Antenna-Rectifier Co-design
Ang katangian ng mga rectenna na sumusunod sa EG topology sa Figure 2 ay ang antenna ay direktang tumugma sa rectifier, sa halip na sa 50Ω standard, na nangangailangan ng pag-minimize o pagtanggal ng katugmang circuit para ma-power ang rectifier. Sinusuri ng seksyong ito ang mga pakinabang ng mga SoA rectenna na may mga non-50Ω antenna at rectenna na walang tugmang mga network.
1. Mga Electrically Small Antenna
Ang LC resonant ring antenna ay malawakang ginagamit sa mga aplikasyon kung saan ang laki ng system ay kritikal. Sa mga frequency na mas mababa sa 1 GHz, ang wavelength ay maaaring magsanhi sa mga standard distributed element antenna na sumakop ng mas maraming espasyo kaysa sa kabuuang sukat ng system, at ang mga application tulad ng mga ganap na pinagsamang transceiver para sa mga body implant ay partikular na nakikinabang mula 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 may karagdagang on-chip capacitive matching network. Naiulat ang mga maliliit na antenna sa WPT na may LP at CP sa ibaba ng 1 GHz gamit ang mga Huygens dipole antenna, na may ka=0.645, habang ang ka=5.91 sa mga normal na dipoles (ka=2πr/λ0).
2. Rectifier conjugate antenna
Ang karaniwang input impedance ng isang diode ay mataas ang capacitive, kaya ang isang inductive antenna ay kinakailangan upang makamit ang conjugate impedance. Dahil sa capacitive impedance ng chip, ang mataas na impedance inductive antenna ay malawakang ginagamit sa mga RFID tag. Ang mga dipole antenna ay naging trend kamakailan sa mga kumplikadong impedance na RFID antenna, na nagpapakita ng mataas na impedance (resistance at reactance) malapit sa kanilang resonant frequency.
Ang mga inductive dipole antenna ay ginamit upang tumugma sa mataas na kapasidad ng rectifier sa frequency band ng interes. 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 maramihang biased dipole na elemento na may hindi balanseng bow-tie radial stubs ay bumubuo ng dual broadband high impedance antenna. Ipinapakita ng Figure 4 ang ilang naiulat na rectifier conjugate antenna.
Larawan 4
Mga katangian ng radiation sa RFEH at WPT
Sa Friis model, ang power PRX na natanggap ng isang antenna sa layo d mula sa transmitter ay isang direktang function ng receiver at transmitter gains (GRX, GTX).
Direktang nakakaapekto ang pangunahing lobe directivity at polarization ng antenna sa dami ng power na nakolekta mula sa incident wave. Ang mga katangian ng radiation ng antena ay mga pangunahing parameter na nag-iiba sa pagitan ng ambient RFEH at WPT (Larawan 5). Habang sa parehong mga aplikasyon ang daluyan ng pagpapalaganap ay maaaring hindi kilala at ang epekto nito sa natanggap na alon ay kailangang isaalang-alang, ang kaalaman sa transmitting antenna ay maaaring samantalahin. Tinutukoy ng talahanayan 3 ang mga pangunahing parameter na tinalakay sa seksyong ito at ang kanilang pagiging angkop sa RFEH at WPT.
Larawan 5
1. Direktibidad at Gain
Sa karamihan ng mga aplikasyon ng RFEH at WPT, ipinapalagay na hindi alam ng kolektor ang direksyon ng radiation ng insidente at walang line-of-sight (LoS) na landas. Sa gawaing ito, maraming disenyo at pagkakalagay ng antenna ang inimbestigahan upang mapakinabangan ang natanggap na kapangyarihan mula sa hindi kilalang pinagmulan, na independiyente sa pangunahing pagkakahanay ng lobe sa pagitan ng transmitter at ng receiver.
Ang mga omnidirectional antenna ay malawakang ginagamit sa mga rectenna ng RFEH sa kapaligiran. Sa panitikan, nag-iiba ang PSD depende sa oryentasyon ng antenna. Gayunpaman, ang pagkakaiba-iba sa kapangyarihan ay hindi naipaliwanag, kaya hindi posibleng matukoy kung ang pagkakaiba-iba ay dahil sa pattern ng radiation ng antenna o dahil sa hindi pagkakatugma ng polarization.
Bilang karagdagan sa mga RFEH application, ang mga high-gain na directional antenna at array ay malawak na naiulat para sa microwave WPT upang mapabuti ang kahusayan sa pagkolekta ng mababang RF power density o mapagtagumpayan ang mga pagkawala ng propagation. Ang Yagi-Uda rectenna arrays, bowtie arrays, spiral arrays, tightly coupled Vivaldi arrays, CPW CP arrays, at patch arrays ay kabilang sa mga scalable rectenna na pagpapatupad na maaaring mag-maximize sa incident power density sa ilalim ng isang partikular na lugar. Kabilang sa iba pang mga diskarte para mapahusay ang antenna gain ay substrate integrated waveguide (SIW) na teknolohiya sa microwave at millimeter wave bands, partikular sa WPT. Gayunpaman, ang mga high-gain na rectenna ay nailalarawan sa pamamagitan ng makitid na beamwidth, na ginagawang hindi mahusay ang pagtanggap ng mga alon sa mga arbitrary na direksyon. Napagpasyahan ng mga pagsisiyasat sa bilang ng mga elemento ng antenna at port na ang mas mataas na direktiba ay hindi tumutugma sa mas mataas na kapangyarihang na-ani sa ambient RFEH kung ipagpalagay na ang three-dimensional na arbitrary na saklaw; ito ay na-verify sa pamamagitan ng mga pagsukat sa field sa mga urban na kapaligiran. Ang mga high-gain array ay maaaring limitado sa mga WPT application.
Upang mailipat ang mga benepisyo ng mga high-gain na antenna sa mga arbitrary na RFEH, ginagamit ang mga solusyon sa packaging o layout upang madaig ang isyu sa directivity. Ang isang dual-patch antenna wristband ay iminungkahi upang kumuha ng enerhiya mula sa mga nakapaligid na Wi-Fi RFEH sa dalawang direksyon. Idinisenyo din ang mga ambient cellular RFEH antenna bilang mga 3D box at naka-print o nakadikit sa mga panlabas na ibabaw upang bawasan ang lugar ng system at paganahin ang multi-directional harvesting. Ang mga istruktura ng cubic rectenna ay nagpapakita ng mas mataas na posibilidad ng pagtanggap ng enerhiya sa mga nakapaligid na RFEH.
Ang mga pagpapahusay sa disenyo ng antenna upang mapataas ang beamwidth, kabilang ang mga auxiliary parasitic patch na elemento, ay ginawa upang mapabuti ang WPT sa 2.4 GHz, 4 × 1 na mga array. Ang isang 6 GHz mesh antenna na may maraming rehiyon ng beam ay iminungkahi din, na nagpapakita ng maraming beam bawat port. Ang multi-port, multi-rectifier surface rectenna at energy harvesting antenna na may omnidirectional radiation pattern ay iminungkahi para sa multi-directional at multi-polarized RFEH. Ang mga multi-rectifier na may beamforming matrice at multi-port antenna arrays ay iminungkahi din para sa high-gain, multi-directional energy harvesting.
Sa buod, habang ang mga high-gain na antenna ay mas gustong pahusayin ang power na na-harvest mula sa mababang RF density, ang mga high-direction na receiver ay maaaring hindi perpekto sa mga application kung saan ang direksyon ng transmitter ay hindi alam (hal., ambient RFEH o WPT sa pamamagitan ng hindi kilalang mga propagation channel). Sa gawaing ito, iminungkahi ang maraming multi-beam approach para sa multi-directional high-gain na WPT at RFEH.
2. Antenna Polarization
Inilalarawan ng polarization ng antena ang paggalaw ng electric field vector na nauugnay sa direksyon ng pagpapalaganap ng antenna. Ang mga hindi pagkakatugma ng polarization ay maaaring humantong sa pagbawas ng transmission/reception sa pagitan ng mga antenna kahit na nakahanay ang mga pangunahing direksyon ng lobe. Halimbawa, kung ang isang vertical na LP antenna ay ginagamit para sa paghahatid at isang pahalang na LP antenna ay ginagamit para sa pagtanggap, walang power na matatanggap. Sa seksyong ito, sinusuri ang mga iniulat na pamamaraan para sa pag-maximize ng kahusayan sa pagtanggap ng wireless at pag-iwas sa mga pagkawala ng polarization sa mismatch. Ang isang buod ng iminungkahing arkitektura ng rectenna na may paggalang sa polariseysyon ay ibinibigay sa Figure 6 at isang halimbawa ng SoA ay ibinigay sa Talahanayan 4.
Larawan 6
Sa mga cellular na komunikasyon, malamang na hindi makamit ang linear polarization alignment sa pagitan ng mga base station at mobile phone, kaya ang mga base station antenna ay idinisenyo upang maging dual-polarized o multi-polarized upang maiwasan ang polarization mismatch losses. Gayunpaman, ang pagkakaiba-iba ng polariseysyon ng mga alon ng LP dahil sa mga epekto ng multipath ay nananatiling isang hindi nalutas na problema. Batay sa pagpapalagay ng mga multi-polarized na mobile base station, ang mga cellular RFEH antenna ay idinisenyo bilang mga LP antenna.
Pangunahing ginagamit ang mga CP rectenna sa WPT dahil medyo lumalaban ang mga ito sa mismatch. Ang mga CP antenna ay nakakatanggap ng CP radiation na may parehong direksyon ng pag-ikot (kaliwa 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 ng 3 dB na pagkawala (50% na pagkawala ng kuryente). Ang mga CP rectenna ay iniulat na angkop para sa 900 MHz at 2.4 GHz at 5.8 GHz pang-industriya, siyentipiko, at medikal na mga banda pati na rin sa mga millimeter wave. Sa RFEH ng mga arbitrarily polarized wave, ang pagkakaiba-iba ng polarization ay kumakatawan sa isang potensyal na solusyon sa mga pagkawala ng hindi pagkakatugma ng polarization.
Ang buong polarization, na kilala rin bilang multi-polarization, ay iminungkahi upang ganap na mapagtagumpayan ang polarization mismatch losses, na nagbibigay-daan sa koleksyon ng parehong CP at LP waves, kung saan ang dalawang dual-polarized orthogonal LP na elemento ay epektibong tumatanggap ng lahat ng LP at CP wave. Upang ilarawan ito, ang vertical at horizontal net voltages (VV at VH) ay nananatiling pare-pareho anuman ang anggulo ng polarization:
CP electromagnetic wave "E" electric field, kung saan ang kapangyarihan ay kinokolekta ng dalawang beses (isang beses sa bawat yunit), sa gayon ay ganap na natatanggap ang CP component at nagtagumpay sa 3 dB polarization mismatch loss:
Sa wakas, sa pamamagitan ng kumbinasyon ng DC, ang mga alon ng insidente ng di-makatwirang polariseysyon ay maaaring matanggap. Ipinapakita ng Figure 7 ang geometry ng naiulat na ganap na polarized rectenna.
Larawan 7
Sa buod, sa mga aplikasyon ng WPT na may nakalaang mga power supply, mas gusto ang CP dahil pinapabuti nito ang kahusayan ng WPT anuman ang anggulo ng polarization ng antenna. Sa kabilang banda, sa multi-source acquisition, lalo na mula sa ambient sources, ang mga ganap na polarized antenna ay makakamit ang mas mahusay na pangkalahatang pagtanggap at maximum na maaaring dalhin; multi-port/multi-rectifier architectures ay kinakailangan upang pagsamahin ang ganap na 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 karaniwang pag-uuri ng disenyo ng antena para sa RFEH at WPT na hindi pa iminungkahi sa nakaraang literatura. Tatlong pangunahing kinakailangan ng antenna para sa pagkamit ng mataas na kahusayan ng RF-to-DC ay natukoy bilang:
1. Antenna rectifier impedance bandwidth para sa RFEH at WPT band ng interes;
2. Pangunahing pag-align ng lobe sa pagitan ng transmitter at receiver sa WPT mula sa isang nakalaang feed;
3. Pagtutugma ng polarization sa pagitan ng rectenna at wave ng insidente anuman ang anggulo at posisyon.
Batay sa impedance, ang mga rectenna ay inuri sa 50Ω at rectifier conjugate rectennas, na may pagtuon 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 SoA rectennas ay nasuri mula sa pananaw ng directivity at polarization. Tinatalakay ang mga paraan upang mapabuti ang kita sa pamamagitan ng beamforming at packaging upang malampasan ang makitid na beamwidth. Sa wakas, sinusuri ang mga CP rectenna para sa WPT, kasama ang iba't ibang mga pagpapatupad upang makamit ang polarization-independent na pagtanggap para sa WPT at RFEH.
Upang matuto nang higit pa tungkol sa mga antenna, pakibisita ang:
Oras ng post: Aug-16-2024
