Сумесная канструкцыя антэны і выпрамніка
Характарыстыкай рэктэн, якія прытрымліваюцца тапалогіі EG на малюнку 2, з'яўляецца тое, што антэна непасрэдна ўзгоднена з выпрамніком, а не са стандартам 50 Ом, які патрабуе мінімізацыі або выключэння схемы ўзгаднення для харчавання выпрамніка. У гэтым раздзеле разглядаюцца перавагі рэктэн SoA з антэнамі без 50 Ом і рэктэн без адпаведных сетак.
1. Электрычна малыя антэны
LC рэзанансныя колцавыя антэны шырока выкарыстоўваюцца ў прыкладаннях, дзе памер сістэмы мае вырашальнае значэнне. На частотах ніжэй за 1 ГГц даўжыня хвалі можа прывесці да таго, што антэны стандартных размеркаваных элементаў будуць займаць больш месца, чым агульны памер сістэмы, і такія прыкладання, як цалкам інтэграваныя трансіверы для імплантатаў цела, асабліва выйграюць ад выкарыстання электрычна малых антэн для WPT.
Высокі індуктыўны супраціў маленькай антэны (блізкі да рэзанансу) можа быць выкарыстаны для непасрэднага злучэння выпрамніка або з дадатковай убудаванай у чып ёмістнай узгадняючай сеткай. Электрычна малыя антэны былі прадстаўлены ў WPT з LP і CP ніжэй за 1 ГГц з выкарыстаннем дыпольных антэн Гюйгенса з ka=0,645, у той час як ka=5,91 у звычайных дыполях (ka=2πr/λ0).
2. Спалучаная антэна выпрамніка
Тыповы ўваходны супраціў дыёда мае высокую ёмістасць, таму для дасягнення спалучанага імпедансу патрабуецца індуктыўная антэна. З-за ёмістнага супраціўлення чыпа індуктыўныя антэны з высокім імпедансам шырока выкарыстоўваюцца ў тэгах RFID. Дыпольныя антэны нядаўна сталі тэндэнцыяй у антэнах RFID са складаным імпедансам, якія дэманструюць высокі імпеданс (супраціўленне і рэактыўнае супраціўленне) паблізу іх рэзананснай частаты.
Індуктыўныя дыпольныя антэны былі выкарыстаны для ўзгаднення высокай ёмістасці выпрамніка ў цікавым дыяпазоне частот. У складзенай дыпольнай антэне падвойная кароткая лінія (дыпольнае згортванне) дзейнічае як трансфарматар імпедансу, што дазваляе распрацаваць антэну з надзвычай высокім імпедансам. У якасці альтэрнатывы падача зрушэння адказвае за павелічэнне індуктыўнага супраціўлення, а таксама фактычнага імпедансу. Аб'яднанне некалькіх змешчаных дыпольных элементаў з незбалансаванымі радыяльнымі заглушкамі ў форме матылькоў утварае падвойную шырокапалосную высокаімпедансную антэну. На малюнку 4 паказаны некаторыя спалучаныя антэны выпрамніка.
Малюнак 4
Характарыстыкі выпраменьвання ў RFEH і WPT
У мадэлі Friis магутнасць PRX, якую прымае антэна на адлегласці d ад перадатчыка, з'яўляецца прамой залежнасцю ад узмацнення прымача і перадатчыка (GRX, GTX).
Накіраванасць і палярызацыя галоўнага лепестка антэны непасрэдна ўплываюць на колькасць магутнасці, атрыманай ад падаючай хвалі. Характарыстыкі выпраменьвання антэны з'яўляюцца ключавымі параметрамі, якія адрозніваюць RFEH навакольнага асяроддзя ад WPT (малюнак 5). У той час як у абодвух прыкладаннях асяроддзе распаўсюджвання можа быць невядомым і неабходна ўлічваць яго ўплыў на прымаемую хвалю, веданне перадаючай антэны можа быць выкарыстана. Табліца 3 вызначае асноўныя параметры, якія абмяркоўваюцца ў гэтым раздзеле, і іх дастасавальнасць да RFEH і WPT.
Малюнак 5
1. Накіраванасць і ўзмацненне
У большасці прыкладанняў RFEH і WPT мяркуецца, што калектар не ведае напрамку падаючага выпраменьвання і не існуе шляху прамой бачнасці (LoS). У гэтай працы было даследавана мноства канструкцый і размяшчэння антэн, каб максымізаваць атрыманую магутнасць ад невядомай крыніцы, незалежна ад выраўноўвання галоўных пялёсткаў паміж перадатчыкам і прымачом.
Усенакіраваныя антэны шырока выкарыстоўваюцца ў экалагічных рэктэнах RFEH. У літаратуры PSD вар'іруецца ў залежнасці ад арыентацыі антэны. Аднак змяненне магутнасці не было растлумачана, таму немагчыма вызначыць, звязана гэта змяненне з-за дыяграмы дыяграмы выпраменьвання антэны або з-за неадпаведнасці палярызацыі.
У дадатак да прымянення RFEH, для мікрахвалевых БПТ шырока паведамлялася аб накіраваных антэнах і кратах з высокім каэфіцыентам узмацнення для павышэння эфектыўнасці збору нізкай шчыльнасці радыёчастотнай магутнасці або пераадолення страт пры распаўсюджванні. Масіўы рэктэн Yagi-Uda, масівы матылькоў, спіральныя рашоткі, цесна звязаныя рашоткі Вівальдзі, CPW CP і патч-масівы ўваходзяць у лік маштабаваных рэктэн, якія могуць максымізаваць шчыльнасць падаючай магутнасці ў пэўнай вобласці. Іншыя падыходы да паляпшэння ўзмацнення антэны ўключаюць тэхналогію інтэграванага ў падкладку хвалявода (SIW) у мікрахвалевым і міліметровым дыяпазонах хваль, характэрную для WPT. Аднак рэктэны з высокім узмацненнем характарызуюцца вузкай шырынёй прамяня, што робіць прыём хваль у адвольных напрамках неэфектыўным. Даследаванні колькасці антэнных элементаў і партоў прыйшлі да высновы, што больш высокая скіраванасць не адпавядае большай здабываемай магутнасці ў навакольным RFEH пры ўмове трохмернага адвольнага падзення; гэта было праверана палявымі вымярэннямі ў гарадскіх умовах. Масівы з высокім каэфіцыентам узмацнення могуць быць абмежаваныя праграмамі WPT.
Каб перанесці перавагі антэн з высокім каэфіцыентам узмацнення на адвольныя RFEH, выкарыстоўваюцца рашэнні па ўпакоўцы або кампаноўцы, каб пераадолець праблему накіраванасці. Прапануецца бранзалет з падвойнай антэнай для збору энергіі ад навакольных Wi-Fi RFEH у двух напрамках. Навакольныя сотавыя антэны RFEH таксама распрацаваны ў выглядзе трохмерных скрынак і надрукаваны або прымацаваны да вонкавых паверхняў, каб паменшыць плошчу сістэмы і забяспечыць шматнакіраваны збор. Кубічныя рэктэнавыя структуры дэманструюць больш высокую верагоднасць прыёму энергіі ў навакольных RFEH.
Паляпшэнні канструкцыі антэны для павелічэння шырыні прамяня, уключаючы дапаможныя паразітныя элементы, былі зроблены для паляпшэння WPT на 2,4 ГГц, кратах 4 × 1. Таксама была прапанавана сеткаватая антэна 6 ГГц з некалькімі абласцямі прамяня, якая дэманструе некалькі прамянёў на порт. Шматпортавыя павярхоўныя рэктэны з некалькімі выпрамнікамі і антэны для збору энергіі з усёнакіраванай дыяграмай дыяграмы былі прапанаваны для разнанакіраванай і шматпалярызаванай RFEH. Мультывыпрамнікі з матрыцамі фарміравання прамяня і шматпортавымі антэннымі кратамі таксама былі прапанаваны для шматнакіраванага збору энергіі з высокім узмацненнем.
Падводзячы вынік, у той час як антэны з высокім каэфіцыентам узмацнення аддаюць перавагу для павышэння магутнасці, атрыманай з нізкай шчыльнасці радыёчастот, вельмі накіраваныя прыёмнікі могуць быць неідэальнымі ў прылажэннях, дзе кірунак перадатчыка невядомы (напрыклад, навакольнае RFEH або WPT праз невядомыя каналы распаўсюджвання). У гэтай працы прапануецца некалькі шматпрамянёвых падыходаў для разнанакіраваных WPT і RFEH з высокім узмацненнем.
2. Палярызацыя антэны
Палярызацыя антэны апісвае рух вектара электрычнага поля адносна кірунку распаўсюджвання антэны. Несупадзенне палярызацыі можа прывесці да зніжэння перадачы/прыёму паміж антэнамі, нават калі напрамкі асноўных пялёсткаў супадаюць. Напрыклад, калі вертыкальная LP антэна выкарыстоўваецца для перадачы, а гарызантальная LP антэна выкарыстоўваецца для прыёму, магутнасць паступаць не будзе. У гэтым раздзеле разглядаюцца метады максімальнай эфектыўнасці бесправаднога прыёму і пазбягання страт пры неадпаведнасці палярызацыі. Рэзюмэ прапанаванай архітэктуры рэктэны ў дачыненні да палярызацыі прыведзена на малюнку 6, а прыклад SoA прыведзены ў табліцы 4.
Малюнак 6
У сотавай сувязі наўрад ці ўдасца дасягнуць лінейнага выраўноўвання палярызацыі паміж базавымі станцыямі і мабільнымі тэлефонамі, таму антэны базавых станцый распрацаваны з падвойнай або мультыпалярызацыяй, каб пазбегнуць страт на несупадзенне палярызацыі. Аднак змяненне палярызацыі хваль LP з-за эфектаў шматпрамянёвасці застаецца нявырашанай праблемай. Зыходзячы з здагадкі аб мультыпалярызаваных базавых станцыях мабільнай сувязі, сотавыя антэны RFEH распрацаваны як антэны LP.
Рэктэны CP у асноўным выкарыстоўваюцца ў WPT, таму што яны адносна ўстойлівыя да неадпаведнасці. CP-антэны здольныя прымаць CP-выпраменьванне з аднолькавым кірункам кручэння (права- або левабаковае CP) у дадатак да ўсіх хваль LP без страты магутнасці. У любым выпадку антэна CP перадае, а антэна LP прымае са стратай 3 дБ (50% страты магутнасці). Паведамляецца, што рэктэны CP падыходзяць для прамысловых, навуковых і медыцынскіх дыяпазонаў 900 МГц, 2,4 ГГц і 5,8 ГГц, а таксама для міліметровых хваль. У RFEH адвольна палярызаваных хваль палярызацыйнае разнастайнасць уяўляе сабой патэнцыйнае рашэнне для страт пры неадпаведнасці палярызацыі.
Поўная палярызацыя, таксама вядомая як мультыпалярызацыя, была прапанавана для поўнага пераадолення страт неадпаведнасці палярызацыі, што дазваляе збіраць як хвалі CP, так і хвалі LP, дзе два двайны палярызаваныя артаганальныя элементы LP эфектыўна прымаюць усе хвалі LP і CP. Каб праілюстраваць гэта, вертыкальнае і гарызантальнае чыстае напружанне (VV і VH) застаюцца нязменнымі незалежна ад вугла палярызацыі:
Электрычнае поле CP электрамагнітнай хвалі "E", дзе магутнасць збіраецца двойчы (адзін раз на адзінку), такім чынам поўнасцю прымаючы кампанент CP і пераадольваючы страты неадпаведнасці палярызацыі ў 3 дБ:
Нарэшце, праз камбінацыю пастаяннага току могуць быць атрыманы падаючыя хвалі адвольнай палярызацыі. Малюнак 7 паказвае геаметрыю цалкам палярызаванай рэктэны.
Малюнак 7
Падводзячы вынік, у прылажэннях WPT са спецыяльнымі крыніцамі сілкавання пераважней CP, таму што ён павышае эфектыўнасць WPT незалежна ад вугла палярызацыі антэны. З іншага боку, пры атрыманні з некалькіх крыніц, асабліва з навакольных крыніц, цалкам палярызаваныя антэны могуць дасягнуць лепшага агульнага прыёму і максімальнай мабільнасці; архітэктуры з некалькімі портамі/шматлікімі выпрамнікамі патрабуюцца для аб'яднання цалкам палярызаванай магутнасці ў ВЧ або пастаянным току.
Рэзюмэ
У гэтым артыкуле разглядаецца апошні прагрэс у распрацоўцы антэн для RFEH і WPT і прапануецца стандартная класіфікацыя канструкцыі антэн для RFEH і WPT, якая не была прапанавана ў папярэдняй літаратуры. Тры асноўныя патрабаванні да антэны для дасягнення высокай эфектыўнасці RF-to-DC былі вызначаны як:
1. Шырыня прапускання імпедансу антэннага выпрамніка для цікавых дыяпазонаў RFEH і WPT;
2. Выраўноўванне галоўнага пялёстка паміж перадатчыкам і прымачом у WPT ад спецыяльнага канала;
3. Палярызацыйнае ўзгадненне паміж рэктэннай і падаючай хваляй незалежна ад вугла і становішча.
На падставе імпедансу рэктэны класіфікуюцца на 50 Ом і рэктэны, спалучаныя з выпрамніком, з упорам на супастаўленне імпедансу паміж рознымі дыяпазонамі і нагрузкамі і эфектыўнасць кожнага метаду супастаўлення.
Характарыстыкі выпраменьвання рэктэн SoA былі разгледжаны з пункту гледжання накіраванасці і палярызацыі. Абмяркоўваюцца метады паляпшэння ўзмацнення шляхам фарміравання прамяня і ўпакоўкі для пераадолення вузкай шырыні прамяня. Нарэшце, разгледжаны CP рэктэны для WPT, а таксама розныя рэалізацыі для дасягнення незалежнага ад палярызацыі прыёму для WPT і RFEH.
Каб даведацца больш пра антэны, наведайце:
Час публікацыі: 16 жніўня 2024 г
