Antenas un taisngrieža kopdizains
Taisnās līnijas, kas atbilst EG topoloģijai 2. attēlā, ir tādas, ka antena ir tieši saskaņota ar taisngriezi, nevis 50 Ω standartu, kas prasa samazināt vai likvidēt saskaņošanas ķēdi, lai barotu taisngriezi. Šajā sadaļā ir apskatītas priekšrocības, ko sniedz SoA taisnstūris ar antenām, kas nav 50 Ω, un taisnstūres bez atbilstošiem tīkliem.
1. Elektriski mazas antenas
LC rezonanses gredzenu antenas ir plaši izmantotas lietojumos, kur sistēmas izmērs ir kritisks. Frekvencēs, kas zemākas par 1 GHz, viļņa garums var likt standarta sadalīto elementu antenām aizņemt vairāk vietas nekā sistēmas kopējais izmērs, un tādas lietojumprogrammas kā pilnībā integrēti ķermeņa implantu raiduztvērēji īpaši gūst labumu no elektriski mazu antenu izmantošanas WPT.
Mazās antenas augsto induktīvo pretestību (tuvu rezonansi) var izmantot, lai tieši savienotu taisngriezi vai ar papildu mikroshēmas kapacitatīvo saskaņošanas tīklu. Ir ziņots par elektriski mazām antenām WPT ar LP un CP zem 1 GHz, izmantojot Huygens dipola antenas, ar ka = 0,645, bet ka = 5,91 normālos dipolos (ka = 2πr / λ0).
2. Taisngrieža konjugāta antena
Tipiskā diodes ieejas pretestība ir ļoti kapacitatīva, tāpēc, lai sasniegtu konjugāta pretestību, ir nepieciešama induktīvā antena. Mikroshēmas kapacitatīvās pretestības dēļ RFID tagos ir plaši izmantotas augstas pretestības induktīvās antenas. Dipola antenas nesen ir kļuvušas par tendenci sarežģītās pretestības RFID antenās, kurām ir augsta pretestība (pretestība un pretestība) tuvu to rezonanses frekvencei.
Induktīvās dipola antenas ir izmantotas, lai saskaņotu taisngrieža augsto kapacitāti interesējošajā frekvenču joslā. Salocītā dipola antenā dubultā īsā līnija (dipola locīšana) darbojas kā pretestības transformators, ļaujot izveidot ārkārtīgi augstas pretestības antenu. Alternatīvi, nobīdes barošana ir atbildīga par induktīvās pretestības palielināšanu, kā arī faktisko pretestību. Apvienojot vairākus nobīdītus dipola elementus ar nelīdzsvarotām tauriņu radiālajām izvadēm, veidojas dubultā platjoslas augstas pretestības antena. 4. attēlā parādītas dažas ziņotās taisngrieža konjugētās antenas.
4. attēls
Radiācijas raksturlielumi RFEH un WPT
Friis modelī jauda PRX, ko saņem antena attālumā d no raidītāja, ir tieša uztvērēja un raidītāja pastiprinājuma (GRX, GTX) funkcija.
Antenas galvenās daivas virziens un polarizācija tieši ietekmē no krītošā viļņa savāktās jaudas daudzumu. Antenas starojuma raksturlielumi ir galvenie parametri, kas atšķir apkārtējās vides RFEH un WPT (5. attēls). Lai gan abos lietojumos izplatīšanās vide var nebūt zināma un ir jāņem vērā tā ietekme uz uztverto vilni, zināšanas par raidošo antenu var izmantot. 3. tabulā ir norādīti šajā sadaļā aplūkotie galvenie parametri un to piemērojamība RFEH un WPT.
5. attēls
1. Virzība un ieguvums
Lielākajā daļā RFEH un WPT lietojumu tiek pieņemts, ka kolektors nezina krītošā starojuma virzienu un nav redzamības (LoS) ceļa. Šajā darbā ir izpētīti vairāki antenu dizaini un izvietojumi, lai maksimāli palielinātu saņemto jaudu no nezināma avota neatkarīgi no galvenās daivas izlīdzināšanas starp raidītāju un uztvērēju.
Daudzvirzienu antenas ir plaši izmantotas vides RFEH taisnstūrī. 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 lietojumprogrammām ir plaši ziņots par augsta pastiprinājuma virziena antenām un blokiem mikroviļņu WPT, lai uzlabotu zema RF jaudas blīvuma savākšanas efektivitāti vai pārvarētu izplatīšanās zudumus. Yagi-Uda rektennas masīvi, tauriņu masīvi, spirālveida masīvi, cieši saistīti Vivaldi masīvi, CPW CP masīvi un ielāpu masīvi ir vieni no mērogojamiem taisnstūra masīviem, kas var maksimāli palielināt incidenta jaudas blīvumu noteiktā apgabalā. Citas pieejas antenas pastiprinājuma uzlabošanai ietver substrātu integrēto viļņvada (SIW) tehnoloģiju mikroviļņu un milimetru viļņu joslās, kas raksturīgas WPT. Tomēr lielas pastiprināšanas taisnajām līnijām ir raksturīgs šaurs staru kūļa platums, kas padara viļņu uztveršanu patvaļīgos virzienos neefektīvu. Izpētot antenas elementu un pieslēgvietu skaitu, tika secināts, ka augstāka virzība neatbilst lielākai noņemtajai jaudai apkārtējā RFEH, pieņemot trīsdimensiju patvaļīgu biežumu; tas tika pārbaudīts ar lauka mērījumiem pilsētvidē. Augsta pastiprinājuma masīvus var ierobežot līdz WPT lietojumprogrammām.
Lai pārnestu augstas pastiprinājuma antenu priekšrocības uz patvaļīgiem RFEH, tiek izmantoti iepakojuma vai izkārtojuma risinājumi, lai pārvarētu virzības problēmu. Tiek piedāvāta divu plāksteru antenas aproce, lai iegūtu enerģiju no apkārtējās vides Wi-Fi RFEH divos virzienos. Apkārtējās mobilās RFEH antenas ir arī veidotas kā 3D kastes un drukātas vai piestiprinātas pie ārējām virsmām, lai samazinātu sistēmas laukumu un nodrošinātu daudzvirzienu ražas novākšanu. Kubiskām taisnās zarnas struktūrām ir lielāka enerģijas uztveršanas iespējamība apkārtējās vides RFEH.
Lai uzlabotu WPT pie 2,4 GHz, 4 × 1 blokiem, tika veikti antenas konstrukcijas uzlabojumi, lai palielinātu staru kūļa platumu, tostarp papildu parazītu plākstera elementi. Tika piedāvāta arī 6 GHz tīkla antena ar vairākiem staru apgabaliem, demonstrējot vairākus starus katrā portā. Daudzvirzienu un daudzpolarizētai RFEH ir ierosinātas vairāku portu, vairāku taisngriežu virsmas taisnes un enerģijas savākšanas antenas ar daudzvirzienu starojuma modeļiem. Ir ierosināti arī vairāki taisngrieži ar staru kūļa formēšanas matricām un vairāku portu antenu blokiem liela pastiprinājuma daudzvirzienu enerģijas ieguvei.
Rezumējot, lai gan liela pastiprinājuma antenas dod priekšroku, lai uzlabotu jaudu, kas iegūta no zema RF blīvuma, ļoti virziena uztvērēji var nebūt ideāli piemēroti lietojumos, kur raidītāja virziens nav zināms (piemēram, apkārtējā RFEH vai WPT, izmantojot nezināmus izplatīšanās kanālus). Šajā darbā tiek piedāvātas vairākas daudzstaru pieejas daudzvirzienu augsta pastiprinājuma WPT un RFEH.
2. Antenas polarizācija
Antenas polarizācija apraksta elektriskā lauka vektora kustību attiecībā pret antenas izplatīšanās virzienu. Polarizācijas neatbilstība var izraisīt pārraides/uztveršanas samazināšanos starp antenām pat tad, ja galvenās daivas virzieni ir saskaņoti. Piemēram, ja pārraidei tiek izmantota vertikāla LP antena un uztveršanai tiek izmantota horizontāla LP antena, strāva netiks saņemta. Šajā sadaļā ir apskatītas ziņotās metodes bezvadu uztveršanas efektivitātes palielināšanai un polarizācijas neatbilstības zudumu novēršanai. Piedāvātās taisnās zarnas arhitektūras kopsavilkums attiecībā uz polarizāciju ir sniegts 6. attēlā, bet SoA piemērs ir sniegts 4. tabulā.
6. attēls
Maz ticams, ka mobilajos sakaros tiks panākta lineāra polarizācijas izlīdzināšana starp bāzes stacijām un mobilajiem tālruņiem, tāpēc bāzes staciju antenas ir veidotas tā, lai tās būtu divpolarizētas vai multipolarizētas, 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, šūnu RFEH antenas ir konstruētas kā LP antenas.
CP rectennas galvenokārt izmanto WPT, jo tie ir salīdzinoši izturīgi pret neatbilstību. CP antenas spēj uztvert CP starojumu ar tādu pašu rotācijas virzienu (kreisās vai labās puses CP) papildus visiem LP viļņiem bez jaudas zuduma. Jebkurā gadījumā CP antena raida un LP antena saņem ar 3 dB zudumu (50% jaudas zudums). Tiek ziņots, ka CP rectennas ir piemērotas 900 MHz un 2,4 GHz un 5,8 GHz rūpnieciskajām, zinātniskajām un medicīnas joslām, kā arī milimetru viļņiem. Patvaļīgi polarizētu viļņu RFEH gadījumā polarizācijas daudzveidība ir potenciāls risinājums polarizācijas neatbilstības zudumiem.
Pilna polarizācija, kas pazīstama arī kā multipolarizācija, ir ierosināta, lai pilnībā pārvarētu polarizācijas neatbilstības zudumus, ļaujot savākt gan CP, gan LP viļņus, kur divi divpolarizēti ortogonālie LP elementi efektīvi saņem visus LP un CP viļņus. Lai to ilustrētu, vertikālie un horizontālie tīkla spriegumi (VV un VH) paliek nemainīgi neatkarīgi no polarizācijas leņķa:
CP elektromagnētiskā viļņa “E” elektriskais lauks, kurā jauda tiek savākta divas reizes (vienu reizi katrā vienībā), tādējādi pilnībā uztverot CP komponentu un pārvarot 3 dB polarizācijas neatbilstības zudumu:
Visbeidzot, izmantojot līdzstrāvas kombināciju, var saņemt patvaļīgas polarizācijas viļņus. 7. attēlā parādīta ziņotās pilnībā polarizētās taisnās līnijas ģeometrija.
7. attēls
Rezumējot, WPT lietojumprogrammās ar īpašiem barošanas avotiem priekšroka tiek dota CP, jo tas uzlabo WPT efektivitāti neatkarīgi no antenas polarizācijas leņķa. No otras puses, vairāku avotu iegūšanai, īpaši no apkārtējiem avotiem, pilnībā polarizētas antenas var nodrošināt labāku vispārējo uztveršanu un maksimālu pārnesamību; Lai apvienotu pilnībā polarizētu jaudu pie RF vai līdzstrāvas, ir nepieciešamas vairāku portu/vairāku taisngriežu arhitektūras.
Kopsavilkums
Šajā rakstā ir aplūkots nesenais progress RFEH un WPT antenu projektēšanā un ierosināta standarta klasifikācija antenas dizainam RFEH un WPT, kas nav ierosināta iepriekšējā literatūrā. Ir noteiktas trīs galvenās antenas prasības, lai sasniegtu augstu RF-līdzstrāvas efektivitāti:
1. Antenas taisngrieža pretestības joslas platums interesējošajām RFEH un WPT joslām;
2. Galvenās daivas izlīdzināšana starp raidītāju un uztvērēju WPT no speciālas padeves;
3. Polarizācijas saskaņošana starp taisnstūri un krītošo vilni neatkarīgi no leņķa un stāvokļa.
Pamatojoties uz pretestību, taisngrieži tiek klasificēti 50 Ω un taisngriežu konjugētās taisnstūrēs, koncentrējoties uz pretestības saskaņošanu starp dažādām joslām un slodzēm un katras saskaņošanas metodes efektivitāti.
SoA taisno staru starojuma raksturlielumi ir pārskatīti no virziena un polarizācijas viedokļa. Tiek apspriestas metodes, kā uzlabot staru kūļa formēšanu un iesaiņošanu, lai pārvarētu šauru staru kūļa platumu. Visbeidzot, tiek pārskatītas WPT CP taisnās līnijas, kā arī dažādas ieviešanas, lai panāktu no polarizācijas neatkarīgu WPT un RFEH uztveršanu.
Lai uzzinātu vairāk par antenām, lūdzu, apmeklējiet:
Publicēšanas laiks: 16. augusts 2024
