Antennin ja tasasuuntaajan yhteissuunnittelu
Kuvassa 2 esitettyä EG-topologiaa noudattavien retennojen ominaisuus on, että antenni on sovitettu suoraan tasasuuntaajaan 50 Ω:n standardin sijaan, joka edellyttäisi tasasuuntaajan virransyöttöpiirin minimointia tai poistamista. Tässä osiossa tarkastellaan SoA-retennojen etuja, joissa on ei-50 Ω:n antennit ja retennojen etuja ilman sovitusverkkoja.
1. Sähköisesti pienet antennit
LC-resonanssirengasantenneja on käytetty laajalti sovelluksissa, joissa järjestelmän koko on kriittinen. Alle 1 GHz:n taajuuksilla aallonpituus voi aiheuttaa sen, että standardinmukaiset hajautetut elementtiantennit vievät enemmän tilaa kuin järjestelmän kokonaiskoko, ja sovellukset, kuten täysin integroidut lähetin-vastaanottimet kehoimplantteihin, hyötyvät erityisesti sähköisesti pienten antennien käytöstä langattomissa putkissa.
Pienen antennin korkeaa induktiivista impedanssia (lähes resonanssia) voidaan käyttää tasasuuntaajan suoraan kytkemiseen tai ylimääräisen sirulle sijoitetun kapasitiivisen sovitusverkon kanssa. Sähköisesti pieniä antenneja on raportoitu WPT:ssä, joiden LP ja CP ovat alle 1 GHz:n taajuuksilla käyttäen Huygensin dipoliantenneja, joiden ka = 0,645, kun taas ka = 5,91 normaaleissa dipoleissa (ka = 2πr/λ0).
2. Tasasuuntaajan konjugaattiantenni
Diodin tyypillinen tuloimpedanssi on erittäin kapasitiivinen, joten konjugaattiimpedanssin saavuttamiseksi tarvitaan induktiivinen antenni. Sirun kapasitiivisen impedanssin vuoksi korkeaimpedanssisia induktiivisia antenneja on käytetty laajalti RFID-tunnisteissa. Dipoliantenneista on viime aikoina tullut trendi kompleksisen impedanssin omaavissa RFID-antenneissa, sillä niillä on korkea impedanssi (resistanssi ja reaktanssi) lähellä resonanssitaajuuttaan.
Induktiivisia dipoliantenneja on käytetty sovittamaan tasasuuntaajan korkea kapasitanssi kiinnostuksen kohteena olevalla taajuuskaistalla. Taitetussa dipoliantennissa kaksinkertainen lyhytjohto (dipolitaitto) toimii impedanssimuuntajana, mikä mahdollistaa erittäin korkean impedanssin omaavan antennin suunnittelun. Vaihtoehtoisesti esijännitetty syöttö lisää sekä induktiivista reaktanssia että varsinaista impedanssia. Useiden esijännitettyjen dipolielementtien yhdistäminen epätasapainotettujen säteittäisten rusettiliittimien kanssa muodostaa kaksoislaajakaistaisen korkeaimpedanssisen antennin. Kuva 4 esittää joitakin raportoituja tasasuuntaajan konjugaattiantenneja.
Kuva 4
Säteilyominaisuudet RFEH:ssa ja WPT:ssä
Friis-mallissa lähettimestä d etäisyydellä olevan antennin vastaanottama teho PRX on suora funktio vastaanottimen ja lähettimen vahvistuksista (GRX, GTX).
Antennin pääkeilan suuntaavuus ja polarisaatio vaikuttavat suoraan tulevasta aallosta kerätyn tehon määrään. Antennin säteilyominaisuudet ovat keskeisiä parametreja, jotka erottavat ympäristön RFEH:n ja WPT:n (kuva 5). Vaikka molemmissa sovelluksissa etenemisväliaine voi olla tuntematon ja sen vaikutus vastaanotettuun aaltoon on otettava huomioon, voidaan hyödyntää lähettävän antennin tuntemusta. Taulukossa 3 esitetään tässä osiossa käsitellyt keskeiset parametrit ja niiden soveltuvuus RFEH:hen ja WPT:hen.
Kuva 5
1. Suuntavuus ja vahvistus
Useimmissa RFEH- ja WPT-sovelluksissa oletetaan, että keräin ei tiedä tulevan säteilyn suuntaa eikä näköyhteyttä (LoS) ole. Tässä työssä on tutkittu useiden antennien rakenteita ja sijoitteluja, jotta voidaan maksimoida tuntemattomasta lähteestä tuleva vastaanotettu teho riippumatta lähettimen ja vastaanottimen pääkeilan suuntauksesta.
Ympärisuuntaisia antenneja on käytetty laajalti ympäristön RFEH-suorakaiteissa. Kirjallisuudessa PSD vaihtelee antennin suunnan mukaan. Tehon vaihtelua ei kuitenkaan ole selitetty, joten ei ole mahdollista määrittää, johtuuko vaihtelu antennin säteilykuviosta vai polarisaatio-epäsuhta.
RFEH-sovellusten lisäksi mikroaaltoteutuksessa (WPT) on raportoitu laajalti suuren vahvistuksen omaavista suunta-antenneista ja -ryhmistä, joilla parannetaan pienen RF-tehontiheyden keruutehokkuutta tai voidaan voittaa etenemishäviöitä. Yagi-Uda-suorakaiteantennit, bowtie-antennit, spiraaliantennit, tiiviisti kytketyt Vivaldi-antennit, CPW-suuntaantennit ja patch-antennit ovat skaalautuvia suorakaiteantennitoteutuksia, jotka voivat maksimoida tulevan tehotiheyden tietyllä alueella. Muita lähestymistapoja antennin vahvistuksen parantamiseksi ovat substraattiin integroitu aaltojohdintekniikka (SIW) mikroaalto- ja millimetriaaltoalueilla, joka on spesifinen WPT:lle. Suuren vahvistuksen omaaville suorakaiteille on kuitenkin ominaista kapea keilanleveys, mikä tekee aaltojen vastaanottamisesta mielivaltaisiin suuntiin tehotonta. Antennielementtien ja -porttien lukumäärää koskevat tutkimukset osoittivat, että suurempi suuntaavuus ei vastaa suurempaa kerättyä tehoa ympäröivässä RFEH:ssa olettaen kolmiulotteisen mielivaltaisen tulon; tämä varmistettiin kenttämittauksilla kaupunkiympäristöissä. Suuren vahvistuksen omaavia antenneja voidaan käyttää vain WPT-sovelluksissa.
Suurtehoantennien etujen siirtämiseksi mielivaltaisiin RFEH-kennoihin käytetään pakkaus- tai asetteluratkaisuja suuntaavuusongelman ratkaisemiseksi. Kaksiosaisen antennirannekkeen käyttöä ehdotetaan energian keräämiseksi ympäristön Wi-Fi-RFEH-kennoista kahteen suuntaan. Ympäristön matkapuhelinverkkojen RFEH-antennit on myös suunniteltu 3D-laatikoiksi ja painettu tai kiinnitetty ulkopintoihin järjestelmän pinta-alan pienentämiseksi ja monisuuntaisen keräämisen mahdollistamiseksi. Kuutiomaisilla suorakaiteen muotoisilla rakenteilla on suurempi todennäköisyys vastaanottaa energiaa ympäristön RFEH-kennoissa.
Antennin suunnitteluun tehtiin parannuksia keilanleveyden lisäämiseksi, mukaan lukien apuloispatch-elementit, langankehän suorituskyvyn parantamiseksi 2,4 GHz:n taajuudella, 4 × 1 -ryhmissä. Esitettiin myös 6 GHz:n verkkoantenni, jossa on useita keila-alueita, mikä osoittaa useita keiloja porttia kohden. Monisuuntaista ja monipolarisoitua radiotaajuista kohinanpoistoa (RFEH) varten on ehdotettu moniporttisia, monitasasuuntaajia sisältäviä pintasuuntaajia ja energiankeruuantenneja, joilla on monisuuntaiset säteilykuviot. Myös monitasasuuntaajia, joissa on säteenmuodostusmatriisit, ja moniporttisia antenniryhmiä on ehdotettu suuren vahvistuksen ja monisuuntaisen energiankeruun aikaansaamiseksi.
Yhteenvetona voidaan todeta, että vaikka suuren vahvistuksen antennit ovat edullisia pienistä radiotaajuustiheyksistä kerätyn tehon parantamiseksi, erittäin suuntaavat vastaanottimet eivät välttämättä ole ihanteellisia sovelluksissa, joissa lähettimen suunta on tuntematon (esim. ympäröivän radiotaajuisen etu- tai etäisyyssäteilyn (RFEH) tai etenemissuunnan (WPT) havaitseminen tuntemattomien etenemiskanavien kautta). Tässä työssä ehdotetaan useita monikeilaislähestymistapoja monisuuntaiseen suuren vahvistuksen omaavaan WPT:hen ja RFEH:hen.
2. Antennin polarisaatio
Antennin polarisaatio kuvaa sähkökentän vektorin liikettä antennin etenemissuuntaan nähden. Polarisaatioiden epäsuhdat voivat johtaa antennien välisen lähetyksen/vastaanoton heikkenemiseen, vaikka pääkeilan suunnat olisivat linjassa. Jos esimerkiksi lähetykseen käytetään pystysuoraa LP-antennia ja vastaanottoon vaakasuoraa LP-antennia, tehoa ei vastaanoteta. Tässä osiossa tarkastellaan raportoituja menetelmiä langattoman vastaanoton tehokkuuden maksimoimiseksi ja polarisaation epäsuhdan häviöiden välttämiseksi. Yhteenveto ehdotetusta suorakaiteen arkkitehtuurista polarisaation suhteen on esitetty kuvassa 6 ja esimerkki polarisaatio-A:sta on annettu taulukossa 4.
Kuva 6
Matkapuhelinviestinnässä lineaarisen polarisaation kohdistuksen saavuttaminen tukiasemien ja matkapuhelinten välillä on epätodennäköistä, joten tukiasemien antennit suunnitellaan kaksois- tai monipolarisoituneiksi polarisaatioepäsuhtahäviöiden välttämiseksi. Monitieefektien aiheuttama LP-aaltojen polarisaation vaihtelu on kuitenkin edelleen ratkaisematon ongelma. Monipolarisoituneiden mobiilitukiasemien oletuksen perusteella matkapuhelinten RFEH-antennit suunnitellaan LP-antenneiksi.
CP-retennoja käytetään pääasiassa langattomien taajuusmuuttajien (WPT) tekniikassa, koska ne ovat suhteellisen vastustuskykyisiä epäsuhdan aiheuttamille häiriöille. CP-antennit pystyvät vastaanottamaan CP-säteilyä samassa pyörimissuunnassa (vasen- tai oikeakätinen CP) kaikkien LP-aaltojen lisäksi ilman tehohäviötä. Joka tapauksessa CP-antenni lähettää ja LP-antenni vastaanottaa 3 dB:n häviöllä (50 %:n tehohäviö). CP-retennojen on raportoitu sopivan 900 MHz:n, 2,4 GHz:n ja 5,8 GHz:n teollisuus-, tieteellisille ja lääketieteellisille taajuusalueille sekä millimetriaalloille. Mielivaltaisesti polarisoitujen aaltojen RFEH:ssä polarisaatiodiversiteetti edustaa potentiaalista ratkaisua polarisaation epäsuhdan häviöihin.
Täysi polarisaatio, joka tunnetaan myös monipolarisaationa, on ehdotettu polarisaatioiden epäsuhtahäviöiden täydelliseksi poistamiseksi, mikä mahdollistaa sekä CP- että LP-aaltojen keräämisen, jossa kaksi kaksoispolarisoitua ortogonaalista LP-elementtiä vastaanottaa tehokkaasti kaikki LP- ja CP-aallot. Tämän havainnollistamiseksi pystysuorat ja vaakasuorat nettojännitteet (VV ja VH) pysyvät vakioina polarisaatiokulmasta riippumatta:
CP-sähkömagneettisen aallon ”E” sähkökenttä, jossa teho kerätään kahdesti (kerran yksikköä kohden), jolloin CP-komponentti vastaanotetaan täysin ja 3 dB:n polarisaatioepäsuhtahäviö ylitetään:
Lopuksi, tasavirran yhdistelyn kautta voidaan vastaanottaa mielivaltaisen polarisaation omaavia tulevia aaltoja. Kuva 7 esittää raportoidun täysin polarisoidun suorakaiteen geometrian.
Kuva 7
Yhteenvetona voidaan todeta, että langattomissa PT-sovelluksissa, joissa on erilliset virtalähteet, CP on parempi vaihtoehto, koska se parantaa langattomien PT-laitteiden tehokkuutta antennin polarisaatiokulmasta riippumatta. Toisaalta monilähteisessä tiedonsiirrossa, erityisesti ympäröivistä lähteistä, täysin polarisoidut antennit voivat saavuttaa paremman kokonaisvastaanoton ja maksimaalisen kannettavuuden; moniportti-/monitasasuuntaajaarkkitehtuureja tarvitaan täysin polarisoidun tehon yhdistämiseen RF- tai DC-taajuudella.
Yhteenveto
Tässä artikkelissa tarkastellaan RFEH- ja WPT-antennisuunnittelun viimeaikaista kehitystä ja ehdotetaan RFEH- ja WPT-antennisuunnittelun standardoitua luokittelua, jota ei ole ehdotettu aiemmassa kirjallisuudessa. Kolme antennin perusvaatimusta korkean RF-DC-hyötysuhteen saavuttamiseksi on tunnistettu:
1. Antennin tasasuuntaajan impedanssin kaistanleveys kiinnostuksen kohteena oleville RFEH- ja WPT-kaistoille;
2. Lähettimen ja vastaanottimen välinen pääkeilan kohdistus WPT:ssä erillisestä syötöstä;
3. Suorakaiteen ja tulevan aallon polarisaation yhteensopivuus kulmasta ja sijainnista riippumatta.
Impedanssin perusteella rectennat luokitellaan 50Ω- ja tasasuuntaajakonjugaattirectennoiksi keskittyen eri kaistojen ja kuormien välisen impedanssin sovitukseen sekä kunkin sovitusmenetelmän tehokkuuteen.
SoA-taskulamppujen säteilyominaisuuksia on tarkasteltu suuntaavuuden ja polarisaation näkökulmasta. Käsitellään menetelmiä vahvistuksen parantamiseksi keilanmuodostuksen ja pakkaamisen avulla kapean keilanleveyden voittamiseksi. Lopuksi tarkastellaan WPT:lle tarkoitettuja CP-taskulamppuja sekä erilaisia toteutuksia polarisaatiosta riippumattoman vastaanoton saavuttamiseksi WPT:lle ja RFEH:lle.
Lisätietoja antenneista saat osoitteesta:
Julkaisun aika: 16. elokuuta 2024
