Antenni-tasasuuntaaja Yhteissuunnittelu
Kuvan 2 EG-topologiaa seuraavien suorien antennien ominaisuus on, että antenni on sovitettu suoraan tasasuuntaajaan 50 Ω standardin sijaan, mikä edellyttää sovituspiirin minimoimista tai poistamista tasasuuntaajan tehon syöttämiseksi. Tässä osiossa tarkastellaan muiden kuin 50Ω antennien ja ilman vastaavia verkkoja sisältävien SoA-suorien etuja.
1. Sähköisesti pienet antennit
LC-resonanssirengasantenneja on käytetty laajalti sovelluksissa, joissa järjestelmän koko on kriittinen. Alle 1 GHz:n taajuuksilla aallonpituus saattaa aiheuttaa sen, että standardihajautettujen elementtien antennit vievät enemmän tilaa kuin järjestelmän kokonaiskoko, ja sovellukset, kuten täysin integroidut lähetin-vastaanottimet vartaloimplantteja varten, hyötyvät erityisesti sähköisesti pienten antennien käytöstä WPT:ssä.
Pienen antennin korkeaa induktiivista impedanssia (lähes resonanssia) voidaan käyttää tasasuuntaajan kytkemiseen suoraan tai ylimääräisen sirun kapasitiivisen sovitusverkon kanssa. Sähköisesti pieniä antenneja on raportoitu WPT:ssä LP:llä ja CP:llä alle 1 GHz käyttäen Huygensin dipoliantenneja, 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 ansiosta korkeaimpedanssisia induktiivisia antenneja on käytetty laajalti RFID-tunnisteissa. Dipoliantenneista on viime aikoina tullut trendi monimutkaisissa impedanssisissa RFID-antenneissa, ja niillä on korkea impedanssi (resistanssi ja reaktanssi) lähellä niiden resonanssitaajuutta.
Induktiivisia dipoliantenneja on käytetty tasasuuntaajan korkean kapasitanssin sovittamiseen kiinnostavalla taajuuskaistalla. Taitetussa dipoliantennissa kaksinkertainen lyhyt linja (dipolitaitto) toimii impedanssimuuntajana, mikä mahdollistaa erittäin korkean impedanssin antennin suunnittelun. Vaihtoehtoisesti bias-syöttö on vastuussa induktiivisen reaktanssin ja todellisen impedanssin lisäämisestä. Useiden biasoitujen dipolielementtien yhdistäminen balansoimattomiin rusetin säteittäisiin päihin muodostaa kaksoislaajakaistaisen korkean impedanssin antennin. Kuva 4 esittää joitakin raportoituja tasasuuntaajan konjugaattiantenneja.
Kuva 4
Säteilyominaisuudet RFEH:ssä ja WPT:ssä
Friis-mallissa antennin etäisyydellä d lähettimestä vastaanottama teho PRX on vastaanottimen ja lähettimen vahvistusten (GRX, GTX) suora funktio.
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 etenemisväline voi olla tuntematon ja sen vaikutus vastaanotettuun aaltoon on otettava huomioon, lähetysantennin tuntemusta voidaan hyödyntää. Taulukossa 3 esitetään tässä osiossa käsitellyt keskeiset parametrit ja niiden soveltuvuus RFEH- ja WPT-järjestelmiin.
Kuva 5
1. Suuntavuus ja voitto
Useimmissa RFEH- ja WPT-sovelluksissa oletetaan, että kollektori ei tiedä tulevan säteilyn suuntaa eikä näköyhteyttä (LoS) ole olemassa. Tässä työssä on tutkittu useita antennirakenteita ja sijoitteluja, jotta voidaan maksimoida vastaanotettu teho tuntemattomasta lähteestä riippumatta lähettimen ja vastaanottimen välisestä pääkeilan kohdistamisesta.
Omnisuuntaisia antenneja on käytetty laajasti ympäristön RFEH-suoraannoissa. Kirjallisuudessa PSD vaihtelee antennin suunnan mukaan. Tehon vaihtelua ei kuitenkaan ole selitetty, joten ei ole mahdollista määrittää, johtuuko vaihtelu antennin säteilykuviosta vai polarisaatioepäsopimattomuudesta.
RFEH-sovellusten lisäksi mikroaalto-WPT:ssä on laajalti raportoitu suuritehoisista suunta-antenneista ja ryhmistä, jotka parantavat alhaisen RF-tehotiheyden keräystehokkuutta tai voittavat etenemishäviöt. Yagi-Uda rectenna-, rusetti-, spiraali-, tiiviisti kytketyt Vivaldi-, CPW CP- ja patch-matriisit ovat skaalattavia rectenna-toteutuksia, jotka voivat maksimoida sattuvan tehotiheyden tietyllä alueella. Muita lähestymistapoja antennin vahvistuksen parantamiseksi ovat substraattiintegroitu aaltoputkitekniikka (SIW) mikroaalto- ja millimetriaaltokaistoilla, jotka ovat ominaisia WPT:lle. Suuren vahvistuksen suorinalleille on kuitenkin ominaista kapea säteen leveys, mikä tekee mielivaltaisten suuntien aaltojen vastaanottamisesta tehotonta. Antennielementtien ja porttien lukumäärää koskevissa tutkimuksissa pääteltiin, että suurempi suuntaavuus ei vastaa suurempaa kerättyä tehoa ympäröivässä RFEH:ssä olettaen kolmiulotteisen mielivaltaisen ilmaantumisen; tämä varmistettiin kenttämittauksilla kaupunkiympäristössä. Korkean vahvistuksen taulukot voidaan rajoittaa WPT-sovelluksiin.
Korkean vahvistuksen antennien edut siirretään mielivaltaisille RFEH:ille, pakkaus- tai asetteluratkaisuja käytetään suuntaavuusongelman ratkaisemiseksi. Kahden patch-antennin ranneke on ehdotettu keräämään energiaa ympäristön Wi-Fi RFEH:istä kahteen suuntaan. Ambient-matkapuhelimen RFEH-antennit on myös suunniteltu 3D-laatikoiksi ja tulostettu tai liimattu ulkopinnoille vähentämään järjestelmän pinta-alaa ja mahdollistamaan monisuuntaisen keräämisen. Kuutiomaisilla rectenna-rakenteilla on suurempi todennäköisyys vastaanottaa energiaa ympäröivässä RFEH:ssä.
Antennisuunnitteluun tehtiin parannuksia keilanleveyden lisäämiseksi, mukaan lukien lisäparasiittiset patch-elementit, WPT:n parantamiseksi taajuudella 2,4 GHz, 4 × 1 ryhmiä. Ehdotettiin myös 6 GHz:n verkkoantennia, jossa on useita keila-alueita, mikä osoittaa useita säteitä porttia kohden. Moniporttisia, monitasasuuntaisia pintasuoraannioita ja energiankeruuantenneja, joissa on kaikkisuuntaiset säteilykuviot, on ehdotettu monisuuntaiselle ja monipolarisoidulle RFEH:lle. Monitasasuuntaajia, joissa on keilanmuodostusmatriiseja ja moniporttisia antenniryhmiä, on myös ehdotettu korkean vahvistuksen, monisuuntaisen energian keräämiseen.
Yhteenvetona voidaan todeta, että vaikka suuren vahvistuksen antenneja suositellaan parantamaan alhaisista RF-tiheyksistä kerättyä tehoa, erittäin suuntaavat vastaanottimet eivät välttämättä ole ihanteellisia sovelluksissa, joissa lähettimen suuntaa ei tunneta (esim. ympäristön RFEH tai WPT tuntemattomien etenemiskanavien kautta). Tässä työssä ehdotetaan useita monisäteisiä lähestymistapoja monisuuntaiselle suuren vahvistuksen WPT:lle ja RFEH:lle.
2. Antennin polarisaatio
Antennipolarisaatio kuvaa sähkökenttävektorin liikettä suhteessa antennin etenemissuuntaan. Polarisaatioepäsopivuus voi johtaa heikentyneeseen lähetykseen/vastaanottoon antennien välillä, vaikka pääkeilan suunnat olisivat kohdakkain. Jos esimerkiksi pystysuuntaista LP-antennia käytetään lähetykseen ja vaakasuuntaista LP-antennia käytetään vastaanottoon, tehoa ei vastaanoteta. Tässä osiossa tarkastellaan raportoituja menetelmiä langattoman vastaanoton tehokkuuden maksimoimiseksi ja polarisaatiovirheiden välttämiseksi. Yhteenveto ehdotetusta polarisaatioarkkitehtuurista on esitetty kuvassa 6 ja esimerkki SoA:sta taulukossa 4.
Kuva 6
Solukkoviestinnässä lineaarista polarisaatiokohdistusta tukiasemien ja matkapuhelimien välillä ei todennäköisesti saavuteta, joten tukiasemien antennit on suunniteltu kaksoispolarisoituneiksi tai monipolarisoinneiksi polarisaatiovirheiden välttämiseksi. LP-aaltojen polarisaatiovaihtelu monitievaikutuksista on kuitenkin edelleen ratkaisematon ongelma. Perustuen oletukseen monipolarisoiduista mobiilitukiasemista, solujen RFEH-antennit on suunniteltu LP-antenneiksi.
CP-suorasuojia käytetään pääasiassa WPT:ssä, koska ne ovat suhteellisen kestäviä yhteensopimattomuudelle. CP-antennit pystyvät vastaanottamaan CP-säteilyä samalla pyörimissuunnalla (vasenkätinen tai oikeakätinen CP) kaikkien LP-aaltojen lisäksi ilman tehohäviötä. Joka tapauksessa CP-antenni lähettää ja LP-antenni vastaanottaa 3 dB:n häviöllä (50 % tehohäviö). CP-suorasuojien on raportoitu soveltuvan 900 MHz:n ja 2,4 GHz:n ja 5,8 GHz:n teollisiin, tieteellisiin ja lääketieteellisiin taajuuksiin sekä millimetriaalloille. Satunnaisesti polarisoituneiden aaltojen RFEH:ssä polarisaation monimuotoisuus edustaa potentiaalista ratkaisua polarisaatioepäsopivuushäviöille.
Täydellistä polarisaatiota, joka tunnetaan myös nimellä monipolarisaatio, on ehdotettu voittamaan polarisaation epäsopivuushäviöt kokonaan, mikä mahdollistaa sekä CP- että LP-aaltojen keräämisen, jossa kaksi kaksoispolarisoitua ortogonaalista LP-elementtiä vastaanottaa tehokkaasti kaikki LP- ja CP-aallot. Tämän havainnollistamiseksi pysty- ja vaakasuuntaiset verkkojännitteet (VV ja VH) pysyvät vakioina polarisaatiokulmasta riippumatta:
CP-sähkömagneettisen aallon "E" sähkökenttä, jossa teho kerätään kahdesti (kerran yksikköä kohti), jolloin se vastaanottaa täysin CP-komponentin ja voittaa 3 dB:n polarisaatiovirheen:
Lopuksi DC-yhdistelmän avulla voidaan vastaanottaa mielivaltaisen polarisoitumisen sattuvia aaltoja. Kuva 7 esittää raportoidun täysin polarisoidun suoraviivaisen geometrian.
Kuva 7
Yhteenvetona voidaan todeta, että WPT-sovelluksissa, joissa on erilliset virtalähteet, CP on suositeltava, koska se parantaa WPT-tehokkuutta antennin polarisaatiokulmasta riippumatta. Toisaalta monilähteen hankinnassa, erityisesti ympäristön lähteistä, täysin polarisoidut antennit voivat saavuttaa paremman yleisen vastaanoton ja maksimaalisen siirrettävyyden; Moniportti-/monitasasuuntaaja-arkkitehtuurit vaaditaan täysin polarisoidun tehon yhdistämiseen RF- tai tasavirralla.
Yhteenveto
Tässä artikkelissa tarkastellaan viimeaikaista edistystä RFEH- ja WPT-antennien suunnittelussa ja ehdotetaan RFEH- ja WPT-antennisuunnittelun standardiluokitusta, jota ei ole ehdotettu aiemmassa kirjallisuudessa. Kolme antennin perusvaatimusta korkean RF-DC-tehokkuuden saavuttamiseksi on tunnistettu:
1. Antennitasasuuntaajan impedanssin kaistanleveys kiinnostaville RFEH- ja WPT-kaistoille;
2. Pääkeilan kohdistus lähettimen ja vastaanottimen välillä WPT:ssä erillisestä syötöstä;
3. Polarisaatiosovitus suoran ja tulevan aallon välillä kulmasta ja sijainnista riippumatta.
Impedanssin perusteella tasasuuntaajat luokitellaan 50 Ω:n ja tasasuuntaajan konjugaattisuoraannoihin, joissa keskitytään impedanssin sovittamiseen eri kaistojen ja kuormien välillä sekä kunkin sovitusmenetelmän tehokkuuteen.
SoA-suorien säteilyominaisuuksia on tarkasteltu suuntaavuuden ja polarisaation näkökulmasta. Käsitellään menetelmiä vahvistuksen parantamiseksi säteen muodostamalla ja pakkaamalla kapean säteenleveyden voittamiseksi. Lopuksi tarkastellaan WPT:n CP-suorasuojia sekä erilaisia toteutuksia polarisaatiosta riippumattoman vastaanoton saavuttamiseksi WPT:lle ja RFEH:lle.
Lisätietoja antenneista on osoitteessa:
Postitusaika: 16.8.2024
