Ko-disinn tal-antenna-rettifikatur
Il-karatteristika tar-rectennas li jsegwu t-topoloġija EG fil-Figura 2 hija li l-antenna hija direttament imqabbla mar-rettifikatur, aktar milli l-istandard 50Ω, li jeħtieġ li jimminimizza jew jelimina ċ-ċirkwit li jqabbel biex iħaddem ir-rettifikatur. Din it-taqsima tirrevedi l-vantaġġi ta 'rectennas SoA b'antenni mhux ta' 50Ω u rectennas mingħajr netwerks li jaqblu.
1. Antenni Żgħar Elettrikament
L-antenni taċ-ċirku reżonanti LC intużaw ħafna f'applikazzjonijiet fejn id-daqs tas-sistema huwa kritiku. Fi frekwenzi taħt 1 GHz, il-wavelength jista 'jikkawża antenni ta' element distribwiti standard biex jokkupaw aktar spazju mid-daqs ġenerali tas-sistema, u applikazzjonijiet bħal transceivers kompletament integrati għal impjanti tal-ġisem jibbenefikaw b'mod partikolari mill-użu ta 'antenni elettrikament żgħar għal WPT.
L-impedenza induttiva għolja ta 'l-antenna żgħira (qrib ir-reżonanza) tista' tintuża biex tgħaqqad direttament ir-rettifikatur jew ma 'netwerk addizzjonali ta' tqabbil abilità fuq iċ-ċippa. Antenni żgħar elettrikament ġew irrappurtati f'WPT b'LP u CP taħt 1 GHz bl-użu ta 'antenni dipolu Huygens, b'ka=0.645, filwaqt li ka=5.91 f'dipoli normali (ka=2πr/λ0).
2. Antenna konjugata tar-rettifikatur
L-impedenza tipika tad-dħul ta 'dijodu hija kapaċita ħafna, għalhekk hija meħtieġa antenna induttiva biex tinkiseb impedenza konjugata. Minħabba l-impedenza abilità taċ-ċippa, antenni induttivi ta 'impedenza għolja ġew użati b'mod wiesa' fit-tikketti RFID. L-antenni tad-dipol reċentement saru xejra f'antenni RFID ta 'impedenza kumplessa, li juru impedenza għolja (reżistenza u reattanza) ħdejn il-frekwenza reżonanti tagħhom.
Intużaw antenni induttivi dipole biex jaqblu mal-kapaċità għolja tar-rettifikatur fil-medda ta 'frekwenza ta' interess. F'antenna dipol mitwija, il-linja qasira doppja (tiwi tad-dipole) taġixxi bħala transformer ta 'impedenza, li tippermetti d-disinn ta' antenna ta 'impedenza estremament għolja. Alternattivament, l-għalf bias huwa responsabbli biex tiżdied ir-reattanza induttiva kif ukoll l-impedenza attwali. Il-kombinazzjoni ta 'elementi multipli dipole biased ma' stubs radjali ta 'bow-tie żbilanċjati tifforma antenna ta' impedenza għolja broadband doppja. Il-Figura 4 turi xi antenni konjugati tar-rettifikaturi rrappurtati.
Figura 4
Karatteristiċi tar-radjazzjoni f'RFEH u WPT
Fil-mudell Friis, il-qawwa PRX riċevuta minn antenna f'distanza d mit-trasmettitur hija funzjoni diretta tar-riċevitur u l-qligħ tat-trasmettitur (GRX, GTX).
Id-direttività u l-polarizzazzjoni tal-lobu prinċipali tal-antenna jaffettwaw direttament l-ammont ta 'enerġija miġbura mill-mewġa inċidentali. Il-karatteristiċi tar-radjazzjoni tal-antenna huma parametri ewlenin li jiddifferenzjaw bejn RFEH ambjentali u WPT (Figura 5). Filwaqt li fiż-żewġ applikazzjonijiet il-mezz ta 'propagazzjoni jista' ma jkunx magħruf u l-effett tiegħu fuq il-mewġ riċevut jeħtieġ li jiġi kkunsidrat, l-għarfien tal-antenna li tittrasmetti jista 'jiġi sfruttat. It-Tabella 3 tidentifika l-parametri ewlenin diskussi f'din it-taqsima u l-applikabilità tagħhom għal RFEH u WPT.
Figura 5
1. Id-direttività u l-gwadann
Fil-biċċa l-kbira tal-applikazzjonijiet RFEH u WPT, huwa preżunt li l-kollettur ma jafx id-direzzjoni tar-radjazzjoni inċidentali u m'hemm l-ebda mogħdija tal-linja tal-vista (LoS). F'dan ix-xogħol, disinji u tqegħid ta 'antenni multipli ġew investigati biex jimmassimizzaw il-qawwa riċevuta minn sors mhux magħruf, indipendenti mill-allinjament tal-lobu prinċipali bejn it-trasmettitur u r-riċevitur.
L-antenni omnidirezzjonali ġew użati b'mod wiesa 'f'rectennes RFEH ambjentali. Fil-letteratura, il-PSD tvarja skont l-orjentazzjoni tal-antenna. Madankollu, il-varjazzjoni fil-qawwa ma ġietx spjegata, għalhekk mhux possibbli li jiġi ddeterminat jekk il-varjazzjoni hijiex minħabba l-mudell tar-radjazzjoni tal-antenna jew minħabba nuqqas ta 'qbil tal-polarizzazzjoni.
Minbarra l-applikazzjonijiet RFEH, antenni u arrays direzzjonali b'qligħ għoli ġew irrappurtati b'mod wiesa 'għall-microwave WPT biex itejbu l-effiċjenza tal-ġbir ta' densità ta 'qawwa RF baxxa jew jegħlbu t-telf ta' propagazzjoni. Arrays rectenna Yagi-Uda, arrays bowtie, matriċi spirali, matriċi Vivaldi akkoppjati sewwa, arrays CPW CP, u arrays ta 'garża huma fost l-implimentazzjonijiet ta' rectenna skalabbli li jistgħu jimmassimizzaw id-densità tal-qawwa inċidentali taħt ċerta żona. Approċċi oħra biex itejbu l-gwadann ta 'l-antenna jinkludu teknoloġija ta' substrate integrated waveguide (SIW) f'meded ta 'mewġ microwave u millimetru, speċifiċi għal WPT. Madankollu, rectennas ta 'qligħ għoli huma kkaratterizzati minn raġġi dejqa, li jagħmlu r-riċeviment ta' mewġ f'direzzjonijiet arbitrarji ineffiċjenti. Investigazzjonijiet dwar in-numru ta' elementi ta' antenna u portijiet ikkonkludew li direttività ogħla ma tikkorrispondix għal qawwa ogħla maħsuda f'RFEH ambjentali billi wieħed jassumi inċidenza arbitrarja tridimensjonali; dan ġie vverifikat minn kejl fuq il-post f'ambjenti urbani. Arrays ta 'qligħ għoli jistgħu jkunu limitati għal applikazzjonijiet WPT.
Biex jiġu trasferiti l-benefiċċji ta 'antenni ta' qligħ għoli għal RFEHs arbitrarji, soluzzjonijiet ta 'ppakkjar jew tqassim huma utilizzati biex tingħeleb il-kwistjoni tad-direttività. Polz ta 'l-antenna b'garża doppja hija proposta biex tiġbor l-enerġija minn RFEHs Wi-Fi ambjentali f'żewġ direzzjonijiet. L-antenni RFEH ċellulari ambjentali huma ddisinjati wkoll bħala kaxxi 3D u stampati jew imwaħħla ma 'uċuħ esterni biex inaqqsu l-erja tas-sistema u jippermettu ħsad multidirezzjonali. L-istrutturi rectenna kubi juru probabbiltà ogħla ta 'riċeviment tal-enerġija f'RFEHs ambjentali.
It-titjib fid-disinn ta 'l-antenna biex tiżdied il-wisa' tar-raġġ, inklużi l-elementi awżiljarji tal-garża parassitika, saru biex itejbu WPT f'2.4 GHz, 4 × 1 arrays. Ġiet proposta wkoll antenna ta 'malji ta' 6 GHz b'reġjuni ta 'raġġ multipli, li turi raġġi multipli għal kull port. Ġew proposti rectennas tal-wiċċ b'ħafna portijiet, multi-rettifikaturi u antenni tal-ħsad tal-enerġija b'xejriet ta 'radjazzjoni omnidirezzjonali għal RFEH multidirezzjonali u multi-polarizzat. Ġew proposti wkoll multi-rettifikaturi b'matriċi ta 'beamforming u arrays ta' antenna b'ħafna portijiet għal ħsad ta 'enerġija b'qligħ għoli u multidirezzjonali.
Fil-qosor, filwaqt li antenni ta 'qligħ għoli huma preferuti biex itejbu l-qawwa maħsuda minn densitajiet baxxi ta' RF, riċevituri direzzjonali ħafna jistgħu ma jkunux ideali f'applikazzjonijiet fejn id-direzzjoni tat-trasmettitur mhix magħrufa (eż., RFEH ambjentali jew WPT permezz ta 'kanali ta' propagazzjoni mhux magħrufa). F'dan ix-xogħol, huma proposti approċċi multipli b'ħafna raġġi għal WPT u RFEH multidirezzjonali b'qligħ għoli.
2. Polarizzazzjoni tal-antenna
Il-polarizzazzjoni tal-antenna tiddeskrivi l-moviment tal-vettur tal-kamp elettriku relattiv għad-direzzjoni tal-propagazzjoni tal-antenna. Diskrepanzi tal-polarizzazzjoni jistgħu jwasslu għal trasmissjoni/riċeviment imnaqqsa bejn l-antenni anke meta d-direzzjonijiet tal-lobi prinċipali jkunu allinjati. Pereżempju, jekk tintuża antenna LP vertikali għat-trażmissjoni u antenna LP orizzontali tintuża għar-riċeviment, ma tiġi riċevuta l-ebda enerġija. F'din it-taqsima, metodi rrappurtati biex tiġi massimizzata l-effiċjenza tar-riċeviment mingħajr fili u jiġi evitat it-telf ta 'nuqqas ta' tqabbil tal-polarizzazzjoni huma riveduti. Sommarju tal-arkitettura rectenna proposta fir-rigward tal-polarizzazzjoni huwa mogħti fil-Figura 6 u eżempju SoA huwa mogħti fit-Tabella 4.
Figura 6
Fil-komunikazzjonijiet ċellulari, l-allinjament tal-polarizzazzjoni lineari bejn l-istazzjonijiet bażi u t-telefowns ċellulari x'aktarx ma jintlaħaqx, għalhekk l-antenni tal-istazzjon bażi huma ddisinjati biex ikunu polarizzati doppju jew multi-polarizzati biex jevitaw telf ta 'nuqqas ta' tqabbil tal-polarizzazzjoni. Madankollu, il-varjazzjoni tal-polarizzazzjoni tal-mewġ LP minħabba effetti multipath tibqa 'problema mhux solvuta. Ibbażat fuq l-assunzjoni ta 'stazzjonijiet bażi mobbli multi-polarizzati, antenni RFEH ċellulari huma ddisinjati bħala antenni LP.
Rectennas CP jintużaw prinċipalment f'WPT minħabba li huma relattivament reżistenti għal nuqqas ta 'qbil. L-antenni CP huma kapaċi jirċievu radjazzjoni CP bl-istess direzzjoni ta 'rotazzjoni (CP tax-xellug jew tal-lemin) flimkien mal-mewġ LP kollu mingħajr telf ta' enerġija. Fi kwalunkwe każ, l-antenna CP tittrasmetti u l-antenna LP tirċievi b'telf ta '3 dB (telf ta' enerġija ta '50%). Rectennas CP huma rrappurtati li huma adattati għal meded industrijali, xjentifiċi u mediċi ta '900 MHz u 2.4 GHz u 5.8 GHz kif ukoll mewġ millimetriku. F'RFEH ta 'mewġ polarizzat arbitrarjament, id-diversità tal-polarizzazzjoni tirrappreżenta soluzzjoni potenzjali għat-telf ta' nuqqas ta 'qbil tal-polarizzazzjoni.
Polarizzazzjoni sħiħa, magħrufa wkoll bħala multi-polarizzazzjoni, ġiet proposta biex tegħleb kompletament it-telf ta 'nuqqas ta' tqabbil tal-polarizzazzjoni, li tippermetti l-ġbir kemm ta 'mewġ CP kif ukoll LP, fejn żewġ elementi LP ortogonali polarizzati doppju jirċievu b'mod effettiv il-mewġ LP u CP kollha. Biex turi dan, il-vultaġġi nett vertikali u orizzontali (VV u VH) jibqgħu kostanti irrispettivament mill-angolu tal-polarizzazzjoni:
Kamp elettriku "E" tal-mewġ elettromanjetiku CP, fejn l-enerġija tinġabar darbtejn (darba għal kull unità), u b'hekk tirċievi kompletament il-komponent CP u tegħleb it-telf ta 'nuqqas ta' tqabbil tal-polarizzazzjoni ta '3 dB:
Fl-aħħarnett, permezz ta 'kombinazzjoni DC, jistgħu jiġu riċevuti mewġ inċidentali ta' polarizzazzjoni arbitrarja. Il-Figura 7 turi l-ġeometrija tar-rectenna kompletament polarizzata rrappurtata.
Figura 7
Fil-qosor, f'applikazzjonijiet WPT bi provvisti ta 'enerġija ddedikati, CP huwa preferut minħabba li jtejjeb l-effiċjenza WPT irrispettivament mill-angolu tal-polarizzazzjoni tal-antenna. Min-naħa l-oħra, fl-akkwist b'ħafna sorsi, speċjalment minn sorsi ambjentali, antenni polarizzati għal kollox jistgħu jiksbu riċeviment ġenerali aħjar u portabilità massima; arkitetturi multi-port/multi-rettifikatur huma meħtieġa biex jgħaqqdu qawwa polarizzata għal kollox f'RF jew DC.
Sommarju
Dan id-dokument jirrevedi l-progress reċenti fid-disinn tal-antenna għal RFEH u WPT, u jipproponi klassifikazzjoni standard tad-disinn tal-antenna għal RFEH u WPT li ma ġietx proposta fil-letteratura preċedenti. Tliet rekwiżiti bażiċi tal-antenna għall-kisba ta' effiċjenza għolja RF-to-DC ġew identifikati bħala:
1. Faxxa tal-impedenza tar-rettifikatur tal-antenna għall-meded ta 'interess RFEH u WPT;
2. Allinjament tal-lobu prinċipali bejn trasmettitur u riċevitur f'WPT minn għalf iddedikat;
3. Tqabbil tal-polarizzazzjoni bejn ir-rectenna u l-mewġa inċidentali irrispettivament mill-angolu u l-pożizzjoni.
Ibbażat fuq l-impedenza, rectennas huma kklassifikati f'50Ω u rectifier konjugate rectennas, b'enfasi fuq it-tqabbil tal-impedenza bejn meded u tagħbijiet differenti u l-effiċjenza ta 'kull metodu ta' tqabbil.
Il-karatteristiċi tar-radjazzjoni tar-rectennas SoA ġew riveduti mill-perspettiva tad-direttività u l-polarizzazzjoni. Huma diskussi metodi biex jittejjeb il-gwadann permezz ta 'beamforming u ippakkjar biex jingħelbu raġġ dejjaq. Fl-aħħarnett, CP rectennas għal WPT huma riveduti, flimkien ma 'diversi implimentazzjonijiet biex tinkiseb riċeviment indipendenti mill-polarizzazzjoni għal WPT u RFEH.
Biex titgħallem aktar dwar l-antenni, jekk jogħġbok żur:
Ħin tal-post: Awissu-16-2024
