Antenne-gelijkrichter co-ontwerp
Het kenmerk van rectenna's volgens de EG-topologie in Figuur 2 is dat de antenne direct is afgestemd op de gelijkrichter, in plaats van de 50Ω-standaard, die vereist dat het aanpassingscircuit voor de voeding van de gelijkrichter geminimaliseerd of geëlimineerd wordt. In dit gedeelte worden de voordelen besproken van SoA-rectenna's met antennes die geen 50Ω vereisen en rectenna's zonder aanpassingsnetwerken.
1. Elektrisch kleine antennes
LC-resonantieringantennes worden veel gebruikt in toepassingen waar de systeemgrootte cruciaal is. Bij frequenties onder 1 GHz kan de golflengte ervoor zorgen dat standaard antennes met verdeelde elementen meer ruimte innemen dan de totale afmetingen van het systeem. Toepassingen zoals volledig geïntegreerde transceivers voor implantaten profiteren met name van het gebruik van elektrisch kleine antennes voor draadloze energieoverdracht.
De hoge inductieve impedantie van de kleine antenne (nabij resonantie) kan worden gebruikt om de gelijkrichter direct te koppelen of met een extra capacitief aanpassingsnetwerk op de chip. Elektrisch kleine antennes zijn gerapporteerd voor draadloze energieoverdracht met LP en CP onder 1 GHz met behulp van Huygens-dipoolantennes, met ka=0,645, terwijl ka=5,91 is bij normale dipolen (ka=2πr/λ0).
2. Gelijkrichter-geconjugeerde antenne
De typische ingangsimpedantie van een diode is sterk capacitief, waardoor een inductieve antenne nodig is om een geconjugeerde impedantie te bereiken. Vanwege de capacitieve impedantie van de chip worden inductieve antennes met een hoge impedantie veel gebruikt in RFID-tags. Dipoolantennes zijn recentelijk een trend geworden in RFID-antennes met complexe impedantie, omdat ze een hoge impedantie (weerstand en reactantie) vertonen in de buurt van hun resonantiefrequentie.
Inductieve dipoolantennes worden gebruikt om de hoge capaciteit van de gelijkrichter in de gewenste frequentieband aan te passen. In een gevouwen dipoolantenne fungeert de dubbele korte lijn (dipoolvouwing) als een impedantietransformator, waardoor een antenne met een extreem hoge impedantie kan worden ontworpen. Als alternatief zorgt biasvoeding ervoor dat zowel de inductieve reactantie als de werkelijke impedantie toeneemt. Door meerdere gebiaste dipoolelementen te combineren met ongebalanceerde radiale stubs in de vorm van een vlinderdas, ontstaat een dubbele breedbandantenne met hoge impedantie. Figuur 4 toont enkele gerapporteerde gelijkrichter-geconjugeerde antennes.
Figuur 4
Stralingskarakteristieken in RFEH en WPT
In het Friis-model is het vermogen PRX dat een antenne ontvangt op een afstand d van de zender een directe functie van de versterking van de ontvanger en de zender (GRX, GTX).
De richtingsgevoeligheid en polarisatie van de hoofdlob van de antenne hebben een directe invloed op de hoeveelheid vermogen die van de invallende golf wordt opgevangen. De stralingskarakteristieken van de antenne zijn belangrijke parameters die het verschil maken tussen omgevings-RFEH en WPT (figuur 5). Hoewel in beide toepassingen het propagatiemedium onbekend kan zijn en het effect ervan op de ontvangen golf moet worden overwogen, kan kennis van de zendantenne worden benut. Tabel 3 geeft een overzicht van 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 ontvanger de richting van de invallende straling niet kent en dat er geen directe zichtlijn (LoS) is. In dit onderzoek zijn verschillende 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 RFEH-rectenna's voor omgevingsmetingen. In de literatuur wordt beschreven dat de vermogensspectrale dichtheid (PSD) varieert afhankelijk van de oriëntatie van de antenne. De variatie in vermogen is echter niet verklaard, waardoor het niet mogelijk is vast te stellen of deze variatie te wijten is aan het stralingspatroon van de antenne of aan polarisatie-mismatch.
Naast RFEH-toepassingen zijn directionele antennes en arrays met hoge versterking veelvuldig gebruikt voor draadloze microgolf-energieoverdracht (WPT) om de opvangefficiëntie van lage RF-vermogensdichtheden te verbeteren of voortplantingsverliezen te compenseren. Yagi-Uda rectenna-arrays, bowtie-arrays, spiraalarrays, strak gekoppelde Vivaldi-arrays, CPW CP-arrays en patch-arrays behoren tot de schaalbare rectenna-implementaties die de invallende vermogensdichtheid onder een bepaald oppervlak kunnen maximaliseren. Andere benaderingen om de antenneversterking te verbeteren, omvatten substraatgeïntegreerde golfgeleidertechnologie (SIW) in de 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 heeft aangetoond dat een hogere directiviteit niet overeenkomt met een hoger opgevangen vermogen bij omgevings-RFEH, uitgaande van driedimensionale willekeurige inval; dit werd bevestigd 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 naar willekeurige RFEH's (Radio Frequency Energy Harvesters), worden verpakkings- of lay-outoplossingen gebruikt om het directiviteitsprobleem te overwinnen. Een polsband met een dubbele patchantenne wordt voorgesteld om energie te oogsten van omgevings-Wi-Fi-RFEH's in twee richtingen. Antennes voor omgevings-cellulaire RFEH's worden ook ontworpen als 3D-boxen en geprint of op externe oppervlakken geplakt om de systeemoppervlakte te verkleinen en multidirectionele energieoogst mogelijk te maken. Kubieke rectenna-structuren vertonen een hogere kans op energieontvangst in omgevings-RFEH's.
Verbeteringen aan het antenneontwerp, inclusief extra parasitaire patch-elementen, om de bundelbreedte te vergroten, werden doorgevoerd om de draadloze energieoverdracht (WPT) bij 2,4 GHz met 4 × 1 arrays te verbeteren. Er werd ook een mesh-antenne voor 6 GHz met meerdere bundelgebieden voorgesteld, die meerdere bundels per poort demonstreert. Oppervlakterectenna's met meerdere poorten en gelijkrichters, en energieoogstende antennes met omnidirectionele stralingspatronen zijn voorgesteld voor multidirectionele en multigepolariseerde radiofrequentie-energieoogst (RFEH). Ook zijn er voorstellen gedaan voor multigelijkrichters met bundelvormingsmatrices en antenne-arrays met meerdere poorten voor energieoogst met hoge versterking en multidirectionele energie.
Samenvattend: hoewel antennes met een hoge versterking de voorkeur genieten om het opgewekte vermogen bij lage RF-dichtheden te verbeteren, zijn sterk gerichte ontvangers mogelijk niet ideaal in toepassingen waarbij de zendrichting 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. Polarisatieverschillen kunnen leiden tot verminderde transmissie/ontvangst tussen antennes, zelfs wanneer de hoofdlobrichtingen op elkaar zijn afgestemd. Als bijvoorbeeld een verticale LP-antenne wordt gebruikt voor transmissie en een horizontale LP-antenne voor ontvangst, wordt er geen vermogen ontvangen. In dit gedeelte worden gerapporteerde methoden besproken om de efficiëntie van draadloze ontvangst te maximaliseren en verliezen door polarisatieverschillen te voorkomen. Een samenvatting van de voorgestelde rectenna-architectuur met betrekking tot polarisatie is weergegeven in Figuur 6 en een voorbeeld van een SoA (System-on-Application) is te vinden in Tabel 4.
Figuur 6
In mobiele communicatie is een lineaire polarisatie-uitlijning tussen basisstations en mobiele telefoons onwaarschijnlijk. Daarom worden basisstationantennes ontworpen als dual-polarized of multi-polarized om verliezen door polarisatie-mismatch te voorkomen. De polarisatievariatie van LP-golven als gevolg van meerpadseffecten blijft echter een onopgelost probleem. Uitgaande van multi-polariserende mobiele basisstations worden cellulaire RFEH-antennes ontworpen als LP-antennes.
CP-rectenna's worden voornamelijk gebruikt in draadloze energieoverdracht (WPT) omdat ze relatief ongevoelig zijn voor polarisatie-mismatch. CP-antennes kunnen CP-straling met dezelfde rotatierichting (links- of rechtsdraaiende CP) ontvangen, evenals 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-rectenna's zijn naar verluidt geschikt voor de industriële, wetenschappelijke en medische frequentiebanden van 900 MHz, 2,4 GHz en 5,8 GHz, evenals voor millimetergolven. Bij RFEH van willekeurig gepolariseerde golven biedt polarisatiediversiteit een potentiële oplossing voor verliezen door polarisatie-mismatch.
Volledige polarisatie, ook wel multipolarisatie genoemd, is voorgesteld om verliezen door polarisatie-mismatch volledig te compenseren, waardoor zowel CP- als LP-golven kunnen worden opgevangen. Twee orthogonale LP-elementen met dubbele polarisatie ontvangen hierbij effectief alle LP- en CP-golven. Ter illustratie: de verticale en horizontale netspanningen (VV en VH) blijven constant, ongeacht de polarisatiehoek.
CP elektromagnetische golf “E” elektrisch veld, waarbij vermogen tweemaal wordt opgevangen (eenmaal per eenheid), waardoor de CP-component volledig wordt ontvangen en het polarisatieverlies van 3 dB wordt overwonnen:
Ten slotte kunnen via DC-combinatie invallende golven met willekeurige polarisatie worden ontvangen. Figuur 7 toont de geometrie van de beschreven volledig gepolariseerde rectenna.
Figuur 7
Samenvattend kan worden gesteld dat bij WPT-toepassingen met een eigen voeding de voorkeur uitgaat naar CP (conversiepolarisatie) omdat dit de WPT-efficiëntie verbetert, ongeacht de polarisatiehoek van de antenne. Aan de andere kant kunnen bij multi-source acquisitie, met name van omgevingsbronnen, volledig gepolariseerde antennes een betere algehele ontvangst en maximale draagbaarheid bereiken; multi-port/multi-rectifier-architecturen zijn nodig om volledig gepolariseerd vermogen te combineren op RF- of DC-niveau.
Samenvatting
Dit artikel geeft een overzicht van de recente ontwikkelingen in antenneontwerp voor RFEH en WPT, en stelt een standaardclassificatie voor antenneontwerp voor RFEH en WPT voor die nog niet eerder in de literatuur is beschreven. Drie basisvereisten voor antennes om een hoge RF-naar-DC-efficiëntie te bereiken zijn geïdentificeerd:
1. Bandbreedte van de antennegelijkrichterimpedantie voor de RFEH- en WPT-banden waarin we geïnteresseerd zijn;
2. Hoofdlobuitlijning tussen zender en ontvanger bij draadloze stroomoverdracht (WPT) vanuit een aparte voedingslijn;
3. Polarisatieaanpassing tussen de rectenna en de invallende golf, ongeacht de hoek en positie.
Op basis van de impedantie worden rectenna's ingedeeld in 50Ω-rectenna's en gelijkrichter-geconjugeerde rectenna's, waarbij de nadruk ligt op impedantieaanpassing tussen verschillende frequentiebanden en belastingen en de efficiëntie van elke aanpassingsmethode.
De stralingskarakteristieken van SoA-rectenna's zijn vanuit het perspectief van directiviteit en polarisatie onderzocht. Methoden om de versterking te verbeteren door middel van beamforming en verpakking om de smalle bundelbreedte te compenseren, worden besproken. Ten slotte worden CP-rectenna's voor WPT besproken, samen met verschillende implementaties om polarisatie-onafhankelijke ontvangst te realiseren voor WPT en RFEH.
Ga voor meer informatie over antennes naar:
Geplaatst op: 16 augustus 2024
