Antenn-Gleichrichter-Co-Design
D'Charakteristik vu Rektennen, déi der EG-Topologie an der Figur 2 folgen, ass datt d'Antenn direkt mam Gläichrichter ugepasst ass, anstatt mam 50Ω-Standard, wat d'Miniméierung oder d'Eliminatioun vum Anpassungskrees fir de Gläichrichter erfuerdert. Dësen Abschnitt iwwerpréift d'Virdeeler vu SoA-Rektennen mat Antennen net-50Ω a Rektennen ouni Anpassungsnetzwierker.
1. Elektresch kleng Antennen
LC-Resonanzringantennen gi wäit verbreet a Programmer benotzt, wou d'Systemgréisst entscheedend ass. Bei Frequenzen ënner 1 GHz kann d'Wellenlängt dozou féieren, datt Standard-Antennen mat verdeelten Elementer méi Plaz anhuelen ewéi déi ganz Gréisst vum System, an Uwendungen ewéi voll integréiert Transceiver fir Kierperimplantater profitéiere besonnesch vun der Notzung vun elektresch klengen Antennen fir WPT.
Déi héich induktiv Impedanz vun der klenger Antenn (no bei der Resonanz) kann benotzt ginn, fir de Gleichrichter direkt ze koppelen oder mat engem zousätzleche kapazitivem Anpassungsnetz um Chip. Elektresch kleng Antennen goufen a WPT mat LP a CP ënner 1 GHz mat Huygens Dipolantennen gemellt, mat ka=0,645, während ka=5,91 an normalen Dipolen (ka=2πr/λ0).
2. Gläichrichter-Konjugatantenn
Déi typesch Inputimpedanz vun enger Diod ass héich kapazitiv, dofir ass eng induktiv Antenn noutwendeg fir eng konjugéiert Impedanz z'erreechen. Wéinst der kapazitiver Impedanz vum Chip goufen héichimpedant induktiv Antennen wäit verbreet an RFID-Tags benotzt. Dipolantenne si viru kuerzem en Trend bei kompleximpedanten RFID-Antennen ginn, déi eng héich Impedanz (Widderstand a Reaktanz) no bei hirer Resonanzfrequenz weisen.
Induktiv Dipolantenne goufe benotzt fir der héijer Kapazitéit vum Gläichrichter am interesséierte Frequenzband unzepassen. An enger gefalterter Dipolantenn handelt déi duebel kuerz Leitung (Dipolfalsung) als Impedanztransformator, wat den Design vun enger extrem héichimpedanter Antenn erméiglecht. Alternativ ass d'Bias-Feedung verantwortlech fir d'Erhéijung vun der induktiver Reaktanz souwéi der tatsächlecher Impedanz. D'Kombinatioun vu verschiddene verspaanten Dipolelementer mat onbalancéierte Bow-Tie-Radialstubs bildt eng duebel Breitband-Héichimpedanzantenn. Figur 4 weist e puer gemellt Gläichrichter-Konjugatantenne.
Figur 4
Stralungseigenschaften an RFEH a WPT
Am Friis-Modell ass d'Leeschtung PRX, déi vun enger Antenn op enger Distanz d vum Sender empfaange gëtt, eng direkt Funktioun vun de Verstärkungen vum Empfänger a vum Sender (GRX, GTX).
D'Haaptlobenrichtung an d'Polarisatioun vun der Antenn beaflossen direkt d'Quantitéit u Kraaft, déi vun der agefaller Well gesammelt gëtt. D'Stralungscharakteristike vun der Antenn si Schlësselparameter, déi tëscht ambienter RFEH an WPT ënnerscheeden (Figur 5). Wärend a béiden Uwendungen de Verbreedungsmedium onbekannt ka sinn an säin Effekt op déi empfaangen Well berécksiichtegt muss ginn, kann d'Wëssen iwwer d'Sendeantenn ausgenotzt ginn. Tabelle 3 identifizéiert déi Schlësselparameter, déi an dëser Sektioun diskutéiert ginn, an hir Uwendbarkeet op RFEH a WPT.
Figur 5
1. Richtegkeet a Gewënn
An de meeschte RFEH- an WPT-Applikatioune gëtt dovun ausgaangen, datt de Kollektor d'Richtung vun der afalender Stralung net kennt an et kee Siichtlinnwee (LoS) gëtt. An dëser Aarbecht goufen verschidden Antennedesignen a Placementer ënnersicht, fir déi empfaangen Leeschtung vun enger onbekannter Quell ze maximéieren, onofhängeg vun der Haaptlobenausriichtung tëscht dem Sender an dem Empfänger.
Omnidirektional Antennen gi wäit verbreet an ëmweltfrëndleche RFEH-Rektennen agesat. An der Literatur variéiert d'PSD jee no der Orientéierung vun der Antenn. D'Variatioun an der Leeschtung gouf awer net erkläert, sou datt et net méiglech ass ze bestëmmen, ob d'Variatioun op d'Stralungsmuster vun der Antenn oder op eng Polarisatiounsfehler zréckzeféieren ass.
Nieft RFEH-Applikatiounen goufen och héichgestäerkt Richtungsantennen an -arrays fir Mikrowellen-WPT wäit verbreet gemellt, fir d'Sammlungseffizienz vun enger gerénger HF-Leeschtungsdicht ze verbesseren oder d'Ausbreedungsverloschter ze iwwerwannen. Yagi-Uda-Rektenne-Arrays, Bowtie-Arrays, Spiralarrays, enk gekoppelt Vivaldi-Arrays, CPW CP-Arrays a Patch-Arrays gehéieren zu de skalierbare Rektenne-Implementatiounen, déi d'Afgangsleeschtungsdicht ënner engem bestëmmte Beräich maximéiere kënnen. Aner Approche fir den Antennegestärk ze verbesseren, enthalen d'Substrat-integréiert Wellenleitertechnologie (SIW) a Mikrowellen- a Millimeterwellenbänner, spezifesch fir WPT. Héichgestäerkt Rektenne si charakteriséiert duerch schmuel Strahlbreeten, wat den Empfang vu Wellen an arbiträren Richtungen ineffizient mécht. Ënnersichunge vun der Unzuel vun Antenneelementer a Ports hunn de Schluss gezunn, datt eng méi héich Direktivitéit net mat enger méi héijer gesammelter Leeschtung an ambienter RFEH entsprécht, andeems eng dräidimensional arbiträr Inzidenz virausgesat gëtt; dëst gouf duerch Feldmiessungen an urbanen Ëmfeld verifizéiert. Héichgestäerkt-Arrays kënnen op WPT-Applikatioune limitéiert sinn.
Fir d'Virdeeler vun Antennen mat héijem Gewannstärk op arbiträr RFEHs ze transferéieren, ginn Verpackungs- oder Layout-Léisunge benotzt fir d'Richtungsproblem ze léisen. En Dual-Patch-Antennen-Handgelenkband gëtt virgeschloen, fir Energie vun ambienten Wi-Fi RFEHs an zwou Richtungen ze sammelen. Ambient Zellular RFEH-Antennen ginn och als 3D-Këschte konzipéiert a gedréckt oder op extern Uewerfläche gepecht, fir d'Systemfläch ze reduzéieren an eng multidirektional Ernte z'erméiglechen. Kubesch Rectenna-Strukturen weisen eng méi héich Wahrscheinlechkeet fir Energieempfang an ambienten RFEHs.
Verbesserungen am Antennendesign fir d'Strahlbreet ze erhéijen, inklusiv zousätzlech parasitär Patchelementer, goufen duerchgefouert fir d'WPT bei 2,4 GHz, 4 × 1 Arrays ze verbesseren. Eng 6 GHz Mesh-Antenn mat verschiddene Strahlregiounen gouf och virgeschloen, wat verschidde Strale pro Port demonstréiert. Multiport-, Multi-Gleichrichter-Uewerflächen-Rechterkennen an Energie-Ernte-Antennen mat omnidirektionalen Stralungsmuster goufen fir multidirektional an multipolariséiert RFEH virgeschloen. Multi-Gleichrichter mat Strahlformungsmatrizen a Multiport-Antennenarrays goufen och fir héichgewënneg, multidirektional Energie-Ernte virgeschloen.
Zesummegefaasst, obwuel Antennen mat héijer Verstärkung bevorzugt ginn, fir d'Leeschtung ze verbesseren, déi aus niddregen HF-Dichten gewonnen gëtt, sinn héichdirektional Empfänger vläicht net ideal fir Uwendungen, wou d'Senderrichtung onbekannt ass (z.B. Ambient RFEH oder WPT duerch onbekannt Ausbreedungskanäl). An dëser Aarbecht gi verschidde Multibeam-Approche fir multidirektional WPT an RFEH mat héijer Verstärkung proposéiert.
2. Antennepolariséierung
D'Antennepolarisatioun beschreift d'Beweegung vum elektresche Feldvektor relativ zur Ausbreedungsrichtung vun der Antenn. Polarisatiounsfehler kënnen zu enger reduzéierter Transmissioun/Empfang tëscht Antennen féieren, och wann d'Haaptlobenrichtungen ausgeriicht sinn. Zum Beispill, wann eng vertikal LP-Antenn fir d'Transmissioun an eng horizontal LP-Antenn fir den Empfang benotzt gëtt, gëtt keng Energie empfaangen. An dëser Sektioun ginn déi beschriwwe Methoden fir d'Effizienz vum drahtlose Empfang ze maximéieren an d'Verloschter duerch Polarisatiounsfehler ze vermeiden, iwwerpréift. Eng Zesummefassung vun der proposéierter Rectennarchitektur a Bezuch op d'Polarisatioun gëtt an der Figur 6 gewisen an e Beispill vun enger SoA gëtt an der Tabell 4 gewisen.
Figur 6
An der Mobilfunkkommunikatioun ass et onwahrscheinlech, datt eng linear Polarisatiounsausriichtung tëscht Basisstatiounen an Handye erreecht ka ginn, dofir sinn Basisstatiounsantennen duebelpolariséiert oder multipolariséiert entwéckelt, fir Verloschter duerch Polarisatiounsmismatch ze vermeiden. Wéi och ëmmer, d'Polarisatiounsvariatioun vun LP-Wellen wéinst Multipath-Effekter bleift en ongeléist Problem. Baséierend op der Viraussetzung vu multipolariséierte Mobilfunkstatiounen, sinn mobil RFEH-Antennen als LP-Antennen entworf.
CP-Rektenne ginn haaptsächlech a WPT benotzt, well se relativ resistent géint Mismatch sinn. CP-Antennen kënnen CP-Stralung mat der selwechter Rotatiounsrichtung (lénks oder riets CP) zousätzlech zu all LP-Wellen ouni Leeschtungsverloscht empfänken. Jiddefalls sendet d'CP-Antenn an d'LP-Antenn empfänkt mat engem Verloscht vun 3 dB (50% Leeschtungsverloscht). CP-Rektenne solle fir industriell, wëssenschaftlech a medizinesch Bänner vun 900 MHz an 2,4 GHz an 5,8 GHz souwéi Millimeterwellen gëeegent sinn. An der RFEH vun arbiträr polariséierte Wellen stellt d'Polarisatiounsdiversitéit eng potenziell Léisung fir Polarisatiounsmismatchverloschter duer.
Voll Polariséierung, och bekannt als Multipolariséierung, gouf proposéiert fir d'Verloschter duerch d'Polarisatiounsmismatch komplett ze iwwerwannen, andeems d'Sammlung vu souwuel CP- wéi och LP-Wellen erméiglecht gëtt, wou zwee duebelpolariséiert orthogonal LP-Elementer effektiv all LP- a CP-Wellen empfänken. Fir dëst ze illustréieren, bleiwen déi vertikal an horizontal Nettospannungen (VV an VH) konstant onofhängeg vum Polarisatiounswénkel:
CP elektromagnetesch Well "E" elektrescht Feld, wou d'Energie zweemol gesammelt gëtt (eemol pro Eenheet), wouduerch d'CP Komponent vollstänneg empfaange gëtt an de Polarisatiounsmismatch-Verloscht vun 3 dB iwwerwonne gëtt:
Schlussendlech kënnen duerch DC-Kombinatioun afalend Wellen mat arbiträrer Polarisatioun empfaange ginn. Figur 7 weist d'Geometrie vun der gemellter voll polariséierter Rektenna.
Figur 7
Zesummegefaasst, a WPT-Applikatiounen mat dedizéierten Stroumversuergungen ass CP bevorzugt, well se d'WPT-Effizienz verbessert, onofhängeg vum Polarisatiounswénkel vun der Antenn. Op der anerer Säit kënnen bei der Multi-Source-Acquisitioun, besonnesch aus Ëmfeldquellen, voll polariséiert Antennen eng besser Gesamtempfangsméiglechkeet an maximal Portabilitéit erreechen; Multi-Port/Multi-Gleichrichterarchitekturen sinn erfuerderlech fir voll polariséiert Leeschtung bei HF oder DC ze kombinéieren.
Resumé
Dësen Artikel iwwerpréift déi rezent Fortschrëtter am Antennendesign fir RFEH a WPT a proposéiert eng Standardklassifikatioun vum Antennendesign fir RFEH a WPT, déi an der viregter Literatur net virgeschloen gouf. Dräi Basisfuerderunge fir d'Antennen fir eng héich RF-zu-DC-Effizienz z'erreechen, goufen identifizéiert:
1. Antennegleichrichterimpedanzbandbreet fir déi interessant RFEH- a WPT-Bänner;
2. Haaptlobenausriichtung tëscht Sender an Empfänger am WPT vun enger dedizéierter Feed;
3. Polarisatiounsustëmmung tëscht der Rectenna an der afalender Well onofhängeg vum Wénkel a vun der Positioun.
Baséierend op der Impedanz ginn Rektennen a 50Ω a Gläichrichterkonjugéiert Rektennen klasséiert, mat engem Fokus op d'Impedanpassung tëscht verschiddene Bänner a Lasten an d'Effizienz vun all Matchingmethod.
D'Stralungseigenschaften vu SoA-Rektenne goufen aus der Perspektiv vun der Direktivitéit a Polariséierung iwwerpréift. Methoden fir de Verstärkung duerch Strahlformung a Packaging ze verbesseren, fir eng schmuel Strahlbreet ze iwwerwannen, ginn diskutéiert. Schlussendlech ginn CP-Rektenne fir WPT iwwerpréift, zesumme mat verschiddenen Implementatiounen fir polarisatiounsonofhängegen Empfang fir WPT an RFEH z'erreechen.
Fir méi iwwer Antennen ze léieren, gitt w.e.g. op:
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 16. August 2024
