Antenne-Rectifier Co-Design
D'Charakteristik vu Rectennas no der EG Topologie an der Figur 2 ass datt d'Antenne direkt mam Gläichrichter ugepasst ass, anstatt den 50Ω Standard, deen de passende Circuit miniméiert oder eliminéiert erfuerdert fir de Gläichrichter z'entwéckelen. Dës Sektioun iwwerpréift d'Virdeeler vun SoA Rectennen mat Net-50Ω Antennen a Rectennen ouni passende Netzwierker.
1. Elektresch kleng Antennen
LC Resonanzring Antennen goufen vill an Uwendungen benotzt wou System Gréisst kritesch ass. Bei Frequenzen ënner 1 GHz kann d'Wellelängt d'Standardverdeelt Elementantennen verursaachen fir méi Plaz ze besetzen wéi d'Gesamtgréisst vum System, an Uwendungen wéi voll integréiert Transceiver fir Kierperimplantater profitéieren besonnesch vun der Benotzung vun elektresch klengen Antennen fir WPT.
Déi héich induktiv Impedanz vun der klenger Antenne (no Resonanz) kann benotzt ginn fir de Gläichrichter direkt ze koppelen oder mat engem zousätzleche on-Chip capacitive passende Netzwierk. Elektresch kleng Antennen goufen am WPT mat LP an CP ënner 1 GHz gemellt mat Huygens Dipolantennen, mat ka = 0,645, wärend ka = 5,91 an normalen Dipolen (ka = 2πr / λ0).
2. Rectifier konjugatantenne
Déi typesch Inputimpedanz vun enger Diode ass héich kapazitiv, sou datt eng induktiv Antenne erfuerderlech ass fir eng konjugéiert Impedanz z'erreechen. Wéinst der kapazitiver Impedanz vum Chip sinn héichimpedanz induktiv Antennen vill an RFID Tags benotzt. Dipole Antennen sinn viru kuerzem en Trend a komplexe Impedanz RFID Antennen ginn, déi héich Impedanz (Resistenz a Reaktanz) no hirer Resonanzfrequenz weisen.
Induktiv Dipol Antennen goufen benotzt fir déi héich Kapazitéit vum Gleichrichter an der Frequenzband vun Interesse ze passen. An enger gefalteten Dipolantenne wierkt déi duebel Kuerzlinn (Dipolklappt) als Impedanztransformator, wat den Design vun enger extrem héijer Impedanzantenne erlaabt. Alternativ ass Biasfütterung verantwortlech fir d'induktiv Reaktanz ze erhéijen souwéi déi aktuell Impedanz. D'Kombinatioun vu multiple biased Dipol Elementer mat onbalancéierten Bow-tie radial Stämme bilden eng duebel Breetband Héichimpedanzantenne. Figur 4 weist e puer gemellt rectifier konjugéiert Antennen.
Figur 4
Stralungseigenschaften an RFEH a WPT
Am Friis Modell ass d'Kraaft PRX vun enger Antenne op enger Distanz d vum Sender eng direkt Funktioun vum Empfänger a Sendergewënn (GRX, GTX).
D'Haaptlobe-Direktivitéit an d'Polariséierung vun der Antenne beaflossen direkt d'Quantitéit u Kraaft, déi aus der Tëschefallwelle gesammelt gëtt. Antenne Stralung Charakteristiken sinn Schlëssel Parameteren déi tëscht ambient RFEH an WPT differenzéieren (Figur 5). Wärend a béid Uwendungen de Verbreedungsmedium onbekannt ka sinn a säin Effekt op déi empfaange Welle muss berücksichtegt ginn, kann d'Wëssen iwwer d'Sendantenne exploitéiert ginn. Dësch 3 identifizéiert d'Schlësselparameter, déi an dëser Rubrik diskutéiert ginn, an hir Uwendung op RFEH a WPT.
Figur 5
1. Direktivitéit a Gewënn
An de meeschte RFEH- a WPT-Applikatiounen gëtt ugeholl datt de Sammler d'Richtung vun der Tëschefallstrahlung net kennt an et gëtt keng Siichtlinn (LoS) Wee. An dësem Wierk goufen Multiple Antennentwerfer a Placementer ënnersicht fir d'empfangene Kraaft vun enger onbekannter Quell ze maximéieren, onofhängeg vun der Haaptlobe Ausrichtung tëscht dem Sender an dem Empfänger.
Omnidirektional Antennen goufe wäit an Ëmwelt-RFEH-Rektennen benotzt. An der Literatur variéiert de PSD jee no der Orientéierung vun der Antenne. Wéi och ëmmer, d'Variatioun an der Kraaft ass net erkläert ginn, sou datt et net méiglech ass ze bestëmmen ob d'Variatioun wéinst dem Stralungsmuster vun der Antenne oder duerch Polariséierungsmëssmatch ass.
Zousätzlech zu RFEH Uwendungen, High-Gin Directional Antennen an Arrays goufen wäit gemellt fir Mikrowellen WPT fir d'Sammlungseffizienz vun der gerénger RF Kraaftdicht ze verbesseren oder Ausbreedungsverloschter ze iwwerwannen. Yagi-Uda Rectenna Arrays, Bowtie Arrays, Spiralarrays, enk gekoppelt Vivaldi Arrays, CPW CP Arrays, a Patch Arrays gehéieren zu de skalierbare Rectenna-Implementatiounen déi d'Tëschefall Kraaftdicht ënner engem bestëmmte Beräich maximéiere kënnen. Aner Approche fir d'Antennegewënn ze verbesseren enthalen Substrat integréiert Waveguide (SIW) Technologie a Mikrowellen a Millimeterwellenbänner, spezifesch fir WPT. Wéi och ëmmer, High-Gin-Rectennas sinn duerch schmuel Strahlbreet charakteriséiert, wat d'Empfang vu Wellen an arbiträr Richtungen ineffizient mécht. D'Untersuchungen an d'Zuel vun den Antennenelementer an d'Häfen hunn ofgeschloss datt méi héich Direktivitéit net mat enger méi héijer gesammelter Kraaft am ambient RFEH entsprécht, andeems dräidimensional arbiträr Heefegkeet ugeholl gëtt; dëst gouf duerch Feldmiessungen an urbanen Ëmfeld verifizéiert. High-gain Arrays kënnen op WPT Uwendungen limitéiert ginn.
Fir d'Virdeeler vun Héichgewënnantennen op arbiträr RFEHs ze transferéieren, ginn Verpackungs- oder Layoutléisungen benotzt fir d'Direktivitéitsprobleem ze iwwerwannen. En Dual-Patch Antenne Armband gëtt proposéiert fir Energie aus Ambient Wi-Fi RFEHs an zwou Richtungen ze sammelen. Ambient cellulär RFEH Antennen sinn och als 3D Këschte entworf a gedréckt oder op extern Flächen gedréckt fir de Systemgebitt ze reduzéieren an d'multi-directional Ernte z'erméiglechen. Kubesch Rectenna Strukturen weisen méi héich Probabilitéit fir Energieempfang an ambient RFEHs.
Verbesserunge fir d'Antennentwurf fir d'Breetbreedung z'erhéijen, inklusiv auxiliary parasitic Patch Elementer, goufen gemaach fir WPT op 2,4 GHz, 4 × 1 Arrays ze verbesseren. Eng 6 GHz Mesh Antenne mat multiple Strahlregiounen gouf och proposéiert, wat verschidde Strahlen pro Port demonstréiert. Multi-port, Multi-Rectifier Uewerfläch rectennas an Energie Recolte Antennen mat omnidirectional Stralung Mustere goufen fir multi-directional a multi-polarized RFEH proposéiert. Multi-Rectifiers mat beamforming Matrixentgasung a Multi-port Antennen Arrays goufen och fir héich-gewinnt, multi-directional Energie Recolte proposéiert.
Zesummegefaasst, wärend Héichgewënn Antennen bevorzugt sinn fir d'Kraaft ze verbesseren, déi aus nidderegen RF Dicht gesammelt gëtt, kënnen héich Richtungsempfänger net ideal sinn an Uwendungen wou d'Senderrichtung onbekannt ass (zB Ambient RFEH oder WPT duerch onbekannt Ausbreedungskanäl). An dëser Aarbecht gi verschidde Multi-Beam Approche fir multi-directional High-gain WPT a RFEH proposéiert.
2. Antenne Polarisatioun
Antennepolariséierung beschreift d'Bewegung vum elektresche Feldvektor relativ zu der Antenne Verbreedungsrichtung. Polariséierungsmëssmatcher kënnen zu enger reduzéierter Iwwerdroung / Empfang tëscht Antennen féieren, och wann d'Haaptlobe Richtungen ausgeriicht sinn. Zum Beispill, wann eng vertikal LP Antenne fir Iwwerdroung benotzt gëtt an eng horizontal LP Antenne fir Empfang benotzt gëtt, gëtt keng Kraaft kritt. An dëser Sektioun gi gemellt Methoden fir d'Effizienz vun der drahtloser Empfang ze maximéieren an d'Polariséierungsmëssmatchverloschter ze vermeiden. E Resumé vun der proposéierter Rectennaarchitektur mat Respekt fir Polariséierung gëtt an der Figur 6 uginn an e Beispill SoA gëtt an der Tabell 4.
Figur 6
An der cellulärer Kommunikatioun ass d'linear Polariséierungsausrichtung tëscht Basisstatiounen an Handyen onwahrscheinlech z'erreechen, sou datt d'Basisstatiounsantennen dual-polariséiert oder multi-polariséiert sinn fir Polarisatiounsmëssmatchverloschter ze vermeiden. Wéi och ëmmer, d'Polariséierungsvariatioun vu LP Wellen wéinst Multipath Effekter bleift en ongeléiste Problem. Baséierend op der Virgab vu multi-polariséierte mobilen Basisstatiounen, sinn cellulär RFEH Antennen als LP Antennen entworf.
CP Rectennas ginn haaptsächlech am WPT benotzt well se relativ resistent géint Mëssmatch sinn. CP Antennen kënnen CP Stralung mat der selweschter Rotatiounsrichtung (lénkshändlech oder riets CP) zousätzlech zu all LP Wellen ouni Kraaftverloscht kréien. Op alle Fall schéckt d'CP Antenne an d'LP Antenne kritt mat engem Verloscht vun 3 dB (50% Stroumverloscht). CP Rectennas gi gemellt fir gëeegent fir 900 MHz an 2.4 GHz an 5.8 GHz industriell, wëssenschaftlech a medizinesch Bands souwéi Millimeterwellen. An RFEH vun arbiträr polariséiert Wellen, stellt Polarisatioun Diversitéit eng potenziell Léisung fir Polarisatioun Mëssverständis Verloschter.
Voll Polariséierung, och bekannt als Multi-Polariséierung, gouf proposéiert fir Polariséierungsmëssmatchverloschter komplett ze iwwerwannen, wat d'Sammlung vu béide CP- an LP-Wellen erméiglecht, wou zwee duebel-polariséiert orthogonal LP-Elementer effektiv all LP- a CP-Wellen kréien. Fir dëst ze illustréieren, bleiwen déi vertikal an horizontal Nettspannungen (VV a VH) konstant onofhängeg vum Polariséierungswinkel:
CP elektromagnetesch Welle "E" elektrescht Feld, wou d'Kraaft zweemol gesammelt gëtt (eemol pro Eenheet), doduerch de CP-Komponent voll ze kréien an den 3 dB Polariséierungsmëssmatchverloscht ze iwwerwannen:
Endlech, duerch DC Kombinatioun, Tëschefall Wellen vun arbiträr Polariséierung kann opgeholl ginn. Figur 7 weist d'Geometrie vun der gemellt voll polarized rectenna.
Figur 7
Zesummegefaasst, a WPT Uwendungen mat dedizéierten Energieversuergung gëtt CP bevorzugt well et d'WPT Effizienz verbessert onofhängeg vum Polariséierungswinkel vun der Antenne. Op der anerer Säit, a Multi-Source Acquisitioun, besonnesch aus Ambientquellen, kënne voll polariséiert Antennen e bessere Gesamtempfang a maximal Portabilitéit erreechen; Multi-Port / Multi-Rectifier Architekturen sinn erfuerderlech fir voll polariséiert Kraaft bei RF oder DC ze kombinéieren.
Resumé
Dëse Pabeier iwwerpréift de rezente Fortschrëtt am Antennedesign fir RFEH a WPT, a proposéiert eng Standardklassifikatioun vun Antennentwurf fir RFEH a WPT déi net an der fréierer Literatur proposéiert gouf. Dräi Basis Antennefuerderunge fir héich RF-zu-DC Effizienz z'erreechen goufen als identifizéiert:
1. Antenne-Griichter-Impedanz-Bandbreedung fir d'RFEH- a WPT-Bänner vun Interesse;
2. Main Lobe Ausrichtung tëscht Sender an Empfänger am WPT vun engem speziellen Feed;
3. Polarisatioun passende tëscht der rectenna an der Tëschefall Welle egal Wénkel a Positioun.
Baséierend op Impedanz, Rectennas ginn an 50Ω a Rectifier konjugéiert Rectennas klasséiert, mat engem Fokus op Impedanzmatching tëscht verschiddene Bands a Lasten an d'Effizienz vun all passende Method.
D'Stralungseigenschaften vu SoA Rectennas goufen aus der Perspektiv vun der Direktivitéit a Polariséierung iwwerpréift. Methoden fir d'Gewënn ze verbesseren duerch Strahlformung a Verpakung fir schmuel Strahlbreet ze iwwerwannen ginn diskutéiert. Endlech ginn CP Rectennas fir WPT iwwerpréift, zesumme mat verschiddenen Implementatiounen fir polariséierungsonofhängeg Empfang fir WPT an RFEH z'erreechen.
Fir méi iwwer Antennen ze léieren, besicht w.e.g.:
Post Zäit: Aug-16-2024
