Συν-σχεδιασμός κεραίας-ανορθωτή
Το χαρακτηριστικό των ορθογωνίων που ακολουθούν την τοπολογία EG στο Σχήμα 2 είναι ότι η κεραία είναι απευθείας συμβατή με τον ανορθωτή, αντί για το πρότυπο των 50Ω, το οποίο απαιτεί ελαχιστοποίηση ή εξάλειψη του κυκλώματος αντιστοίχισης για την τροφοδοσία του ανορθωτή. Αυτή η ενότητα εξετάζει τα πλεονεκτήματα των ορθογωνίων SoA με κεραίες που δεν είναι 50Ω και των ορθογωνίων 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 προκαλέσει την κατάληψη περισσότερου χώρου από το συνολικό μέγεθος του συστήματος από τις τυπικές κεραίες κατανεμημένων στοιχείων, και εφαρμογές όπως οι πλήρως ενσωματωμένοι πομποδέκτες για εμφυτεύματα σώματος επωφελούνται ιδιαίτερα από τη χρήση ηλεκτρικά μικρών κεραιών για WPT.
Η υψηλή επαγωγική σύνθετη αντίσταση της μικρής κεραίας (σχεδόν συντονισμός) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την άμεση σύζευξη του ανορθωτή ή με ένα πρόσθετο χωρητικό δίκτυο αντιστοίχισης στο τσιπ. Έχουν αναφερθεί ηλεκτρικά μικρές κεραίες 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. Κεραία συζευγμένου ανορθωτή
Η τυπική σύνθετη αντίσταση εισόδου μιας διόδου είναι ιδιαίτερα 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 σύνθετης σύνθετης αντίστασης, παρουσιάζοντας υψηλή σύνθετη αντίσταση (αντίσταση και άεργη αντίσταση) κοντά στη συχνότητα συντονισμού τους.
Οι επαγωγικές διπολικές κεραίες έχουν χρησιμοποιηθεί για να αντιστοιχίσουν την υψηλή χωρητικότητα του ανορθωτή στη ζώνη συχνοτήτων που μας ενδιαφέρει. Σε μια διπλωμένη διπολική κεραία, η διπλή βραχεία γραμμή (δίπολη αναδίπλωση) λειτουργεί ως μετασχηματιστής σύνθετης αντίστασης, επιτρέποντας τον σχεδιασμό μιας κεραίας εξαιρετικά υψηλής σύνθετης αντίστασης. Εναλλακτικά, η τροφοδοσία με πόλωση είναι υπεύθυνη για την αύξηση της επαγωγικής άεργης αντίστασης καθώς και της πραγματικής σύνθετης αντίστασης. Ο συνδυασμός πολλαπλών πολωμένων διπολικών στοιχείων με μη ισορροπημένα ακτινικά στελέχη με παπιγιόν σχηματίζει μια διπλή κεραία υψηλής σύνθετης αντίστασης ευρείας ζώνης. Το Σχήμα 4 δείχνει μερικές αναφερόμενες συζευγμένες κεραίες ανορθωτή.
Σχήμα 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 άμεση συνάρτηση των κερδών 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 της κεραίας είναι βασικές παράμετροι που διαφοροποιούν μεταξύ του περιβάλλοντος RFEH και του WPT (Σχήμα 5). Ενώ και στις δύο εφαρμογές το μέσο διάδοσης μπορεί να είναι άγνωστο και η επίδρασή του στο λαμβανόμενο κύμα πρέπει να ληφθεί υπόψη, μπορεί να αξιοποιηθεί η γνώση της κεραίας μετάδοσης. Ο Πίνακας 3 προσδιορίζει τις βασικές παραμέτρους που συζητούνται σε αυτήν την ενότητα και την εφαρμογή τους στο RFEH και το WPT.
Σχήμα 5
1. Κατευθυντικότητα και Κέρδος
Στις περισσότερες εφαρμογές RFEH και WPT, θεωρείται δεδομένο ότι ο συλλέκτης δεν γνωρίζει την κατεύθυνση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας και δεν υπάρχει οπτική επαφή (LoS). Σε αυτή την εργασία, έχουν διερευνηθεί πολλαπλά 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 κεραίες RFEH. Στη βιβλιογραφία, η PSD ποικίλλει ανάλογα με τον προσανατολισμό της κεραίας. Ωστόσο, η διακύμανση στην ισχύ δεν έχει εξηγηθεί, επομένως δεν είναι δυνατόν να προσδιοριστεί εάν η διακύμανση οφείλεται στο διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας ή σε αναντιστοιχία πόλωσης.
Εκτός από τις εφαρμογές RFEH, οι κατευθυντικές κεραίες και οι συστοιχίες υψηλής απολαβής έχουν αναφερθεί ευρέως για το WPT μικροκυμάτων για τη βελτίωση της απόδοσης συλλογής χαμηλής πυκνότητας ισχύος RF ή την αντιμετώπιση των απωλειών διάδοσης. Οι συστοιχίες rectenna Yagi-Uda, οι συστοιχίες bowtie, οι σπειροειδείς συστοιχίες, οι στενά συνδεδεμένες συστοιχίες Vivaldi, οι συστοιχίες CPW CP και οι συστοιχίες patch είναι μεταξύ των κλιμακωτών υλοποιήσεων rectenna που μπορούν να μεγιστοποιήσουν την πυκνότητα προσπίπτουσας ισχύος κάτω από μια συγκεκριμένη περιοχή. Άλλες προσεγγίσεις για τη βελτίωση του κέρδους της κεραίας περιλαμβάνουν την τεχνολογία ολοκληρωμένου κυματοδηγού υποστρώματος (SIW) σε ζώνες μικροκυμάτων και χιλιοστομετρικών κυμάτων, ειδικά για το WPT. Ωστόσο, οι rectenna υψηλής απολαβής χαρακτηρίζονται από στενά πλάτη δέσμης, καθιστώντας τη λήψη κυμάτων σε αυθαίρετες κατευθύνσεις αναποτελεσματική. Οι έρευνες για τον αριθμό των στοιχείων και των θυρών κεραίας κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η υψηλότερη κατευθυντικότητα δεν αντιστοιχεί σε υψηλότερη συλλεγόμενη ισχύ 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 την αντιμετώπιση του προβλήματος της κατευθυντικότητας. Προτείνεται ένα βραχιόλι κεραίας διπλής επικάλυψης για τη συλλογή ενέργειας από RFEH περιβάλλοντος Wi-Fi σε δύο κατευθύνσεις. Οι κεραίες RFEH περιβάλλοντος κυψελωτού τύπου σχεδιάζονται επίσης ως τρισδιάστατα κουτιά και εκτυπώνονται ή προσκολλώνται σε εξωτερικές επιφάνειες για τη μείωση της επιφάνειας του συστήματος και την ενεργοποίηση της πολυκατευθυντικής συλλογής. Οι κυβικές δομές ορθογώνιας διάταξης παρουσιάζουν μεγαλύτερη πιθανότητα λήψης ενέργειας σε RFEH περιβάλλοντος.
Βελτιώσεις στο σχεδιασμό της κεραίας για την αύξηση του πλάτους δέσμης, συμπεριλαμβανομένων βοηθητικών παρασιτικών στοιχείων patch, έγιναν για τη βελτίωση του WPT στα 2,4 GHz, σε συστοιχίες 4 × 1. Προτάθηκε επίσης μια κεραία mesh 6 GHz με πολλαπλές περιοχές δέσμης, η οποία παρουσιάζει πολλαπλές δέσμες ανά θύρα. Έχουν προταθεί πολυθυρικές, πολυανορθωτικές επιφανειακές κεραίες και κεραίες συλλογής ενέργειας με πανκατευθυντικά μοτίβα ακτινοβολίας για πολυκατευθυντική και πολυπολική RFEH. Έχουν επίσης προταθεί πολυανορθωτές με μήτρες διαμόρφωσης δέσμης και συστοιχίες κεραιών πολλαπλών θυρών για συλλογή ενέργειας υψηλής απολαβής και πολλαπλών κατευθύνσεων.
Συνοπτικά, ενώ οι κεραίες υψηλού κέρδους προτιμώνται για τη βελτίωση της ισχύος που συλλέγεται από χαμηλές πυκνότητες RF, οι δέκτες υψηλής κατεύθυνσης ενδέχεται να μην είναι ιδανικοί σε εφαρμογές όπου η κατεύθυνση του πομπού είναι άγνωστη (π.χ., RFEH περιβάλλοντος ή WPT μέσω άγνωστων καναλιών διάδοσης). Σε αυτή την εργασία, προτείνονται πολλαπλές προσεγγίσεις πολλαπλών δεσμών για πολυκατευθυντικό WPT και RFEH υψηλού κέρδους.
2. Πόλωση κεραίας
Η πόλωση της κεραίας περιγράφει την κίνηση του διανύσματος του ηλεκτρικού πεδίου σε σχέση με την κατεύθυνση διάδοσης της κεραίας. Οι αναντιστοιχίες πόλωσης μπορούν να οδηγήσουν σε μειωμένη μετάδοση/λήψη μεταξύ των κεραιών, ακόμη και όταν οι κατευθύνσεις των κύριων λοβών είναι ευθυγραμμισμένες. Για παράδειγμα, εάν χρησιμοποιηθεί μια κάθετη κεραία LP για μετάδοση και μια οριζόντια κεραία LP για λήψη, δεν θα ληφθεί ισχύς. Σε αυτήν την ενότητα, εξετάζονται οι μέθοδοι που αναφέρθηκαν για τη μεγιστοποίηση της απόδοσης ασύρματης λήψης και την αποφυγή απωλειών αναντιστοιχίας πόλωσης. Μια σύνοψη της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής rectenna σε σχέση με την πόλωση δίνεται στο Σχήμα 6 και ένα παράδειγμα SoA δίνεται στον Πίνακα 4.
Σχήμα 6
Στις κινητές επικοινωνίες, η γραμμική ευθυγράμμιση πόλωσης μεταξύ σταθμών βάσης και κινητών τηλεφώνων είναι απίθανο να επιτευχθεί, επομένως οι κεραίες των σταθμών βάσης σχεδιάζονται ώστε να είναι διπλής ή πολυπολικές για να αποφευχθούν οι απώλειες αναντιστοιχίας πόλωσης. Ωστόσο, η διακύμανση πόλωσης των κυμάτων LP λόγω των φαινομένων πολλαπλών διαδρομών παραμένει ένα άλυτο πρόβλημα. Με βάση την υπόθεση των πολυπολικών σταθμών βάσης κινητής τηλεφωνίας, οι κυψελοειδείς κεραίες RFEH σχεδιάζονται ως κεραίες LP.
Οι κεραίες CP rectennas χρησιμοποιούνται κυρίως σε WPT επειδή είναι σχετικά ανθεκτικές στην αναντιστοιχία. Οι κεραίες CP είναι σε θέση να λαμβάνουν ακτινοβολία CP με την ίδια κατεύθυνση περιστροφής (αριστερόχειρες ή δεξιόχειρες 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 (απώλεια ισχύος 50%). Οι κεραίες CP rectennas αναφέρονται ως κατάλληλες για βιομηχανικές, επιστημονικές και ιατρικές ζώνες 900 MHz και 2,4 GHz και 5,8 GHz, καθώς και για χιλιοστομετρικά κύματα. Στο RFEH αυθαίρετα πολωμένων κυμάτων, η ποικιλομορφία πόλωσης αντιπροσωπεύει μια πιθανή λύση για τις απώλειες αναντιστοιχίας πόλωσης.
Η πλήρης πόλωση, γνωστή και ως πολυπολικότητα, έχει προταθεί για την πλήρη υπέρβαση των απωλειών αναντιστοιχίας πόλωσης, επιτρέποντας τη συλλογή κυμάτων CP και LP, όπου δύο ορθογώνια στοιχεία LP με διπλή πόλωση λαμβάνουν αποτελεσματικά όλα τα κύματα LP και CP. Για να το δείξουμε αυτό, οι κατακόρυφες και οριζόντιες καθαρές τάσεις (VV και VH) παραμένουν σταθερές ανεξάρτητα από τη γωνία πόλωσης:
Ηλεκτρικό πεδίο ηλεκτρομαγνητικού κύματος CP "E", όπου η ισχύς συλλέγεται δύο φορές (μία φορά ανά μονάδα), λαμβάνοντας έτσι πλήρως το στοιχείο CP και ξεπερνώντας την απώλεια αναντιστοιχίας πόλωσης 3 dB:
Τέλος, μέσω συνδυασμού DC, μπορούν να ληφθούν προσπίπτοντα κύματα αυθαίρετης πόλωσης. Το Σχήμα 7 δείχνει τη γεωμετρία του αναφερόμενου πλήρως πολωμένου ορθοκέννου.
Σχήμα 7
Συνοπτικά, σε εφαρμογές WPT με ειδικά τροφοδοτικά, το CP προτιμάται επειδή βελτιώνει την απόδοση του WPT ανεξάρτητα από τη γωνία πόλωσης της κεραίας. Από την άλλη πλευρά, στην λήψη σήματος από πολλαπλές πηγές, 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 RF ή DC.
Περίληψη
Αυτή η εργασία εξετάζει την πρόσφατη πρόοδο στο σχεδιασμό κεραιών για RFEH και WPT και προτείνει μια τυποποιημένη ταξινόμηση σχεδιασμού κεραιών για RFEH και WPT που δεν έχει προταθεί σε προηγούμενη βιβλιογραφία. Έχουν προσδιοριστεί τρεις βασικές απαιτήσεις κεραίας για την επίτευξη υψηλής απόδοσης RF-to-DC ως εξής:
1. Εύρος ζώνης σύνθετης αντίστασης ανορθωτή κεραίας για τις ζώνες RFEH και WPT που μας ενδιαφέρουν.
2. Ευθυγράμμιση κύριου λοβού μεταξύ πομπού και δέκτη σε WPT από μια ειδική τροφοδοσία.
3. Ταίριασμα πόλωσης μεταξύ του ορθοκέννου και του προσπίπτοντος κύματος ανεξάρτητα από τη γωνία και τη θέση.
Με βάση την αντίσταση, οι ορθογώνιες (rectennas) ταξινομούνται σε ορθογώνιες των 50Ω και σε ορθογώνιες συζευγμένες με ανορθωτή, με έμφαση στην αντιστοίχιση της αντίστασης μεταξύ διαφορετικών ζωνών και φορτίων και στην απόδοση κάθε μεθόδου αντιστοίχισης.
Τα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας των ορθοστατών SoA έχουν εξεταστεί από την οπτική γωνία της κατευθυντικότητας και της πόλωσης. Συζητούνται μέθοδοι βελτίωσης του κέρδους μέσω μορφοποίησης δέσμης και συσκευασίας για την υπέρβαση του στενού πλάτους δέσμης. Τέλος, εξετάζονται οι ορθοστατές CP για WPT, μαζί με διάφορες υλοποιήσεις για την επίτευξη λήψης ανεξάρτητης από την πόλωση για WPT και RFEH.
Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τις κεραίες, επισκεφθείτε τη διεύθυνση:
Ώρα δημοσίευσης: 16 Αυγούστου 2024
