Сумеснае праектаванне антэны і выпрамніка
Характэрнай рысай прамых тэн, якія адпавядаюць тапалогіі EG, паказанай на малюнку 2, з'яўляецца тое, што антэна непасрэдна ўзгадняецца з выпрамніком, а не са стандартам 50 Ом, што патрабуе мінімізацыі або ліквідацыі схемы ўзгаднення для харчавання выпрамніка. У гэтым раздзеле разглядаюцца перавагі прамых тэн SoA з антэнамі, якія не маюць 50 Ом, і прамых тэн без сетак узгаднення.
1. Электрычна малыя антэны
Рэзанансныя кальцавыя LC-антэны шырока выкарыстоўваюцца ў тых выпадках, калі памер сістэмы мае вырашальнае значэнне. На частотах ніжэй за 1 ГГц даўжыня хвалі можа прывесці да таго, што стандартныя антэны з размеркаванымі элементамі будуць займаць больш месца, чым агульны памер сістэмы, і такія прымянення, як цалкам інтэграваныя прыёмаперадатчыкі для імплантатаў цела, асабліва выйграюць ад выкарыстання электрычна малых антэн для бесправадной перадачы дадзеных (WPT).
Высокі індуктыўны імпеданс малой антэны (блізкі да рэзанансу) можа быць выкарыстаны для непасрэднага падключэння да выпрамніка або да дадатковай убудаванай ёмістнай сеткі ўзгаднення. Паведамлялася пра электрычна малыя антэны ў бесправадным рэжыме 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. Антэна, спалучаная з выпрамніком
Тыповы ўваходны імпеданс дыёда мае высокую ёмістнасць, таму для дасягнення спалучанага імпедансу патрабуецца індуктыўная антэна. З-за ёмістнага імпедансу чыпа, высокаімпедансныя індуктыўныя антэны шырока выкарыстоўваюцца ў RFID-метках. Дыпольныя антэны нядаўна сталі тэндэнцыяй у RFID-антэнах са складаным імпедансам, праяўляючы высокі імпеданс (супраціўленне і рэактыўнае супраціўленне) паблізу сваёй рэзананснай частаты.
Для ўзгаднення высокай ёмістасці выпрамніка ў цікавячым дыяпазоне частот выкарыстоўваліся індуктыўныя дыпольныя антэны. У складзенай дыпольнай антэне падвойная кароткая лінія (складанне дыполя) дзейнічае як трансфарматар імпедансу, што дазваляе распрацоўваць антэну з надзвычай высокім імпедансам. Акрамя таго, падключэнне зрушэння адказвае за павелічэнне індуктыўнага рэактыўнага супраціву, а таксама фактычнага імпедансу. Спалучэнне некалькіх зрушаных дыпольных элементаў з незбалансаванымі радыяльнымі шлейфамі тыпу «банцік» утварае падвойную шырокапалосную антэну з высокім імпедансам. На малюнку 4 паказаны некаторыя апісаныя спалучаныя выпрамнільныя антэны.
Малюнак 4
Характарыстыкі выпраменьвання ў RFEH і WPT
У мадэлі Фрыіса магутнасць PRX, якая прымаецца антэнай на адлегласці d ад перадатчыка, з'яўляецца прамой функцыяй каэфіцыентаў узмацнення прымача і перадатчыка (GRX, GTX).
Накіраванасць і палярызацыя галоўнага пялёстка антэны непасрэдна ўплываюць на колькасць магутнасці, якая збіраецца з падаючай хвалі. Характарыстыкі выпраменьвання антэны з'яўляюцца ключавымі параметрамі, якія адрозніваюць навакольнае асяроддзе распаўсюджвання хвалі (RFEH) і бесперапыннае распаўсюджванне хвалі (WPT) (Малюнак 5). Хоць у абодвух выпадках асяроддзе распаўсюджвання можа быць невядомае, і яго ўплыў на прыманую хвалю неабходна ўлічваць, можна выкарыстоўваць веды аб перадаючай антэне. У табліцы 3 вызначаны ключавыя параметры, якія абмяркоўваюцца ў гэтым раздзеле, і іх прымяненне да RFEH і WPT.
Малюнак 5
1. Накіраванасць і ўзмацненне
У большасці выпадкаў прымянення RFEH і WPT мяркуецца, што калектар не ведае кірунку падаючага выпраменьвання і няма шляху прамой бачнасці (LoS). У гэтай працы былі даследаваны розныя канструкцыі і размяшчэнні антэн для максімізацыі прыманай магутнасці ад невядомай крыніцы, незалежна ад выраўноўвання галоўнага пялёстка паміж перадатчыкам і прымачом.
Усенакіраваныя антэны шырока выкарыстоўваюцца ў прамых радыёчастотных антэнах (РЧЭ) для навакольнага асяроддзя. У літаратуры PSD змяняецца ў залежнасці ад арыентацыі антэны. Аднак змяненне магутнасці не было растлумачана, таму немагчыма вызначыць, ці звязана гэта змяненне з дыяграмай накіраванасці антэны, ці з неадпаведнасцю палярызацыі.
Акрамя прымянення радыёчастотных электраперадатчыкаў (РЧПЭ), шырока паведамлялася пра выкарыстанне накіраваных антэн і рашотак з высокім каэфіцыентам каэфіцыента ўзмацнення для мікрахвалевых бесправадных перадатчыкаў (БПЭ) для паляпшэння эфектыўнасці збору нізкай шчыльнасці радыёчастотнай магутнасці або пераадолення страт на распаўсюджванне. Сярод маштабуемых рэалізацый БПЭ, якія могуць максымізаваць шчыльнасць магутнасці падаючага выпраменьвання ў пэўнай зоне, ёсць такія накіраваныя антэны і рашоткі з прамым перадатчыкам Ягі-Уда, рашоткі тыпу «банцікі-матылькі», спіральныя рашоткі, цесна звязаныя рашоткі Вівальдзі, CPW CP рашоткі і патч-рашоткі. Іншыя падыходы да паляпшэння каэфіцыента ўзмацнення антэны ўключаюць тэхналогію хвалявода з інтэграванай падкладкай (SIW) у мікрахвалевым і міліметровым дыяпазонах хваль, характэрныя для БПЭ. Аднак БПЭ з высокім каэфіцыентам узмацнення характарызуюцца вузкай шырынёй прамяня, што робіць прыём хваль у адвольных напрамках неэфектыўным. Даследаванні колькасці элементаў антэны і партоў прыйшлі да высновы, што больш высокая накіраванасць не адпавядае большай магутнасці, якая збіраецца, у навакольным РЧПЭ пры ўмове трохмернага адвольнага падзення; гэта было пацверджана палявымі вымярэннямі ў гарадскіх умовах. Рэшыткі з высокім каэфіцыентам узмацнення могуць быць абмежаваныя прымяненнем БПЭ.
Каб перанесці перавагі антэн з высокім узмацненнем на адвольныя радыёчастотныя фейерверкі (РФЭГ), выкарыстоўваюцца рашэнні па ўпакоўцы або кампаноўцы, якія вырашаюць праблему накіраванасці. Прапануецца двухбаковы антэнны браслет для збору энергіі з навакольных РФЭГ Wi-Fi ў двух напрамках. Антэны сотавай сувязі РФЭГ для навакольных напрамкаў таксама распрацаваны ў выглядзе трохмерных скрынак і надрукаваны або прылеплены да знешніх паверхняў, каб паменшыць плошчу сістэмы і забяспечыць шматнакіраваны збор. Кубічныя прамыя структуры дэманструюць больш высокую верагоднасць прыёму энергіі ў навакольных РФЭГ.
Для паляпшэння бесперапыннага распаўсюджвання прамяня (WPT) на частаце 2,4 ГГц з размеркаваннем рашотак 4 × 1 былі ўнесены паляпшэнні ў канструкцыю антэны з мэтай павелічэння шырыні прамяня, у тым ліку дапаможныя паразітныя патч-элементы. Таксама была прапанавана сеткаватая антэна 6 ГГц з некалькімі абласцямі прамяня, якая дэманструе некалькі прамянёў на порт. Для шматнакіраванага і шматпалярызаванага RFEH былі прапанаваны шматпортавыя, шматвыпрамляльныя паверхневыя прамыя антэны і антэны для збору энергіі з усенакіраванымі дыяграмамі накіраванасці. Для шматнакіраванага збору энергіі з высокім каэфіцыентам узмацнення былі таксама прапанаваны шматвыпрамляльнікі з матрыцамі фармавання прамяня і шматпортавыя антэнныя рашоткі.
Карацей кажучы, хоць антэны з высокім каэфіцыентам узмацнення пераважнейшыя для паляпшэння магутнасці, якая атрымліваецца пры нізкай шчыльнасці радыёчастотных сігналаў, высоканакіраваныя прыёмнікі могуць быць неідэальнымі ў выпадках, калі кірунак перадатчыка невядомы (напрыклад, навакольны радыёчастотны эфір з высокім каэфіцыентам узмацнення або радыёчастотны эфір з высокім каэфіцыентам распаўсюджвання). У гэтай працы прапанаваны некалькі шматпрамянёвых падыходаў для шматнакіраваных радыёчастотных эфірных сігналаў з высокім каэфіцыентам узмацнення і радыёчастотных эфірных сігналаў.
2. Палярызацыя антэны
Палярызацыя антэны апісвае рух вектара электрычнага поля адносна кірунку распаўсюджвання антэны. Неадпаведнасці палярызацыі могуць прывесці да зніжэння перадачы/прыёму паміж антэнамі, нават калі напрамкі галоўных пялёсткаў выраўнаваны. Напрыклад, калі для перадачы выкарыстоўваецца вертыкальная антэна LP, а для прыёму — гарызантальная антэна LP, магутнасць прымацца не будзе. У гэтым раздзеле разглядаюцца апісаныя метады максімізацыі эфектыўнасці бесправаднога прыёму і пазбягання страт з-за неадпаведнасці палярызацыі. Кароткі агляд прапанаванай архітэктуры прамой тэны адносна палярызацыі прыведзены на малюнку 6, а прыклад SoA — у табліцы 4.
Малюнак 6
У сотавай сувязі дасягненне лінейнага выраўноўвання палярызацыі паміж базавымі станцыямі і мабільнымі тэлефонамі малаверагодна, таму антэны базавых станцый распрацоўваюцца з падвойнай або шматпалярызацыяй, каб пазбегнуць страт з-за неадпаведнасці палярызацыі. Аднак змяненне палярызацыі хваль нізкай палярызацыі з-за эфектаў шматпрамянёвага распаўсюджвання застаецца нявырашанай праблемай. Зыходзячы з здагадкі аб шматпалярызацыі мабільных базавых станцый, сотавыя антэны RFEH распрацоўваюцца як антэны нізкай палярызацыі.
Прамыя антэны CP у асноўным выкарыстоўваюцца ў бесперапыннай перадачы дадзеных (WPT), таму што яны адносна ўстойлівыя да неадпаведнасці. Антэны CP здольныя прымаць выпраменьванне CP з аднолькавым кірункам кручэння (левабаковы або правабаковы CP) у дадатак да ўсіх хваль LP без страты магутнасці. У любым выпадку, антэна CP перадае, а антэна LP прымае са стратамі 3 дБ (страты магутнасці 50%). Паведамляецца, што прамыя антэны CP падыходзяць для прамысловых, навуковых і медыцынскіх дыяпазонаў 900 МГц, 2,4 ГГц і 5,8 ГГц, а таксама міліметровых хваль. У RFEH адвольна палярызаваных хваль разнясенне палярызацыі ўяўляе сабой патэнцыйнае рашэнне праблемы страт з-за неадпаведнасці палярызацыі.
Поўная палярызацыя, таксама вядомая як мультыпалярызацыя, была прапанавана для поўнага пераадолення страт з-за неадпаведнасці палярызацыі, што дазваляе збіраць як хвалі CP, так і хвалі LP, дзе два падвойна палярызаваныя артаганальныя элементы LP эфектыўна прымаюць усе хвалі LP і CP. Для ілюстрацыі гэтага вертыкальнае і гарызантальнае напружанне сеткі (VV і VH) застаюцца пастаяннымі незалежна ад вугла палярызацыі:
Электрамагнітная хваля CP "E" электрычнага поля, дзе магутнасць збіраецца двойчы (адзін раз на адзінку), тым самым цалкам атрымліваючы кампанент CP і пераадольваючы страты з-за неадпаведнасці палярызацыі 3 дБ:
Нарэшце, дзякуючы камбінацыі пастаяннага току можна прымаць падаючыя хвалі адвольнай палярызацыі. На малюнку 7 паказана геаметрыя пазначанай цалкам палярызаванай прамой тэны.
Малюнак 7
Карацей кажучы, у прымяненні бесправадной перадачы дадзеных (БПД) з асобнымі крыніцамі харчавання пераважней выкарыстоўваць цалкам палярызаваныя антэны, паколькі яны паляпшаюць эфектыўнасць БПД незалежна ад вугла палярызацыі антэны. З іншага боку, пры прыёме сігналаў з некалькіх крыніц, асабліва з навакольных крыніц, цалкам палярызаваныя антэны могуць дасягнуць лепшага агульнага прыёму і максімальнай партатыўнасці; для аб'яднання цалкам палярызаванай магутнасці на радыёчастотным або пастаянным узроўні патрабуюцца шматпортавыя/шматвыпрамляльныя архітэктуры.
Кароткі змест
У гэтым артыкуле разглядаецца нядаўні прагрэс у распрацоўцы антэн для радыёчастотных электрапрывадаў (РЧЭ) і бесправадных электрычных пераўтварэнняў (БПЭ), а таксама прапануецца стандартная класіфікацыя канструкцый антэн для РЧЭ і БПЭ, якая не была прапанавана ў папярэдняй літаратуры. Былі вызначаны тры асноўныя патрабаванні да антэн для дасягнення высокай эфектыўнасці пераўтварэння РЧ-частот у пастаянны сігнал:
1. Паласа прапускання імпедансу выпрамніка антэны для дыяпазонаў RFEH і WPT, якія цікавяць нас;
2. Выраўноўванне галоўнага пялёстка паміж перадатчыкам і прымачом у бесправадным трансфарматары (БПЭ) ад спецыяльнага канала;
3. Палярызацыйнае супадзенне паміж прамой вентыляцыяй і падаючай хваляй незалежна ад вугла і становішча.
Па імпедансу прамыя рэктаны класіфікуюцца на 50 Ом і выпрамляльныя спалучаныя прамыя рэктаны, з акцэнтам на ўзгадненне імпедансу паміж рознымі дыяпазонамі і нагрузкамі і эфектыўнасць кожнага метаду ўзгаднення.
Характарыстыкі выпраменьвання прамых тэн SoA былі разгледжаны з пункту гледжання накіраванасці і палярызацыі. Абмяркоўваюцца метады паляпшэння ўзмацнення шляхам фармавання прамяня і ўпакоўкі для пераадолення вузкай шырыні прамяня. Нарэшце, разглядаюцца прамыя тэны CP 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.
