Antenas un taisngrieža kopprojektēšana
2. attēlā redzamās EG topoloģijas taisngriežu raksturīga iezīme ir tā, ka antena ir tieši saskaņota ar taisngriezi, nevis ar 50Ω standartu, kas prasa samazināt vai likvidēt saskaņošanas ķēdi taisngrieža darbināšanai. Šajā sadaļā ir apskatītas SoA taisngriežu priekšrocības ar antenām, kas nav 50Ω antenas, un taisngriežu priekšrocības bez saskaņošanas tīkliem.
1. Elektriski mazas antenas
LC rezonanses gredzenu antenas ir plaši izmantotas lietojumos, kuros sistēmas izmērs ir kritisks. Frekvencēs, kas zemākas par 1 GHz, viļņa garums var izraisīt to, ka standarta izkliedēto elementu antenas aizņem vairāk vietas nekā kopējais sistēmas izmērs, un tādi lietojumi kā pilnībā integrēti raidītāji-uztvērēji ķermeņa implantiem īpaši gūst labumu no elektriski mazu antenu izmantošanas bezvadu translācijām (WPT).
Mazās antenas augsto induktīvo impedanci (tuvu rezonansei) var izmantot, lai tieši savienotu taisngriezi vai ar papildu mikroshēmā iebūvētu kapacitatīvo saskaņošanas tīklu. Ir ziņots par elektriski mazām antenām bezvadu tehnoloģijās (WPT) ar LP un CP zem 1 GHz, izmantojot Huygens dipola antenas, ar ka=0,645, savukārt ka=5,91 normālos dipolos (ka=2πr/λ0).
2. Taisngrieža konjugētā antena
Diodes tipiskā ieejas pretestība ir ļoti kapacitatīva, tāpēc konjugētās pretestības sasniegšanai ir nepieciešama induktīvā antena. Mikroshēmas kapacitatīvās pretestības dēļ RFID tagos plaši tiek izmantotas augstas pretestības induktīvās antenas. Dipola antenas nesen ir kļuvušas par tendenci sarežģītas pretestības RFID antenās, kurām ir augsta pretestība (pretestība un reaktivitāte) to rezonanses frekvences tuvumā.
Lai atbilstu taisngrieža augstajai kapacitātei attiecīgajā frekvenču joslā, ir izmantotas induktīvās dipola antenas. Salocītā dipola antenā dubultā īsā līnija (dipola locījums) darbojas kā impedances transformators, kas ļauj konstruēt antenu ar ārkārtīgi augstu impedanci. Alternatīvi, nobīdes barošana ir atbildīga par induktīvās reaktivitātes, kā arī faktiskās impedances palielināšanu. Apvienojot vairākus nobīdītus dipola elementus ar nelīdzsvarotiem tauriņa formas radiālajiem izciļņiem, tiek veidota divkārša platjoslas augstas impedances antena. 4. attēlā redzamas dažas ziņotās taisngrieža konjugāta antenas.
4. attēls
Radiācijas raksturlielumi RFEH un WPT
Frīsa modelī antenas uztvertā jauda PRX attālumā d no raidītāja ir tieša uztvērēja un raidītāja pastiprinājumu (GRX, GTX) funkcija.
Antenas galvenās daivas virziens un polarizācija tieši ietekmē no ienākošā viļņa savāktās jaudas daudzumu. Antenas starojuma raksturlielumi ir galvenie parametri, kas atšķir apkārtējās vides RFEH un WPT (5. attēls). Lai gan abos pielietojumos izplatīšanās vide var nebūt zināma un ir jāņem vērā tās ietekme uz uztverto vilni, var izmantot zināšanas par raidošo antenu. 3. tabulā ir norādīti šajā sadaļā apspriestie galvenie parametri un to piemērojamība RFEH un WPT.
5. attēls
1. Virziens un pastiprinājums
Vairumā RFEH un WPT lietojumu tiek pieņemts, ka kolektors nezina ienākošā starojuma virzienu un nav tiešas redzamības (LoS) ceļa. Šajā darbā ir pētīti vairāku antenu dizaini un izvietojumi, lai maksimāli palielinātu uztverto jaudu no nezināma avota neatkarīgi no galvenās daivas izlīdzinājuma starp raidītāju un uztvērēju.
Visvirzienu antenas ir plaši izmantotas vides RFEH taisnstūrveida antenās. Literatūrā PSD mainās atkarībā no antenas orientācijas. Tomēr jaudas izmaiņas nav izskaidrotas, tāpēc nav iespējams noteikt, vai izmaiņas ir saistītas ar antenas starojuma modeli vai polarizācijas neatbilstību.
Papildus RFEH pielietojumiem, mikroviļņu viļņu translācijai (WPT) ir plaši ziņots par augstas pastiprinājuma virziena antenām un masīviem, lai uzlabotu zema RF jaudas blīvuma uztveršanas efektivitāti vai pārvarētu izplatīšanās zudumus. Jagi-Uda taisnstūru masīvi, tauriņu masīvi, spirālveida masīvi, cieši savienoti Vivaldi masīvi, CPW CP masīvi un ielāpu masīvi ir vieni no mērogojamiem taisnstūru ieviešanas veidiem, kas var maksimāli palielināt ienākošās jaudas blīvumu noteiktā apgabalā. Citas pieejas antenas pastiprinājuma uzlabošanai ietver substrātā integrēta viļņvada (SIW) tehnoloģiju mikroviļņu un milimetru viļņu joslās, kas raksturīga WPT. Tomēr augstas pastiprinājuma taisnstūriem raksturīgs šaurs staru kūļa platums, kas padara viļņu uztveršanu patvaļīgos virzienos neefektīvu. Antenas elementu un pieslēgvietu skaita pētījumos tika secināts, ka augstāka virzība neatbilst lielākai iegūtajai jaudai apkārtējā RFEH, pieņemot trīsdimensiju patvaļīgu krišanu; tas tika apstiprināts ar lauka mērījumiem pilsētvidē. Augstas pastiprinājuma masīvus var ierobežot ar WPT pielietojumiem.
Lai pārnestu augstas pastiprinājuma antenu priekšrocības uz patvaļīgiem RFEH, tiek izmantoti iepakojuma vai izkārtojuma risinājumi, lai pārvarētu virzības problēmu. Tiek piedāvāta divu ielāpu antenas aproce, lai divos virzienos uztvertu enerģiju no apkārtējās vides Wi-Fi RFEH. Apkārtējās vides mobilo sakaru RFEH antenas ir arī veidotas kā 3D kastes un tiek drukātas vai pielīmētas pie ārējām virsmām, lai samazinātu sistēmas laukumu un nodrošinātu daudzvirzienu enerģijas uztveršanu. Kubiskām taisnstūra struktūrām ir lielāka enerģijas uztveršanas varbūtība apkārtējās vides RFEH.
Lai uzlabotu bezvadu enerģijas pārraides ātrumu (WPT) 2,4 GHz frekvencē, 4 × 1 masīvos tika veikti antenas konstrukcijas uzlabojumi, lai palielinātu staru kūļa platumu, tostarp papildu parazītiskie plāksteru elementi. Tika ierosināta arī 6 GHz tīkla antena ar vairākiem staru kūļa apgabaliem, demonstrējot vairākus starus katrā portā. Daudzvirzienu un daudzpolarizētai RFEH ir ierosinātas daudzportu, daudztaisngriežu virsmas taisnstūru antenas un enerģijas ieguves antenas ar visvirzienu starojuma modeļiem. Augstas pastiprinājuma, daudzvirzienu enerģijas ieguvei ir ierosināti arī daudztaisngrieži ar staru kūļa veidošanas matricām un daudzportu antenu bloki.
Rezumējot, lai gan liela pastiprinājuma antenas ir vēlamākas, lai uzlabotu jaudu, kas iegūta no zema RF blīvuma, ļoti virzīti uztvērēji var nebūt ideāli lietojumos, kur raidītāja virziens nav zināms (piemēram, apkārtējās vides RFEH vai WPT caur nezināmiem izplatīšanās kanāliem). Šajā darbā tiek piedāvātas vairākas daudzstaru pieejas daudzvirzienu liela pastiprinājuma WPT un RFEH iegūšanai.
2. Antenas polarizācija
Antenas polarizācija apraksta elektriskā lauka vektora kustību attiecībā pret antenas izplatīšanās virzienu. Polarizācijas neatbilstība var samazināt pārraidi/uztveršanu starp antenām pat tad, ja galvenās daivas ir izlīdzinātas. Piemēram, ja pārraidei tiek izmantota vertikāla LP antena un uztveršanai tiek izmantota horizontāla LP antena, jauda netiks uztverta. Šajā sadaļā ir pārskatītas metodes bezvadu uztveršanas efektivitātes palielināšanai un polarizācijas neatbilstības zudumu novēršanai. Ierosinātās taisnstūra arhitektūras kopsavilkums attiecībā uz polarizāciju ir sniegts 6. attēlā, un SoA piemērs ir sniegts 4. tabulā.
6. attēls
Mobilo sakaru sistēmās lineāra polarizācijas izlīdzināšana starp bāzes stacijām un mobilajiem tālruņiem, visticamāk, netiks panākta, tāpēc bāzes staciju antenas ir konstruētas kā divkārši vai daudzpolarizētas, lai izvairītos no polarizācijas neatbilstības zudumiem. Tomēr LP viļņu polarizācijas variācijas daudzceļu efektu dēļ joprojām ir neatrisināta problēma. Pamatojoties uz pieņēmumu par daudzpolarizētām mobilajām bāzes stacijām, mobilo sakaru RFEH antenas ir konstruētas kā LP antenas.
CP antenas galvenokārt tiek izmantotas bezvadu fotosintēzijā (WPT), jo tās ir relatīvi izturīgas pret nesakritību. CP antenas spēj uztvert CP starojumu ar vienādu rotācijas virzienu (kreisā vai labā CP) papildus visiem LP viļņiem bez jaudas zuduma. Jebkurā gadījumā CP antena pārraida, un LP antena uztver ar 3 dB zudumu (50% jaudas zudums). Ir ziņots, ka CP antenas ir piemērotas 900 MHz, 2,4 GHz un 5,8 GHz rūpnieciskajām, zinātniskajām un medicīniskajām joslām, kā arī milimetru viļņiem. Patvaļīgi polarizētu viļņu RFEH polarizācijas dažādība ir potenciāls risinājums polarizācijas nesakritības zudumiem.
Pilnīga polarizācija, kas pazīstama arī kā multipolarizācija, ir ierosināta, lai pilnībā pārvarētu polarizācijas neatbilstības zudumus, ļaujot savākt gan CP, gan LP viļņus, kur divi divkārši polarizēti ortogonāli LP elementi efektīvi uztver visus LP un CP viļņus. Lai to ilustrētu, vertikālais un horizontālais tīkla spriegums (VV un VH) paliek nemainīgs neatkarīgi no polarizācijas leņķa:
CP elektromagnētiskā viļņa “E” elektriskais lauks, kurā jauda tiek savākta divas reizes (vienu reizi uz vienību), tādējādi pilnībā uztverot CP komponenti un pārvarot 3 dB polarizācijas neatbilstības zudumus:
Visbeidzot, izmantojot līdzstrāvas kombināciju, var uztvert patvaļīgas polarizācijas viļņus. 7. attēlā parādīta ziņotās pilnībā polarizētās taisnstūra ģeometrija.
7. attēls
Rezumējot, bezvadu transfēra lietojumprogrammās ar īpašiem barošanas avotiem CP ir priekšroka, jo tā uzlabo bezvadu transfēra pielietošanas efektivitāti neatkarīgi no antenas polarizācijas leņķa. No otras puses, vairāku avotu uztveršanā, īpaši no apkārtējiem avotiem, pilnībā polarizētas antenas var sasniegt labāku kopējo uztveršanu un maksimālu pārnesamību; vairāku portu/vairāku taisngriežu arhitektūras ir nepieciešamas, lai apvienotu pilnībā polarizētu jaudu RF vai DC.
Kopsavilkums
Šajā rakstā ir sniegts pārskats par jaunākajiem sasniegumiem RFEH un WPT antenu projektēšanā un piedāvāta standarta antenu dizaina klasifikācija RFEH un WPT vajadzībām, kas iepriekšējā literatūrā nav ierosināta. Ir noteiktas trīs pamatprasības antenām, lai sasniegtu augstu RF-DC efektivitāti:
1. Antenas taisngrieža impedances joslas platums attiecīgajām RFEH un WPT joslām;
2. Galvenās daivas izlīdzinājums starp raidītāju un uztvērēju bezvadu transfēra režīmā (WPT) no īpašas padeves;
3. Polarizācijas atbilstība starp taisno vilni un krītošo vilni neatkarīgi no leņķa un pozīcijas.
Pamatojoties uz impedanci, taisnstūri tiek klasificēti 50Ω un taisngrieža konjugāta taisnstūros, koncentrējoties uz impedances saskaņošanu starp dažādām joslām un slodzēm, kā arī katras saskaņošanas metodes efektivitāti.
SoA taisnstūru starojuma raksturlielumi ir pārskatīti no virzības un polarizācijas viedokļa. Tiek apspriestas metodes pastiprinājuma uzlabošanai, izmantojot staru kūļa veidošanu un pakošanu, lai pārvarētu šauru staru kūļa platumu. Visbeidzot, tiek pārskatīti CP taisnstūri WPT, kā arī dažādas ieviešanas iespējas, lai panāktu no polarizācijas neatkarīgu uztveršanu WPT un RFEH.
Lai uzzinātu vairāk par antenām, lūdzu, apmeklējiet:
Publicēšanas laiks: 2024. gada 16. augusts
