Συν-σχεδιασμός κεραίας-ανορθωτή
Το χαρακτηριστικό των rectennas που ακολουθούν την τοπολογία EG στο Σχήμα 2 είναι ότι η κεραία ταιριάζει άμεσα με τον ανορθωτή, αντί για το πρότυπο 50Ω, το οποίο απαιτεί την ελαχιστοποίηση ή την εξάλειψη του αντίστοιχου κυκλώματος για την τροφοδοσία του ανορθωτή. Αυτή η ενότητα εξετάζει τα πλεονεκτήματα των SoA rectennas με κεραίες χωρίς 50Ω και rectennas χωρίς αντίστοιχα δίκτυα.
1. Ηλεκτρικά Μικρές Κεραίες
Οι κεραίες δακτυλίου συντονισμού LC έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε εφαρμογές όπου το μέγεθος του συστήματος είναι κρίσιμο. Σε συχνότητες κάτω από 1 GHz, το μήκος κύματος μπορεί να κάνει τις τυπικές κεραίες κατανεμημένων στοιχείων να καταλαμβάνουν περισσότερο χώρο από το συνολικό μέγεθος του συστήματος και εφαρμογές όπως οι πλήρως ενσωματωμένοι πομποδέκτες για εμφυτεύματα σώματος επωφελούνται ιδιαίτερα από τη χρήση ηλεκτρικά μικρών κεραιών για WPT.
Η υψηλή επαγωγική αντίσταση της μικρής κεραίας (σχεδόν συντονισμός) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απευθείας σύζευξη του ανορθωτή ή με ένα πρόσθετο χωρητικό δίκτυο αντιστοίχισης στο τσιπ. Ηλεκτρικά μικρές κεραίες έχουν αναφερθεί σε WPT με LP και CP κάτω από 1 GHz χρησιμοποιώντας διπολικές κεραίες Huygens, με ka=0,645, ενώ ka=5,91 σε κανονικά δίπολα (ka=2πr/λ0).
2. Ανορθωτής συζευγμένη κεραία
Η τυπική σύνθετη αντίσταση εισόδου μιας διόδου είναι εξαιρετικά χωρητική, επομένως απαιτείται μια επαγωγική κεραία για την επίτευξη συζυγούς σύνθετης αντίστασης. Λόγω της χωρητικής σύνθετης αντίστασης του τσιπ, οι επαγωγικές κεραίες υψηλής σύνθετης αντίστασης έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε ετικέτες RFID. Οι διπολικές κεραίες έχουν γίνει πρόσφατα μια τάση στις κεραίες RFID πολύπλοκης σύνθετης αντίστασης, παρουσιάζοντας υψηλή σύνθετη αντίσταση (αντίσταση και αντίσταση) κοντά στη συχνότητα συντονισμού τους.
Επαγωγικές διπολικές κεραίες έχουν χρησιμοποιηθεί για να ταιριάζουν με την υψηλή χωρητικότητα του ανορθωτή στη ζώνη συχνοτήτων που ενδιαφέρει. Σε μια διπλωμένη διπολική κεραία, η διπλή κοντή γραμμή (δίπολο δίπολο) λειτουργεί ως μετασχηματιστής σύνθετης αντίστασης, επιτρέποντας το σχεδιασμό μιας κεραίας εξαιρετικά υψηλής σύνθετης αντίστασης. Εναλλακτικά, η τροφοδοσία μεροληψίας είναι υπεύθυνη για την αύξηση της επαγωγικής αντίδρασης καθώς και της πραγματικής αντίστασης. Ο συνδυασμός πολλαπλών πολωμένων διπολικών στοιχείων με μη ισορροπημένα ακτινικά στελέχη παπιγιόν σχηματίζει μια διπλή ευρυζωνική κεραία υψηλής σύνθετης αντίστασης. Το Σχήμα 4 δείχνει μερικές αναφερόμενες συζευγμένες κεραίες ανορθωτή.
Εικόνα 4
Χαρακτηριστικά ακτινοβολίας σε RFEH και WPT
Στο μοντέλο Friis, η ισχύς PRX που λαμβάνεται από μια κεραία σε απόσταση d από τον πομπό είναι μια άμεση συνάρτηση των απολαβών του δέκτη και του πομπού (GRX, GTX).
Η κατευθυντικότητα και η πόλωση του κύριου λοβού της κεραίας επηρεάζουν άμεσα την ποσότητα ισχύος που συλλέγεται από το προσπίπτον κύμα. Τα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας κεραίας είναι βασικές παράμετροι που διαφοροποιούν μεταξύ RFEH και WPT περιβάλλοντος (Εικόνα 5). Ενώ και στις δύο εφαρμογές το μέσο διάδοσης μπορεί να είναι άγνωστο και πρέπει να ληφθεί υπόψη η επίδρασή του στο λαμβανόμενο κύμα, η γνώση της κεραίας εκπομπής μπορεί να αξιοποιηθεί. Ο Πίνακας 3 προσδιορίζει τις βασικές παραμέτρους που συζητούνται σε αυτήν την ενότητα και τη δυνατότητα εφαρμογής τους σε RFEH και WPT.
Εικόνα 5
1. Κατευθυντικότητα και Κέρδος
Στις περισσότερες εφαρμογές RFEH και WPT, θεωρείται ότι ο συλλέκτης δεν γνωρίζει την κατεύθυνση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας και δεν υπάρχει διαδρομή οπτικής επαφής (LoS). Σε αυτή την εργασία, έχουν διερευνηθεί πολλά σχέδια και τοποθετήσεις κεραιών για τη μεγιστοποίηση της λαμβανόμενης ισχύος από μια άγνωστη πηγή, ανεξάρτητα από την ευθυγράμμιση του κύριου λοβού μεταξύ του πομπού και του δέκτη.
Οι πανκατευθυντικές κεραίες έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε περιβαλλοντικές ορθογώνιες RFEH. Στη βιβλιογραφία, το PSD ποικίλλει ανάλογα με τον προσανατολισμό της κεραίας. Ωστόσο, η διακύμανση της ισχύος δεν έχει εξηγηθεί, επομένως δεν είναι δυνατό να προσδιοριστεί εάν η διακύμανση οφείλεται στο σχέδιο ακτινοβολίας της κεραίας ή σε αναντιστοιχία πόλωσης.
Εκτός από τις εφαρμογές RFEH, κατευθυντικές κεραίες και συστοιχίες υψηλού κέρδους έχουν αναφερθεί ευρέως για WPT μικροκυμάτων για τη βελτίωση της απόδοσης συλλογής χαμηλής πυκνότητας ισχύος ραδιοσυχνοτήτων ή για την αντιμετώπιση των απωλειών διάδοσης. Οι συστοιχίες Yagi-Uda rectenna, οι συστοιχίες παπιγιόν, οι σπειροειδείς συστοιχίες, οι σφιχτά συζευγμένες συστοιχίες Vivaldi, οι συστοιχίες CPW CP και οι συστοιχίες patch είναι μεταξύ των επεκτάσιμων υλοποιήσεων rectenna που μπορούν να μεγιστοποιήσουν την προσπίπτουσα πυκνότητα ισχύος σε μια συγκεκριμένη περιοχή. Άλλες προσεγγίσεις για τη βελτίωση της απολαβής κεραίας περιλαμβάνουν την τεχνολογία ενσωματωμένου κυματοδηγού υποστρώματος (SIW) σε ζώνες μικροκυμάτων και χιλιοστών κυμάτων, ειδικά για το WPT. Ωστόσο, οι ορθοστάτες υψηλής απολαβής χαρακτηρίζονται από στενά πλάτη δέσμης, καθιστώντας τη λήψη κυμάτων σε αυθαίρετες κατευθύνσεις αναποτελεσματική. Οι έρευνες για τον αριθμό των στοιχείων κεραίας και των θυρών κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η υψηλότερη κατευθυντικότητα δεν αντιστοιχεί σε υψηλότερη ισχύ συγκομιδής σε RFEH περιβάλλοντος, υποθέτοντας τρισδιάστατη αυθαίρετη πρόσπτωση. Αυτό επαληθεύτηκε με μετρήσεις πεδίου σε αστικά περιβάλλοντα. Οι συστοιχίες υψηλής απολαβής μπορούν να περιοριστούν σε εφαρμογές WPT.
Για τη μεταφορά των πλεονεκτημάτων των κεραιών υψηλής απολαβής σε αυθαίρετα RFEH, χρησιμοποιούνται λύσεις συσκευασίας ή διάταξης για να ξεπεραστεί το ζήτημα της κατευθυντικότητας. Προτείνεται ένα βραχιολάκι κεραίας διπλής κλίσης για τη συλλογή ενέργειας από ατμοσφαιρικά Wi-Fi RFEH σε δύο κατευθύνσεις. Οι περιβαλλοντικές κυψελωτές κεραίες RFEH είναι επίσης σχεδιασμένες ως κουτιά 3D και εκτυπώνονται ή προσκολλώνται σε εξωτερικές επιφάνειες για να μειώσουν την επιφάνεια του συστήματος και να επιτρέπουν τη συλλογή πολλαπλών κατευθύνσεων. Οι δομές κυβικού ορθοπεδίου παρουσιάζουν μεγαλύτερη πιθανότητα λήψης ενέργειας σε RFEH περιβάλλοντος.
Βελτιώσεις στον σχεδιασμό της κεραίας για την αύξηση του εύρους δέσμης, συμπεριλαμβανομένων των βοηθητικών παρασιτικών στοιχείων patch, έγιναν για τη βελτίωση του WPT στα 2,4 GHz, 4 × 1 συστοιχίες. Προτάθηκε επίσης μια κεραία πλέγματος 6 GHz με πολλές περιοχές δέσμης, η οποία εμφανίζει πολλαπλές δέσμες ανά θύρα. Έχουν προταθεί ορθογώνια επιφανειών πολλαπλών θυρών, πολλαπλών ανορθωτών και κεραίες συλλογής ενέργειας με μοτίβα ακτινοβολίας πανκατευθυντικής κατεύθυνσης για RFEH πολλαπλών κατευθύνσεων και πολλαπλών πολώσεων. Πολυ-ανορθωτές με μήτρες διαμόρφωσης δέσμης και συστοιχίες κεραιών πολλαπλών θυρών έχουν επίσης προταθεί για συλλογή ενέργειας υψηλής απολαβής και πολλαπλών κατευθύνσεων.
Συνοπτικά, ενώ οι κεραίες υψηλής απολαβής προτιμώνται για τη βελτίωση της ισχύος που συλλέγεται από χαμηλές πυκνότητες ραδιοσυχνοτήτων, οι δέκτες υψηλής κατεύθυνσης μπορεί να μην είναι ιδανικοί σε εφαρμογές όπου η κατεύθυνση του πομπού είναι άγνωστη (π.χ. RFEH ή WPT περιβάλλοντος μέσω άγνωστων καναλιών διάδοσης). Σε αυτή την εργασία, προτείνονται προσεγγίσεις πολλαπλών δεσμών για πολλαπλές κατευθύνσεις υψηλής απολαβής WPT και RFEH.
2. Πόλωση κεραίας
Η πόλωση της κεραίας περιγράφει την κίνηση του διανύσματος ηλεκτρικού πεδίου σε σχέση με την κατεύθυνση διάδοσης της κεραίας. Οι αναντιστοιχίες πόλωσης μπορεί να οδηγήσουν σε μειωμένη μετάδοση/λήψη μεταξύ των κεραιών ακόμα και όταν οι κατευθύνσεις του κύριου λοβού είναι ευθυγραμμισμένες. Για παράδειγμα, εάν χρησιμοποιείται μια κατακόρυφη κεραία LP για μετάδοση και μια οριζόντια κεραία LP για λήψη, δεν θα λαμβάνεται ρεύμα. Σε αυτήν την ενότητα, εξετάζονται οι αναφερόμενες μέθοδοι για τη μεγιστοποίηση της απόδοσης ασύρματης λήψης και την αποφυγή απωλειών αναντιστοιχίας πόλωσης. Μια περίληψη της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής rectenna σε σχέση με την πόλωση δίνεται στο Σχήμα 6 και ένα παράδειγμα SoA δίνεται στον Πίνακα 4.
Εικόνα 6
Στις κυψελοειδείς επικοινωνίες, η ευθυγράμμιση γραμμικής πόλωσης μεταξύ σταθμών βάσης και κινητών τηλεφώνων είναι απίθανο να επιτευχθεί, επομένως οι κεραίες των σταθμών βάσης έχουν σχεδιαστεί για να είναι διπλής πόλωσης ή πολλαπλής πόλωσης για την αποφυγή απωλειών αναντιστοιχίας πόλωσης. Ωστόσο, η διακύμανση της πόλωσης των κυμάτων LP λόγω των επιδράσεων πολλαπλών διαδρομών παραμένει ένα άλυτο πρόβλημα. Με βάση την υπόθεση των πολυπολωμένων κινητών σταθμών βάσης, οι κυψελωτές κεραίες RFEH σχεδιάζονται ως κεραίες LP.
Τα CP rectennas χρησιμοποιούνται κυρίως στο WPT επειδή είναι σχετικά ανθεκτικά στην αναντιστοιχία. Οι κεραίες CP μπορούν να δέχονται ακτινοβολία CP με την ίδια φορά περιστροφής (αριστερόστροφη ή δεξιόστροφη CP) εκτός από όλα τα κύματα LP χωρίς απώλεια ισχύος. Σε κάθε περίπτωση, η κεραία CP εκπέμπει και η κεραία LP λαμβάνει με απώλεια 3 dB (50% απώλεια ισχύος). Οι ορθογωνίες CP αναφέρεται ότι είναι κατάλληλες για βιομηχανικές, επιστημονικές και ιατρικές ζώνες 900 MHz και 2,4 GHz και 5,8 GHz, καθώς και για κύματα χιλιοστών. Στο RFEH αυθαίρετα πολωμένων κυμάτων, η ποικιλομορφία πόλωσης αντιπροσωπεύει μια πιθανή λύση για τις απώλειες αναντιστοιχίας πόλωσης.
Η πλήρης πόλωση, γνωστή και ως πολυπόλωση, έχει προταθεί για να ξεπεραστούν πλήρως οι απώλειες ασυμφωνίας πόλωσης, επιτρέποντας τη συλλογή κυμάτων CP και LP, όπου δύο διπλής πόλωσης ορθογώνια στοιχεία LP λαμβάνουν αποτελεσματικά όλα τα κύματα LP και CP. Για να το καταδείξουμε αυτό, οι κατακόρυφες και οριζόντιες καθαρές τάσεις (VV και VH) παραμένουν σταθερές ανεξάρτητα από τη γωνία πόλωσης:
Ηλεκτρικό πεδίο ηλεκτρομαγνητικού κύματος «Ε» CP, όπου η ισχύς συλλέγεται δύο φορές (μία φορά ανά μονάδα), λαμβάνοντας έτσι πλήρως το στοιχείο CP και ξεπερνώντας την απώλεια ασυμφωνίας πόλωσης 3 dB:
Τέλος, μέσω του συνδυασμού DC, μπορούν να ληφθούν προσπίπτοντα κύματα αυθαίρετης πόλωσης. Το Σχήμα 7 δείχνει τη γεωμετρία του αναφερόμενου πλήρως πολωμένου ορθού.
Εικόνα 7
Συνοπτικά, σε εφαρμογές WPT με αποκλειστικά τροφοδοτικά, το CP προτιμάται επειδή βελτιώνει την απόδοση του WPT ανεξάρτητα από τη γωνία πόλωσης της κεραίας. Από την άλλη πλευρά, στην απόκτηση πολλαπλών πηγών, ειδικά από πηγές περιβάλλοντος, οι πλήρως πολωμένες κεραίες μπορούν να επιτύχουν καλύτερη συνολική λήψη και μέγιστη φορητότητα. Απαιτούνται αρχιτεκτονικές πολλαπλών θυρών/πολλαπλών ανορθωτών για να συνδυάζουν πλήρως πολωμένη ισχύ σε ραδιοσυχνότητες ή συνεχές ρεύμα.
Περίληψη
Αυτό το έγγραφο εξετάζει την πρόσφατη πρόοδο στον σχεδιασμό κεραιών για RFEH και WPT και προτείνει μια τυπική ταξινόμηση της σχεδίασης κεραίας για RFEH και WPT που δεν έχει προταθεί σε προηγούμενη βιβλιογραφία. Τρεις βασικές απαιτήσεις κεραίας για την επίτευξη υψηλής απόδοσης RF-to-DC έχουν προσδιοριστεί ως:
1. Εύρος ζώνης σύνθετης αντίστασης ανορθωτή κεραίας για τις ζώνες ενδιαφέροντος RFEH και WPT.
2. Ευθυγράμμιση του κύριου λοβού μεταξύ πομπού και δέκτη στο WPT από ειδική τροφοδοσία.
3. Ταίριασμα πόλωσης μεταξύ του ορθού και του προσπίπτοντος κύματος ανεξαρτήτως γωνίας και θέσης.
Με βάση την σύνθετη αντίσταση, οι ορθοστάτες ταξινομούνται σε ορθοστάτες 50Ω και σε συζευγμένες ανορθωτές, με έμφαση στην αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης μεταξύ διαφορετικών ζωνών και φορτίων και στην αποτελεσματικότητα κάθε μεθόδου αντιστοίχισης.
Τα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας των SoA rectennas έχουν αναθεωρηθεί από την άποψη της κατευθυντικότητας και της πόλωσης. Συζητούνται μέθοδοι για τη βελτίωση του κέρδους με τη διαμόρφωση δέσμης και τη συσκευασία για να ξεπεραστεί το στενό πλάτος δέσμης. Τέλος, αναθεωρούνται οι ρεκτέννες CP για WPT, μαζί με διάφορες υλοποιήσεις για την επίτευξη λήψης ανεξάρτητης από πόλωση για WPT και RFEH.
Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τις κεραίες, επισκεφθείτε:
Ώρα δημοσίευσης: 16 Αυγούστου 2024
