Disenyo ng Antenna-Rectifier
Ang katangian ng mga rectenna na sumusunod sa EG topology sa Figure 2 ay ang antenna ay direktang tumutugma sa rectifier, sa halip na ang 50Ω standard, na nangangailangan ng pagliit o pag-aalis ng matching circuit upang mapagana ang rectifier. Sinusuri ng seksyong ito ang mga bentahe ng mga SoA rectenna na may mga non-50Ω antenna at mga rectenna na walang matching network.
1. Mga Antena na Maliliit sa Elektrisidad
Ang mga LC resonant ring antenna ay malawakang ginagamit sa mga aplikasyon kung saan kritikal ang laki ng sistema. Sa mga frequency na mas mababa sa 1 GHz, ang wavelength ay maaaring maging sanhi ng pag-okupa ng mga standard distributed element antenna ng mas maraming espasyo kaysa sa kabuuang laki ng sistema, at ang mga aplikasyon tulad ng fully integrated transceivers para sa mga body implant ay partikular na nakikinabang sa paggamit ng mga electrically small antenna para sa WPT.
Ang mataas na inductive impedance ng maliit na antenna (malapit sa resonance) ay maaaring gamitin upang direktang ikonekta ang rectifier o sa pamamagitan ng karagdagang on-chip capacitive matching network. Naiulat na ang maliliit na antenna na may kuryente sa WPT na may LP at CP na mas mababa sa 1 GHz gamit ang mga Huygens dipole antenna, na may ka=0.645, habang ka=5.91 sa mga normal na dipoles (ka=2πr/λ0).
2. Antena ng konjugate ng rectifier
Ang karaniwang input impedance ng isang diode ay mataas ang capacitive, kaya kinakailangan ang isang inductive antenna upang makamit ang conjugate impedance. Dahil sa capacitive impedance ng chip, ang mga high impedance inductive antenna ay malawakang ginagamit sa mga RFID tag. Ang mga dipole antenna ay naging trend kamakailan sa mga complex impedance RFID antenna, na nagpapakita ng mataas na impedance (resistance at reactance) malapit sa kanilang resonant frequency.
Ginamit ang mga inductive dipole antenna upang tumugma sa mataas na capacitance ng rectifier sa frequency band na pinag-aaralan. Sa isang nakatiklop na dipole antenna, ang double short line (dipole folding) ay gumaganap bilang isang impedance transformer, na nagpapahintulot sa disenyo ng isang napakataas na impedance antenna. Bilang kahalili, ang bias feeding ay responsable para sa pagtaas ng inductive reactance pati na rin ang aktwal na impedance. Ang pagsasama-sama ng maraming biased dipole elements na may hindi balanseng bow-tie radial stubs ay bumubuo ng isang dual broadband high impedance antenna. Ipinapakita ng Figure 4 ang ilang naiulat na rectifier conjugate antennas.
Pigura 4
Mga katangian ng radyasyon sa RFEH at WPT
Sa modelong Friis, ang power PRX na natatanggap ng isang antenna sa layong d mula sa transmitter ay direktang tungkulin ng receiver at transmitter gains (GRX, GTX).
Ang pangunahing direktibidad at polarisasyon ng pangunahing lobe ng antenna ay direktang nakakaapekto sa dami ng kuryenteng nakolekta mula sa incident wave. Ang mga katangian ng radiation ng antenna ay mga pangunahing parameter na nagpapaiba sa pagitan ng ambient RFEH at WPT (Larawan 5). Bagama't sa parehong aplikasyon ang propagation medium ay maaaring hindi alam at ang epekto nito sa natanggap na alon ay kailangang isaalang-alang, maaaring magamit ang kaalaman sa nagpapadalang antenna. Tinutukoy ng Talahanayan 3 ang mga pangunahing parameter na tinalakay sa seksyong ito at ang kanilang kakayahang magamit sa RFEH at WPT.
Pigura 5
1. Direktibidad at Gain
Sa karamihan ng mga aplikasyon ng RFEH at WPT, ipinapalagay na hindi alam ng kolektor ang direksyon ng radyasyong pumapasok at walang line-of-sight (LoS) path. Sa gawaing ito, maraming disenyo at pagkakalagay ng antenna ang siniyasat upang ma-maximize ang natanggap na kuryente mula sa isang hindi kilalang pinagmulan, anuman ang pagkakahanay ng pangunahing lobe sa pagitan ng transmitter at receiver.
Ang mga omnidirectional antenna ay malawakang ginagamit sa mga environmental RFEH rectenna. Sa mga literatura, ang PSD ay nag-iiba depende sa oryentasyon ng antenna. Gayunpaman, ang pagkakaiba-iba sa lakas ay hindi pa naipapaliwanag, kaya hindi posibleng matukoy kung ang pagkakaiba-iba ay dahil sa radiation pattern ng antenna o dahil sa polarization mismatch.
Bukod sa mga aplikasyon ng RFEH, malawakang naiulat ang mga high-gain directional antenna at array para sa microwave WPT upang mapabuti ang kahusayan sa pagkolekta ng mababang RF power density o malampasan ang mga propagation losses. Ang mga Yagi-Uda rectenna array, bowtie array, spiral array, tightly coupled Vivaldi array, CPW CP array, at patch array ay kabilang sa mga scalable rectenna implementation na maaaring ma-maximize ang incident power density sa ilalim ng isang partikular na lugar. Ang iba pang mga pamamaraan upang mapabuti ang antenna gain ay kinabibilangan ng substrate integrated waveguide (SIW) technology sa microwave at millimeter wave bands, partikular sa WPT. Gayunpaman, ang mga high-gain rectenna ay nailalarawan sa pamamagitan ng makikipot na beamwidth, na ginagawang hindi episyente ang pagtanggap ng mga alon sa mga arbitraryong direksyon. Ang mga imbestigasyon sa bilang ng mga elemento at port ng antenna ay napagpasyahan na ang mas mataas na directivity ay hindi tumutugma sa mas mataas na harvested power sa ambient RFEH kung ipagpapalagay na three-dimensional arbitrary incidence; ito ay napatunayan sa pamamagitan ng mga sukat sa field sa mga urban na kapaligiran. Ang mga high-gain array ay maaaring limitado sa mga aplikasyon ng WPT.
Upang mailipat ang mga benepisyo ng mga high-gain antenna sa mga arbitraryong RFEH, ginagamit ang mga solusyon sa packaging o layout upang malampasan ang isyu ng directivity. Isang dual-patch antenna wristband ang iminungkahi upang mangolekta ng enerhiya mula sa mga ambient Wi-Fi RFEH sa dalawang direksyon. Ang mga ambient cellular RFEH antenna ay dinisenyo rin bilang mga 3D box at inilimbag o idinidikit sa mga panlabas na ibabaw upang mabawasan ang lawak ng sistema at paganahin ang multi-directional harvesting. Ang mga cubic rectenna structure ay nagpapakita ng mas mataas na posibilidad ng pagtanggap ng enerhiya sa mga ambient RFEH.
Ang mga pagpapabuti sa disenyo ng antenna upang mapataas ang beamwidth, kabilang ang mga auxiliary parasitic patch elements, ay ginawa upang mapabuti ang WPT sa 2.4 GHz, 4 × 1 arrays. Isang 6 GHz mesh antenna na may maraming beam regions ang iminungkahi rin, na nagpapakita ng maraming beams bawat port. Ang mga multi-port, multi-rectifier surface rectennas at energy harvesting antenna na may omnidirectional radiation patterns ay iminungkahi para sa multi-directional at multi-polarized RFEH. Ang mga multi-rectifier na may beamforming matrices at multi-port antenna arrays ay iminungkahi rin para sa high-gain, multi-directional energy harvesting.
Sa buod, bagama't mas gusto ang mga high-gain antenna upang mapabuti ang kuryenteng nakukuha mula sa mababang RF densities, ang mga highly directional receiver ay maaaring hindi perpekto sa mga aplikasyon kung saan hindi alam ang direksyon ng transmitter (hal., ambient RFEH o WPT sa pamamagitan ng hindi kilalang mga propagation channel). Sa gawaing ito, maraming multi-beam approach ang iminungkahi para sa multi-directional high-gain WPT at RFEH.
2. Polariseysyon ng Antena
Inilalarawan ng antenna polarization ang paggalaw ng electric field vector kaugnay ng direksyon ng paglaganap ng antenna. Ang mga hindi pagtutugma ng polarization ay maaaring humantong sa nabawasang transmission/reception sa pagitan ng mga antenna kahit na nakahanay ang mga direksyon ng pangunahing lobe. Halimbawa, kung ang isang patayong LP antenna ay ginagamit para sa transmission at isang pahalang na LP antenna ang ginagamit para sa reception, walang matatanggap na kuryente. Sa seksyong ito, susuriin ang mga naiulat na pamamaraan para sa pag-maximize ng kahusayan ng wireless reception at pag-iwas sa mga polarization mismatch losses. Ang buod ng iminungkahing rectenna architecture kaugnay ng polarization ay ibinigay sa Figure 6 at isang halimbawa ng SoA ay ibinigay sa Table 4.
Pigura 6
Sa mga komunikasyong cellular, ang linear polarization alignment sa pagitan ng mga base station at mga mobile phone ay malamang na hindi makamit, kaya ang mga base station antenna ay idinisenyo upang maging dual-polarized o multi-polarized upang maiwasan ang mga polarization mismatch losses. Gayunpaman, ang polarization variation ng mga LP wave dahil sa mga multipath effect ay nananatiling isang hindi pa nalulutas na problema. Batay sa palagay ng mga multi-polarized mobile base station, ang mga cellular RFEH antenna ay idinisenyo bilang mga LP antenna.
Ang mga CP rectenna ay pangunahing ginagamit sa WPT dahil medyo matibay ang mga ito sa mismatch. Ang mga CP antenna ay nakakatanggap ng CP radiation na may parehong direksyon ng pag-ikot (kaliwang kamay o kanang kamay na CP) bilang karagdagan sa lahat ng LP wave nang walang pagkawala ng kuryente. Sa anumang kaso, ang CP antenna ay nagpapadala at ang LP antenna ay tumatanggap na may 3 dB loss (50% power loss). Ang mga CP rectenna ay naiulat na angkop para sa 900 MHz at 2.4 GHz at 5.8 GHz industrial, scientific, at medical bands pati na rin sa millimeter wave. Sa RFEH ng mga arbitrarily polarized wave, ang polarization diversity ay kumakatawan sa isang potensyal na solusyon sa mga polarization mismatch losses.
Ang ganap na polarisasyon, na kilala rin bilang multi-polarisasyon, ay iminungkahi upang ganap na malampasan ang mga pagkawala ng polarisasyon, na nagbibigay-daan sa pagkolekta ng parehong CP at LP na mga alon, kung saan ang dalawang dual-polarized orthogonal na elemento ng LP ay epektibong tumatanggap ng lahat ng LP at CP na mga alon. Upang ilarawan ito, ang patayo at pahalang na net voltages (VV at VH) ay nananatiling pare-pareho anuman ang anggulo ng polarisasyon:
CP electromagnetic wave na "E" electric field, kung saan ang kuryente ay kinokolekta nang dalawang beses (isang beses bawat yunit), sa gayon ay ganap na natatanggap ang CP component at nalalampasan ang 3 dB polarization mismatch loss:
Panghuli, sa pamamagitan ng kombinasyon ng DC, matatanggap ang mga incident wave ng arbitraryong polarisasyon. Ipinapakita ng Figure 7 ang geometry ng naiulat na ganap na polarized na rectenna.
Pigura 7
Sa buod, sa mga aplikasyon ng WPT na may mga nakalaang power supply, mas mainam ang CP dahil pinapabuti nito ang kahusayan ng WPT anuman ang anggulo ng polarisasyon ng antenna. Sa kabilang banda, sa multi-source acquisition, lalo na mula sa mga ambient source, ang mga fully polarized antenna ay maaaring makamit ang mas mahusay na pangkalahatang pagtanggap at maximum na portability; kinakailangan ang mga arkitektura ng multi-port/multi-rectifier upang pagsamahin ang fully polarized power sa RF o DC.
Buod
Sinusuri ng papel na ito ang kamakailang pag-unlad sa disenyo ng antena para sa RFEH at WPT, at nagmumungkahi ng isang karaniwang klasipikasyon ng disenyo ng antena para sa RFEH at WPT na hindi pa iminungkahi sa mga nakaraang literatura. Tatlong pangunahing kinakailangan sa antena para sa pagkamit ng mataas na kahusayan ng RF-to-DC ang natukoy bilang:
1. Bandwidth ng impedance ng antenna rectifier para sa mga bandang RFEH at WPT na pinag-aaralan;
2. Pagkakahanay ng pangunahing lobe sa pagitan ng transmitter at receiver sa WPT mula sa isang nakalaang feed;
3. Pagtutugma ng polarisasyon sa pagitan ng rectenna at ng incident wave anuman ang anggulo at posisyon.
Batay sa impedance, ang mga rectenna ay inuuri sa 50Ω at rectifier conjugate rectenna, na nakatuon sa pagtutugma ng impedance sa pagitan ng iba't ibang banda at load at ang kahusayan ng bawat paraan ng pagtutugma.
Ang mga katangian ng radiation ng mga SoA rectenna ay sinuri mula sa perspektibo ng directivity at polarization. Tinalakay ang mga paraan upang mapabuti ang gain sa pamamagitan ng beamforming at packaging upang malampasan ang makitid na beamwidth. Panghuli, sinuri ang mga CP rectenna para sa WPT, kasama ang iba't ibang implementasyon upang makamit ang polarization-independent reception para sa WPT at RFEH.
Para matuto nang higit pa tungkol sa mga antenna, pakibisita ang:
Oras ng pag-post: Agosto-16-2024
