Antenni-alaldi ühisdisain
Joonisel fig 2 kujutatud EG topoloogiat järgivate sirgete joonte omadus on see, et antenn on otse sobitatud alaldiga, mitte 50 Ω standardiga, mis nõuab alaldi toiteks sobitusahela minimeerimist või kõrvaldamist. Selles jaotises vaadeldakse mitte-50Ω antennidega ja ilma sobivate võrkudeta sirgete antennide eeliseid.
1. Elektriliselt väikesed antennid
LC-resonantsrõngasantenne on laialdaselt kasutatud rakendustes, kus süsteemi suurus on kriitiline. Sagedustel alla 1 GHz võib lainepikkus põhjustada seda, et standardsed hajutatud elementide antennid võtavad süsteemi üldisest suurusest rohkem ruumi ja sellised rakendused nagu täielikult integreeritud kehaimplantaatide transiiiverid saavad WPT elektriliselt väikeste antennide kasutamisest eriti kasu.
Väikese antenni kõrget induktiivtakistust (peaaegu resonants) saab kasutada alaldi otse 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, kusjuures ka = 0,645, samas kui ka = 5,91 tavalistes dipoolides (ka = 2πr / λ0).
2. Alaldi konjugaatantenn
Dioodi tüüpiline sisendtakistus on väga mahtuvuslik, seega on konjugeeritud impedantsi saavutamiseks vaja induktiivantenni. Kiibi mahtuvusliku impedantsi tõttu on RFID-märgistes laialdaselt kasutatud suure takistusega induktiivantenne. Dipoolantennid on hiljuti muutunud keerukate impedantsi RFID-antennide trendiks, millel on nende resonantssageduse lähedal kõrge takistus (takistus ja reaktants).
Huvipakkuvas sagedusalas oleva alaldi suure mahtuvuse sobitamiseks on kasutatud induktiivseid dipoolantenne. Kokkupandud dipoolantennis toimib kahekordne lühike joon (dipoolvoltimine) impedantstrafona, võimaldades kujundada ülikõrge takistusega antenni. Teise võimalusena vastutab nihketoide nii induktiivse reaktiivtakistuse kui ka tegeliku impedantsi suurendamise eest. Mitme kallutatud dipoolelemendi kombineerimine tasakaalustamata kikilipsu radiaalsete otstega moodustab kahekordse lairiba suure takistusega antenni. Joonisel 4 on näidatud mõned teatatud alaldi konjugeeritud antennid.
Joonis 4
Kiirgusomadused RFEH-is ja WPT-s
Friisi mudelis on saatjast kaugusel d asuva antenni poolt vastuvõetud võimsus PRX otsene funktsioon vastuvõtja ja saatja võimendustest (GRX, GTX).
Antenni põhisagara suund ja polarisatsioon mõjutavad otseselt langevast lainest kogutud võimsust. Antenni kiirguse omadused on peamised parameetrid, mis eristavad ümbritsevat RFEH-d ja WPT-d (joonis 5). Kuigi mõlema rakenduse puhul võib levikandja olla teadmata ja tuleb arvestada selle mõju vastuvõetud lainele, saab kasutada teadmisi saateantenni kohta. Tabelis 3 on ära toodud selles jaotises käsitletavad põhiparameetrid ning nende rakendatavus RFEH-i ja WPT-le.
Joonis 5
1. Suunavus ja kasum
Enamikus RFEH- ja WPT-rakendustes eeldatakse, et kollektor ei tea langeva kiirguse suunda ja puudub otsenähtavus (LoS). Selles töös on uuritud mitut antenni konstruktsiooni ja paigutust, et maksimeerida tundmatust allikast vastuvõetud võimsust, sõltumata saatja ja vastuvõtja vahelisest põhisagara joondusest.
Omnisuunalisi antenne on laialdaselt kasutatud keskkonnakaitselistes RFEH-ristmiks. Kirjanduses varieerub PSD sõltuvalt antenni orientatsioonist. Kuid võimsuse kõikumist pole selgitatud, mistõttu ei ole võimalik kindlaks teha, kas kõikumine on tingitud antenni kiirgusmustrist või polarisatsiooni mittevastavusest.
Lisaks RFEH-rakendustele on mikrolaine-WPT jaoks laialdaselt teatatud suure võimendusega suunaantennidest ja massiividest, et parandada madala raadiosagedusliku võimsustiheduse kogumise efektiivsust või ületada levikadusid. Yagi-Uda rectenna-massiivid, kiki- ja spiraalmassiivid, tihedalt seotud Vivaldi-massiivid, CPW CP-massiivid ja plaastrimassiivid kuuluvad skaleeritavate ristteenna-rakenduste hulka, mis võivad teatud piirkonnas langevat võimsustihedust maksimeerida. Teised lähenemisviisid antenni võimenduse parandamiseks hõlmavad WPT-le spetsiifilist substraadiga integreeritud lainejuhi (SIW) tehnoloogiat mikrolaine- ja millimeeterlaineribades. Suure võimendusega sirgjooned on aga kitsad, mis muudab lainete vastuvõtmise suvalistes suundades ebaefektiivseks. Antennielementide ja portide arvu uurimisel jõuti järeldusele, et suurem suunatavus ei vasta suuremale kogutud võimsusele ümbritsevas RFEH-is, eeldades kolmemõõtmelist suvalist esinemist; seda kontrolliti linnakeskkonnas tehtud välimõõtmistega. Suure võimendusega massiive saab piirata WPT-rakendustega.
Suure võimendusega antennide eeliste ülekandmiseks suvalistele RFEH-idele kasutatakse suunatavuse probleemi lahendamiseks pakendi- või paigutuslahendusi. Pakutakse kahe paigaga antenni randmepaela, mis kogub energiat ümbritsevatest Wi-Fi RFEH-idest kahes suunas. Mobiilside ümbritsevad RFEH-antennid on samuti kujundatud 3D-kastidena ja prinditud või kleebitud välispindadele, et vähendada süsteemi pindala ja võimaldada mitmesuunalist kogumist. Kuubikujulistel sirgjoonelistel struktuuridel on suurem tõenäosus energia vastuvõtmiseks ümbritsevates RFEH-des.
Antenni konstruktsiooni täiustati, et suurendada kiire laiust, sealhulgas parasiitide lisaelemente, et parandada WPT-d sagedusel 2,4 GHz, 4 × 1 massiivid. Samuti pakuti välja 6 GHz võrguantenn, millel on mitu kiirt, mis demonstreerib mitut kiirt pordi kohta. Mitmesuunalise ja mitme polarisatsiooniga RFEH-i jaoks on pakutud välja mitme pordiga, mitme alaldiga pinnapealsed sirgjooned ja energia kogumise antennid, millel on mitmesuunalised kiirgusmustrid. Suure võimendusega mitmesuunaliseks energia kogumiseks on välja pakutud ka kiirt moodustavate maatriksite ja mitme pordiga antennimassiividega multialaldid.
Kokkuvõtteks võib öelda, et kuigi suure võimendusega antenne eelistatakse madala RF-tihedusega kogutud võimsuse parandamiseks, ei pruugi suure suunaga vastuvõtjad olla ideaalsed rakendustes, kus saatja suund on teadmata (nt ümbritsev RFEH või WPT tundmatute levikanalite kaudu). Selles töös pakutakse mitmesuunalise suure võimendusega WPT ja RFEH jaoks välja mitu mitme valgusvihuga lähenemisviisi.
2. Antenni polarisatsioon
Antenni polarisatsioon kirjeldab elektrivälja vektori liikumist antenni levimissuuna suhtes. Polarisatsiooni mittevastavus võib põhjustada antennidevahelise edastuse/vastuvõtu vähenemist isegi siis, kui põhisagara suunad on joondatud. Näiteks kui edastamiseks kasutatakse vertikaalset LP-antenni ja vastuvõtmiseks horisontaalset LP-antenni, ei võeta voolu vastu. Selles jaotises käsitletakse esitatud meetodeid traadita vastuvõtu efektiivsuse maksimeerimiseks ja polarisatsiooni mittevastavuse kadude vältimiseks. Kokkuvõte kavandatavast sirgjoonelisest arhitektuurist seoses polarisatsiooniga on toodud joonisel 6 ja SoA näide on toodud tabelis 4.
Joonis 6
Mobiilside puhul on ebatõenäoline, et tugijaamade ja mobiiltelefonide vahel saavutataks lineaarset polarisatsiooni joondust, seega on tugijaamade antennid projekteeritud kahe- või mitmepolarisatsiooniga, et vältida polarisatsiooni mittevastavuse kadusid. LP-lainete polarisatsiooni varieerumine mitme tee mõju tõttu jääb siiski lahendamata probleemiks. Lähtudes eeldusest, et mobiilsed tugijaamad on multipolariseeritud, on mobiilside RFEH antennid konstrueeritud LP-antennidena.
CP rectennasid kasutatakse peamiselt WPT-s, kuna need on ebakõla suhtes suhteliselt vastupidavad. CP-antennid on võimelised lisaks kõikidele LP-lainetele ilma võimsuskadudeta vastu võtma sama pöörlemissuunaga CP-kiirgust (vasak- või paremakäeline CP). Igal juhul CP antenn saadab ja LP antenn võtab vastu 3 dB kaoga (50% võimsuskadu). Väidetavalt sobivad CP rectennad 900 MHz ja 2,4 GHz ja 5,8 GHz tööstus-, teadus- ja meditsiiniribadele ning millimeeterlainetele. Suvaliselt polariseeritud lainete RFEH-s on polarisatsiooni mitmekesisus potentsiaalne lahendus polarisatsiooni mittevastavuse kadudele.
Täielik polarisatsioon, tuntud ka kui multipolarisatsioon, on välja pakutud polarisatsiooni mittevastavuse kadude täielikuks ületamiseks, võimaldades nii CP- kui ka LP-lainete kogumist, kus kaks topeltpolariseeritud ortogonaalset LP-elementi võtavad tõhusalt vastu kõik LP- ja CP-lained. Selle illustreerimiseks jäävad vertikaalsed ja horisontaalsed võrgupinged (VV ja VH) konstantseks sõltumata polarisatsiooninurgast:
CP elektromagnetlaine "E" elektriväli, kus võimsust kogutakse kaks korda (üks kord ühiku kohta), võttes seeläbi täielikult vastu CP komponendi ja ületades 3 dB polarisatsiooni mittevastavuse kadu:
Lõpuks saab alalisvoolu kombinatsiooni kaudu vastu võtta suvalise polarisatsiooniga langevaid laineid. Joonisel 7 on näidatud täielikult polariseeritud sirgjoone geomeetria.
Joonis 7
Kokkuvõtteks võib öelda, et spetsiaalsete toiteallikatega WPT-rakendustes eelistatakse CP-d, kuna see parandab WPT efektiivsust sõltumata antenni polarisatsiooninurgast. Teisest küljest võivad täielikult polariseeritud antennid mitme allika hankimisel, eriti ümbritsevatest allikatest, saavutada parema üldise vastuvõtu ja maksimaalse teisaldatavuse; Täielikult polariseeritud võimsuse ühendamiseks raadiosagedusel või alalisvoolul on vaja mitme pordi/mitme alaldi arhitektuuri.
Kokkuvõte
Selles artiklis antakse ülevaade hiljutistest edusammudest RFEH ja WPT antennide kujundamisel ning pakutakse välja RFEH ja WPT antenni disaini standardklassifikatsioon, mida varasemas kirjanduses ei ole pakutud. Kõrge RF-DC-tõhususe saavutamiseks on tuvastatud kolm põhilist antenninõuet:
1. Antenni alaldi impedantsi ribalaius huvipakkuvate RFEH- ja WPT-ribade jaoks;
2. Põhisagara joondamine saatja ja vastuvõtja vahel WPT-s spetsiaalsest söödast;
3. Polarisatsiooni sobitamine sirgjoonelise ja langeva laine vahel olenemata nurgast ja asendist.
Takistuse alusel jaotatakse sirgjooned 50 Ω ja alaldi konjugeeritud sirgjoonteks, keskendudes erinevate ribade ja koormuste impedantsi sobitamisele ning iga sobitusmeetodi efektiivsusele.
SoA rectennade kiirgusomadused on läbi vaadatud suunavuse ja polarisatsiooni vaatenurgast. Arutatakse meetodeid võimenduse parandamiseks kiire vormimise ja pakkimise abil, et ületada kitsas kiire laius. Lõpuks vaadatakse üle WPT CP sirgjooned koos erinevate rakendustega, et saavutada WPT ja RFEH polarisatsioonist sõltumatu vastuvõtt.
Antennide kohta lisateabe saamiseks külastage:
Postitusaeg: 16. august 2024
