Antenni ja alaldi ühisprojekteerimine
Joonisel 2 kujutatud EG topoloogiat järgivate rectennade eripäraks on see, et antenn on otse alaldiga sobitatud, erinevalt 50Ω standardist, mis nõuab alaldi toiteks vajaliku sobitusahela minimeerimist või kõrvaldamist. Selles jaotises antakse ülevaade SoA rectennade eelistest mitte-50Ω antennidega ja rectennade eelistest ilma sobitusvõrkudeta.
1. Elektriliselt väikesed antennid
LC-resonantsrõngasantenne on laialdaselt kasutatud rakendustes, kus süsteemi suurus on kriitilise tähtsusega. Sagedustel alla 1 GHz võib lainepikkus põhjustada olukorra, kus standardsed hajutatud elementantennid võtavad rohkem ruumi kui süsteemi kogusuurus ning sellised rakendused nagu kehaimplantaatide täielikult integreeritud transiiverid-vastuvõtjad saavad WPT jaoks eriti kasu elektriliselt väikeste antennide kasutamisest.
Väikese antenni kõrget induktiivset impedantsi (peaaegu resonantsi) saab kasutada alaldi otseseks ühendamiseks või täiendava kiibil oleva mahtuvusliku sobitusvõrguga. WPT-s on teatatud elektriliselt väikestest antennidest, mille LP ja CP on alla 1 GHz, kasutades Huygensi dipoolantenne, mille ka = 0,645, samas kui ka = 5,91 tavalistes dipoolides (ka = 2πr/λ0).
2. Alaldi konjugeeritud antenn
Dioodi tüüpiline sisendtakistus on väga mahtuvuslik, seega on konjugeeritud takistuse saavutamiseks vaja induktiivantenni. Kiibi mahtuvusliku takistuse tõttu on RFID-siltides laialdaselt kasutatud suure takistusega induktiivantenne. Dipoolantennid on viimasel ajal muutunud trendiks keeruka takistusega RFID-antennide seas, millel on oma resonantssageduse lähedal kõrge takistus (takistus ja reaktants).
Alaldi suure mahtuvuse sobitamiseks huvipakkuvas sagedusribas on kasutatud induktiivseid dipoolantenne. Volditud dipoolantennis toimib topeltlühike joon (dipoolvoltimine) impedantstrafona, mis võimaldab konstrueerida äärmiselt suure impedantsiga antenni. Teise võimalusena vastutab eelpingestatud toitmine nii induktiivse reaktantsi kui ka tegeliku impedantsi suurendamise eest. Mitme eelpingestatud dipoolelemendi kombineerimine tasakaalustamata kikilipsuga radiaalsete ühendustega moodustab kahekordse lairiba suure impedantsiga antenni. Joonis 4 näitab mõningaid teadaolevaid alaldi konjugaatantenne.
Joonis 4
Kiirgusomadused RFEH-s ja WPT-s
Friisi mudelis on saatjast d kaugusel asuva antenni poolt vastuvõetav võimsus PRX otsene funktsioon vastuvõtja ja saatja võimendustest (GRX, GTX).
Antenni peamise loba suunavus ja polarisatsioon mõjutavad otseselt langevast lainest kogutud võimsust. Antenni kiirgusomadused on peamised parameetrid, mis eristavad ümbritsevat RFEH-d ja WPT-d (joonis 5). Kuigi mõlemas rakenduses võib levikeskkond olla teadmata ja tuleb arvestada selle mõju vastuvõetavale lainele, saab ära kasutada teadmisi saatva antenni kohta. Tabel 3 toob välja selles jaotises käsitletud põhiparameetrid ja nende rakendatavuse RFEH ja WPT puhul.
Joonis 5
1. Suunatavus ja võimendus
Enamikus RFEH ja WPT rakendustes eeldatakse, et kollektor ei tea langeva kiirguse suunda ja puudub otsenähtavus (LoS). Selles töös on uuritud mitme antenni disaini ja paigutust, et maksimeerida tundmatust allikast vastuvõetavat võimsust, olenemata saatja ja vastuvõtja vahelisest peamise loba joondusest.
Keskkonnasõbralikes raadiosageduslikes kõrgsageduslikes kõrgsagedushõõglampides (RFEH) on laialdaselt kasutatud igasuunalisi antenne. Kirjanduses varieerub PSD sõltuvalt antenni orientatsioonist. Võimsuse varieerumist pole aga selgitatud, seega pole võimalik kindlaks teha, kas varieerumine tuleneb antenni kiirgusmustrist või polarisatsiooni mittevastavusest.
Lisaks raadiosagedusliku energia kõrgsagedusliku (RFEH) rakendustele on mikrolaine-WPT jaoks laialdaselt kirjeldatud suure võimendusega suundantenne ja massiive, et parandada madala raadiosagedusliku võimsustiheduse kogumise efektiivsust või ületada levimiskadusid. Yagi-Uda sirgantennimassiivid, lipsukujulised massiivid, spiraalantennimassiivid, tihedalt seotud Vivaldi massiivid, CPW CP massiivid ja plaasterantennimassiivid on skaleeritavate sirgantennide rakenduste hulgas, mis suudavad teatud piirkonnas langeva võimsustiheduse maksimeerida. Muud antenni võimenduse parandamise lähenemisviisid hõlmavad substraadiga integreeritud lainejuhi (SIW) tehnoloogiat mikrolaine- ja millimeeterlaine sagedusalades, mis on spetsiifiline WPT-le. Suure võimendusega sirgantennidele on aga iseloomulik kitsas kiirelaius, mis muudab lainete vastuvõtmise suvalistes suundades ebaefektiivseks. Antennielementide ja portide arvu uurimisel jõuti järeldusele, et suurem suunavus ei vasta suuremale kogutud võimsusele ümbritsevas RFEH-s, eeldades kolmemõõtmelist suvalist langemist; seda kinnitasid välimõõtmised linnakeskkonnas. Suure võimendusega massiive saab piirata WPT rakendustega.
Suure võimendusega antennide eeliste ülekandmiseks suvalistele raadiosageduslikele ehitusele suunatud antennidele (RFEH) kasutatakse suunavuse probleemi lahendamiseks pakendi- või paigutuslahendusi. Pakutakse välja kahekordse antenni käepaela kasutamine, et koguda energiat ümbritsevatest WiFi raadiosageduslikest ehitusest kahes suunas. Ümbritsevad mobiilsed RFEH-antennid on samuti konstrueeritud 3D-kastidena ja trükitud või kleebitud välispindadele, et vähendada süsteemi pindala ja võimaldada mitmesuunalist energia kogumist. Kuubikujulised ristkülikukujulised struktuurid näitavad suuremat energia vastuvõtmise tõenäosust ümbritsevates RFEH-des.
Antenni konstruktsiooni täiustusi kiire laiuse suurendamiseks, sealhulgas abistavaid parasiitseid plaasterelemente, tehti lainepikkuste kiiruse parandamiseks sagedusel 2,4 GHz, 4 × 1 massiividel. Samuti pakuti välja 6 GHz võrgusilma antenn mitme kiirepiirkonnaga, mis demonstreeris mitut kiirt pordi kohta. Mitmesuunalise ja mitmepolariseeritud raadiosagedusliku ehhh jaoks on välja pakutud mitmepordilised, mitme alaldiga pinnaalaldid ja energiat koguvad antennid igasuunaliste kiirgusmustritega. Suure võimendusega, mitmesuunalise energia kogumiseks on välja pakutud ka mitme alaldi kiirgust moodustavate maatriksitega ja mitmepordilised antennimassiivid.
Kokkuvõttes võib öelda, et kuigi suure võimendusega antenne eelistatakse madala raadiosagedusliku tiheduse korral saadava võimsuse parandamiseks, ei pruugi suure suunaga vastuvõtjad olla ideaalsed rakendustes, kus saatja suund on teadmata (nt ümbritsev raadiosageduslik ehhine või lainepikkuse tõus tundmatute levikanalite kaudu). Käesolevas töös pakutakse välja mitu mitmekiirelist lähenemisviisi mitmesuunalise suure võimendusega lainepikkuse tõusu ja tõusu kõrgsagedusliku kõrgsagedusliku tõusu ja kõrgsagedusliku tõusu ja kõrgsagedusliku tõusu ja kõrgsagedusliku tõusu ja tõusu suunas.
2. Antenni polarisatsioon
Antenni polarisatsioon kirjeldab elektrivälja vektori liikumist antenni levimissuuna suhtes. Polarisatsiooni mittevastavus võib põhjustada antennidevahelise edastuse/vastuvõtu vähenemist isegi siis, kui peasignaali suunad on joondatud. Näiteks kui edastuse jaoks kasutatakse vertikaalset LP-antenni ja vastuvõtmiseks horisontaalset LP-antenni, siis võimsust ei võeta vastu. Selles osas vaadatakse üle avaldatud meetodid traadita vastuvõtu efektiivsuse maksimeerimiseks ja polarisatsiooni mittevastavuse kadude vältimiseks. Kavandatud sirgjoonelise arhitektuuri kokkuvõte polarisatsiooni osas on esitatud joonisel 6 ja näide polarisatsioonivõimendist (SoA) on toodud tabelis 4.
Joonis 6
Mobiilsides on tugijaamade ja mobiiltelefonide vahelise lineaarse polarisatsiooni joondamise saavutamine ebatõenäoline, seega on tugijaamade antennid konstrueeritud kahe- või mitmepolariseerituna, et vältida polarisatsiooni mittevastavuse kadusid. LP-lainete polarisatsiooni varieerumine mitmetee efektide tõttu on aga endiselt lahendamata probleem. Lähtudes eeldusest, et mobiilsed tugijaamad on mitmepolariseeritud, on mobiilsed RFEH-antennid konstrueeritud LP-antennidena.
CP-retennasid kasutatakse peamiselt lainetransistoride (WPT) puhul, kuna need on suhteliselt vastupidavad ebakõladele. CP-antennid suudavad lisaks kõigile LP-lainetele vastu võtta ka sama pöörlemissuunaga (vasaku- või paremakäeline CP) CP-kiirgust ilma võimsuskadudeta. Igal juhul edastab CP-antenn ja võtab vastu LP-antenn 3 dB kaoga (50% võimsuskadu). CP-retennad sobivad väidetavalt 900 MHz, 2,4 GHz ja 5,8 GHz tööstuslike, teaduslike ja meditsiiniliste sagedusalade ning millimeetrilainete jaoks. Suvaliselt polariseeritud lainete raadiosageduslikus ehh-efektis (RFEH) kujutab polarisatsiooni mitmekesisus endast potentsiaalset lahendust polarisatsiooni ebakõla kadudele.
Täispolarisatsiooni, tuntud ka kui multipolarisatsioon, on pakutud välja polarisatsiooni mittevastavuse kadude täielikuks ületamiseks, võimaldades nii CP- kui ka LP-lainete kogumist, kus kaks duaalselt polariseeritud ortogonaalset LP-elementi võtavad tõhusalt vastu kõik LP- ja CP-lained. Selle illustreerimiseks jäävad vertikaalne ja horisontaalne netopinge (VV ja VH) konstantseks olenemata polarisatsiooninurgast:
CP elektromagnetlaine „E” elektriväli, kus energiat kogutakse kaks korda (üks kord ühiku kohta), võttes seeläbi täielikult vastu CP komponendi ja ületades 3 dB polarisatsiooni mittevastavuse kao:
Lõpuks, alalisvoolu kombinatsiooni kaudu on võimalik vastu võtta suvalise polarisatsiooniga langevaid laineid. Joonis 7 näitab kirjeldatud täielikult polariseeritud sirgjoone geomeetriat.
Joonis 7
Kokkuvõttes on WPT-rakendustes, millel on spetsiaalsed toiteallikad, eelistatud CP, kuna see parandab WPT-i efektiivsust olenemata antenni polarisatsiooninurgast. Teisest küljest, mitme allika, eriti ümbritsevate allikate hankimisel, võivad täielikult polariseeritud antennid saavutada parema üldise vastuvõtu ja maksimaalse kaasaskantavuse; mitme pordi/mitme alaldiga arhitektuurid on vajalikud täielikult polariseeritud võimsuse kombineerimiseks raadiosagedusel või alalisvoolul.
Kokkuvõte
See artikkel annab ülevaate hiljutistest edusammudest RFEH ja WPT antennide disainimisel ning pakub välja RFEH ja WPT antennide disaini standardklassifikatsiooni, mida varasemas kirjanduses pole välja pakutud. RF-DC kõrge efektiivsuse saavutamiseks on kindlaks tehtud kolm peamist antenninõuet:
1. Antenni alaldi impedantsi ribalaius huvipakkuvate RFEH ja WPT sagedusalade jaoks;
2. Saatja ja vastuvõtja vaheline peamise loba joondamine WPT-s spetsiaalsest söötmest;
3. Retenna ja langeva laine polarisatsiooni vastavus nurgast ja asukohast olenemata.
Takistuse põhjal liigitatakse retennid 50Ω ja alaldi konjugeeritud retennidena, keskendudes erinevate sagedusribade ja koormuste vahelisele takistuse sobitamisele ning iga sobitusmeetodi efektiivsusele.
SoA sirgete antennide kiirgusomadusi on vaadeldud suunavuse ja polarisatsiooni seisukohast. Arutelu käigus käsitletakse meetodeid võimenduse parandamiseks kiiremoodustamise ja pakkimise abil, et ületada kitsas kiirelaius. Lõpuks antakse ülevaade WPT jaoks mõeldud CP sirgetest antennidest koos erinevate rakendustega polarisatsioonist sõltumatu vastuvõtu saavutamiseks WPT ja RFEH jaoks.
Antennide kohta lisateabe saamiseks külastage palun järgmist saiti:
Postituse aeg: 16. august 2024
