Antenne-Rectifier Co-ûntwerp
It karakteristyk fan rectenna's nei de EG-topology yn figuer 2 is dat de antenne direkt is ôfstimd op 'e likrichter, ynstee fan' e 50Ω-standert, dy't it minimalisearjen of eliminearjen fan it oerienkommende sirkwy fereasket om de likrichter te betsjinjen. Dizze seksje besjocht de foardielen fan SoA-rectennas mei net-50Ω-antennes en rectennas sûnder oerienkommende netwurken.
1. Elektrysk Lytse Antennas
LC resonânsjefel ring antennes binne in soad brûkt yn applikaasjes dêr't systeem grutte is kritysk. By frekwinsjes ûnder 1 GHz kin de golflingte feroarsaakje dat standert ferspraat elemint antennes mear romte ynnimme as de totale grutte fan it systeem, en applikaasjes lykas folslein yntegreare transceivers foar lichemsimplantaten profitearje benammen fan it brûken fan elektrysk lytse antennes foar WPT.
De hege induktive impedânsje fan 'e lytse antenne (by resonânsje) kin brûkt wurde om de lykrjochter direkt te koppelen as mei in ekstra kapasityf oerienkommende netwurk op chip. Elektrysk lytse antennes binne rapportearre yn WPT mei LP en CP ûnder 1 GHz mei Huygens dipole antennes, mei ka = 0,645, wylst ka = 5,91 yn normale dipoles (ka = 2πr / λ0).
2. Rectifier conjugate antenne
De typyske ynfierimpedânsje fan in diode is heul kapasityf, dus in induktive antenne is nedich om konjugaasjeimpedânsje te berikken. Fanwegen de kapasitive impedânsje fan 'e chip binne induktive antennes mei hege impedânsje in soad brûkt yn RFID-tags. Dipole-antennes binne koartlyn in trend wurden yn komplekse impedânsje RFID-antennes, dy't hege impedânsje (ferset en reaktânsje) yn 'e buert fan har resonânsjefrekwinsje sjen litte.
Induktive dipole-antennes binne brûkt om oerien te kommen mei de hege kapasitânsje fan 'e likrichter yn' e frekwinsjebân fan belang. Yn in fold dipole antenne, de dûbele koarte line (dipole folding) fungearret as in impedance transformator, wêrtroch it ûntwerp fan in ekstreem hege impedance antenne. As alternatyf is biasfeeding ferantwurdlik foar it fergrutsjen fan de induktive reaktânsje en ek de eigentlike impedânsje. Kombinearjen fan meardere biased dipole eleminten mei unbalanced bow-tie radiale stubs foarmet in dûbele breedbân hege impedânsje antenne. Figuer 4 toant guon rapportearre gelykrjochter konjugatantennes.
figuer 4
Stralingseigenskippen yn RFEH en WPT
Yn it Friis-model is de krêft PRX ûntfongen troch in antenne op in ôfstân d fan 'e stjoerder in direkte funksje fan' e ûntfanger en stjoerderwinsten (GRX, GTX).
De rjochting en polarisaasje fan 'e wichtichste lobe fan' e antenne beynfloedzje direkt de hoemannichte krêft sammele fan 'e ynfallende welle. Antenne strieling skaaimerken binne wichtige parameters dy't ûnderskiede tusken ambient RFEH en WPT (figuer 5). Wylst yn beide tapassingen it fuortplantingsmedium ûnbekend kin wêze en it effekt dêrfan op 'e ûntfongen welle moat wurde beskôge, kin kennis fan 'e útstjoerantenne wurde eksploitearre. Tabel 3 identifisearret de kaai parameters besprutsen yn dizze paragraaf en harren tapasberens foar RFEH en WPT.
figuer 5
1. Directivity en Gain
Yn de measte RFEH- en WPT-applikaasjes wurdt oannommen dat de samler de rjochting fan 'e ynfallende strieling net wit en d'r is gjin line-of-sight (LoS) paad. Yn dit wurk binne meardere antenne-ûntwerpen en pleatsingen ûndersocht om de ûntfongen krêft fan in ûnbekende boarne te maksimalisearjen, ûnôfhinklik fan 'e haadlob-ôfstimming tusken de stjoerder en de ûntfanger.
Omnidireksjoneel antennes binne in soad brûkt yn miljeu RFEH rectennas. Yn 'e literatuer ferskilt de PSD ôfhinklik fan' e oriïntaasje fan 'e antenne. De fariaasje yn macht is lykwols net ferklearre, sadat it net mooglik is om te bepalen oft de fariaasje komt troch it strielingspatroan fan 'e antenne of troch polarisaasjemismatch.
Njonken RFEH-applikaasjes binne rjochtingsantennes en arrays mei hege winst in soad rapportearre foar mikrogolf WPT om de kolleksje-effisjinsje fan lege RF-machtstichtens te ferbetterjen of fuortplantingsferlies te oerwinnen. Yagi-Uda rectenna-arrays, bowtie-arrays, spiraal-arrays, strak keppele Vivaldi-arrays, CPW CP-arrays, en patch-arrays binne ûnder de skalberbere rectenna-ymplemintaasjes dy't de ynfallende krêftstichtens maksimalisearje kinne ûnder in bepaald gebiet. Oare oanpak foar it ferbetterjen fan antennewinst omfetsje substraatyntegrearre waveguide (SIW) technology yn mikrogolf- en millimetergolfbanden, spesifyk foar WPT. Lykwols, rectennas mei hege winst wurde karakterisearre troch smelle beamwidths, wêrtroch ûntfangst fan weagen yn willekeurige rjochtingen net effisjint. Ûndersiken nei it oantal antenne eleminten en havens konkludearre dat hegere direktivity net oerienkomt mei hegere rispte macht yn ambient RFEH útgeande fan trijediminsjonale willekeurige ynfal; dit waard ferifiearre troch fjildmjittingen yn stedske omjouwings. Arrays mei hege winst kinne wurde beheind ta WPT-applikaasjes.
Om de foardielen fan antennes mei hege winst oer te bringen nei willekeurige RFEH's, wurde oplossings foar ferpakking of yndieling brûkt om it direktiviteitsprobleem te oerwinnen. In dual-patch antenne polsbân wurdt foarsteld om enerzjy te sammeljen fan ambient Wi-Fi RFEH's yn twa rjochtingen. Ambient sellulêre RFEH-antennes binne ek ûntworpen as 3D-doazen en wurde printe as oankleefd oan eksterne oerflakken om systeemgebiet te ferminderjen en multi-directional rispinge mooglik te meitsjen. Kubyske rectenna-struktueren fertoane hegere kâns op enerzjyûntfangst yn ambient RFEH's.
Ferbetteringen oan antenne-ûntwerp om de beambreedte te fergrutsjen, ynklusyf helpparasitêre patch-eleminten, waarden makke om WPT op 2.4 GHz, 4 × 1-arrays te ferbetterjen. In 6 GHz mesh-antenne mei meardere beamregio's waard ek foarsteld, wat meardere beams per haven oantoand. Multi-port, multi-rectifier oerflak rectennas en enerzjy rispinge antennes mei omnidirectional strieling patroanen binne foarsteld foar multi-directional en multi-polarized RFEH. Multi-lykrjochters mei beamfoarmjende matriksen en antenne-arrays mei meardere havens binne ek foarsteld foar hege winst, multi-directional enerzjywinning.
Gearfetsjend, wylst antennes mei hege winst de foarkar hawwe om de krêft te ferbetterjen fan lege RF-densiteiten, binne tige rjochtingsûntfangers miskien net ideaal yn applikaasjes wêr't de stjoerderrjochting ûnbekend is (bgl. ambient RFEH of WPT fia ûnbekende propagaasjekanalen). Yn dit wurk wurde meardere multi-beam oanpak foarsteld foar multi-directional hege-gain WPT en RFEH.
2. Antenne polarisaasje
Antennepolarisaasje beskriuwt de beweging fan 'e elektryske fjildvektor relatyf oan' e antenne-propagaasjerjochting. Polarisaasje-mismatches kinne liede ta fermindere oerdracht / ûntfangst tusken antennes, sels as de rjochtingen fan 'e haadlobe binne ôfstimd. Bygelyks, as in fertikale LP-antenne wurdt brûkt foar oerdracht en in horizontale LP-antenne wurdt brûkt foar ûntfangst, sil gjin krêft wurde ûntfongen. Yn dizze seksje wurde rapporteare metoaden foar maksimalisearjen fan draadloze ûntfangsteffisjinsje en it foarkommen fan polarisaasjemismatchferlies besjoen. In gearfetting fan 'e foarstelde rectenna-arsjitektuer mei respekt foar polarisaasje wurdt jûn yn figuer 6 en in foarbyld SoA wurdt jûn yn tabel 4.
figuer 6
Yn sellulêre kommunikaasje is lineêre polarisaasjeôfstimming tusken basisstasjons en mobile tillefoans net wierskynlik te berikken, sadat basisstasjonantennen binne ûntworpen om dual-polarisearre of multi-polarisearre te wêzen om polarisaasjemismatchferlies te foarkommen. De polarisaasjefariaasje fan LP-wellen fanwege multipath-effekten bliuwt lykwols in net oplost probleem. Op grûn fan 'e oanname fan multi-polarisearre mobile basisstasjons binne sellulêre RFEH-antennes ûntwurpen as LP-antennes.
CP rectennas wurde benammen brûkt yn WPT omdat se relatyf resistint foar mismatch. CP-antennes binne by steat om te ûntfangen CP strieling mei deselde rotaasje rjochting (links-handed of rjochts-handed CP) neist alle LP weagen sûnder macht ferlies. Yn alle gefallen stjoert de CP-antenne en de LP-antenne ûntfangt mei in ferlies fan 3 dB (50% krêftferlies). CP-rectenna's wurde rapporteare geskikt te wêzen foar 900 MHz en 2.4 GHz en 5.8 GHz yndustriële, wittenskiplike en medyske bands, lykas millimeterwellen. Yn RFEH fan willekeurich polarisearre weagen fertsjintwurdiget polarisaasjeferskaat in potinsjele oplossing foar polarisaasjemismatchferlies.
Folsleine polarisaasje, ek wol multi-polarisaasje neamd, is foarsteld om polarisaasjemismatchferlies folslein te oerwinnen, wêrtroch de kolleksje fan sawol CP- as LP-wellen mooglik is, wêrby't twa dual-polarisearre ortogonale LP-eleminten effektyf alle LP- en CP-wellen ûntfange. Om dit te yllustrearjen bliuwe de fertikale en horizontale netspanningen (VV en VH) konstant, nettsjinsteande de polarisaasjehoek:
CP elektromagnetyske golf "E" elektryske fjild, wêrby't macht twa kear wurdt sammele (ien kear per ienheid), dêrmei de CP-komponint folslein ûntfangt en it ferlies fan 3 dB polarisaasjemismatch oerwinne:
Uteinlik kinne troch DC-kombinaasje ynfallende weagen fan willekeurige polarisaasje ûntfongen wurde. figuer 7 toant de mjitkunde fan de rapportearre folslein polarized rectenna.
figuer 7
Gearfetsjend, yn WPT-applikaasjes mei tawijd stroomfoarsjenningen, wurdt CP de foarkar om't it WPT-effisjinsje ferbettert nettsjinsteande de polarisaasjehoeke fan 'e antenne. Oan de oare kant, yn multi-boarne akwisysje, benammen út ambient boarnen, folslein polarized antennes kinne berikke bettere algemiene ûntfangst en maksimale portabiliteit; multi-port / multi-rectifier-arsjitektuer binne ferplicht om folslein polarisearre krêft te kombinearjen by RF of DC.
Gearfetting
Dit papier besjocht de resinte foarútgong yn antenne ûntwerp foar RFEH en WPT, en stelt in standert klassifikaasje fan antenne design foar RFEH en WPT dat is net foarsteld yn eardere literatuer. Trije basisantenne-easken foar it berikken fan hege RF-to-DC-effisjinsje binne identifisearre as:
1. Antenne gelijkrichter impedance bânbreedte foar de RFEH en WPT bands fan belang;
2. Main lobe alignment tusken stjoerder en ûntfanger yn WPT út in tawijd feed;
3. Polarisaasje oerienkommende tusken de rectenna en de ynsidint weach nettsjinsteande hoeke en posysje.
Op grûn fan impedânsje, rectennas wurde yndield yn 50Ω en rectifier conjugate rectennas, mei in fokus op impedance matching tusken ferskillende bands en loads en de effisjinsje fan elke oerienkommende metoade.
De strielingskarakteristiken fan SoA-rectennas binne besjoen út it perspektyf fan rjochting en polarisaasje. Metoaden om winst te ferbetterjen troch beamfoarming en ferpakking om smelle beambreedte te oerwinnen wurde besprutsen. Uteinlik wurde CP-rectennas foar WPT besjoen, tegearre mei ferskate ymplemintaasjes om polarisaasje-ûnôfhinklike ûntfangst foar WPT en RFEH te berikken.
Om mear te learen oer antennes, besykje asjebleaft:
Post tiid: Aug-16-2024
