisatie, ook bekend als multi-polarisatie, is voorgesteld om verliezen door polarisatie-mismatch volledig te overwinnen, waardoor het verzamelen van zowel CP- als LP-golven mogelijk wordt, waarbij twee dubbel gepolariseerde orthogonale LP-elementen effectief alle LP- en CP-golven ontvangen. Om dit te illustreren blijven de verticale en horizontale netspanningen (VV en VH) constant, ongeacht de polarisatiehoek:
CP elektromagnetisch golf “E” elektrisch veld, waarbij stroom tweemaal wordt verzameld (eenmaal per eenheid), waardoor de CP-component volledig wordt ontvangen en het verlies van polarisatiemismatch van 3 dB wordt overwonnen:
Ten slotte kunnen door DC-combinatie invallende golven met willekeurige polarisatie worden ontvangen. Figuur 7 toont de geometrie van de gerapporteerde volledig gepolariseerde rectenna.
Figuur 7
Samenvattend heeft CP bij WPT-toepassingen met speciale voedingen de voorkeur omdat het de WPT-efficiëntie verbetert, ongeacht de polarisatiehoek van de antenne. Aan de andere kant kunnen bij acquisitie van meerdere bronnen, vooral van omgevingsbronnen, volledig gepolariseerde antennes een betere algehele ontvangst en maximale draagbaarheid bereiken; architecturen met meerdere poorten / meerdere gelijkrichters zijn vereist om volledig gepolariseerd vermogen op RF of DC te combineren.
Samenvatting
Dit artikel geeft een overzicht van de recente vooruitgang op het gebied van antenneontwerp voor RFEH en WPT, en stelt een standaardclassificatie van antenneontwerp voor RFEH en WPT voor die niet in eerdere literatuur is voorgesteld. Er zijn drie basisantennevereisten voor het bereiken van een hoge RF-naar-DC-efficiëntie 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. Polarisatie-matching tussen de rectenna en de invallende golf, ongeacht de hoek en positie.
Op basis van impedantie worden rectennes geclassificeerd in 50Ω en gelijkrichterconjugaatrectennes, met de nadruk op impedantie-matching tussen verschillende banden en belastingen en de efficiëntie van elke matchingmethode.
De stralingskarakteristieken van SoA rectenna's zijn beoordeeld vanuit het perspectief van directiviteit en polarisatie. Methoden om de winst te verbeteren door middel van beamforming en packing om smalle bundelbreedte te overwinnen worden besproken. Tenslotte worden CP-rectenna's voor WPT besproken, samen met verschillende implementaties om polarisatie-onafhankelijke ontvangst voor WPT en RFEH te bereiken.
Voor meer informatie over antennes kunt u terecht op:
Posttijd: 16 augustus 2024
