Anten-Doğrultucu Ortak Tasarımı
Şekil 2'deki EG topolojisini izleyen rektifiyelerin karakteristiği, antenin 50Ω standardı yerine doğrudan rektifiyere eşleştirilmesidir; bu da rektifiyere güç sağlamak için eşleştirme devresinin en aza indirilmesini veya ortadan kaldırılmasını gerektirir. Bu bölüm, 50Ω olmayan antenlere sahip SoA rektifiyelerinin ve eşleştirme ağları olmayan rektifiyelerin avantajlarını inceler.
1. Elektriksel Olarak Küçük Antenler
LC rezonanslı halka antenler, sistem boyutunun kritik olduğu uygulamalarda yaygın olarak kullanılmıştır. 1 GHz'in altındaki frekanslarda, dalga boyu standart dağıtılmış eleman antenlerinin sistemin genel boyutundan daha fazla yer kaplamasına neden olabilir ve vücut implantları için tam entegre alıcı-vericiler gibi uygulamalar özellikle WPT için elektriksel olarak küçük antenlerin kullanımından faydalanır.
Küçük antenin yüksek endüktif empedansı (rezonansa yakın) doğrultucuyu doğrudan bağlamak veya ek bir çip üstü kapasitif eşleştirme ağı ile kullanılabilir. Huygens dipol antenleri kullanılarak LP ve CP ile 1 GHz'in altındaki WPT'de elektriksel olarak küçük antenler bildirilmiştir, ka=0.645 iken normal dipollerde ka=5.91 (ka=2πr/λ0).
2. Doğrultucu eşlenik anten
Bir diyotun tipik giriş empedansı oldukça kapasitiftir, bu nedenle eşlenik empedansı elde etmek için endüktif bir anten gerekir. Çipin kapasitif empedansı nedeniyle, yüksek empedanslı endüktif antenler RFID etiketlerinde yaygın olarak kullanılmıştır. Dipol antenler, rezonans frekanslarına yakın yüksek empedans (direnç ve reaktans) sergileyerek karmaşık empedanslı RFID antenlerinde son zamanlarda bir trend haline gelmiştir.
İlgi duyulan frekans bandında doğrultucunun yüksek kapasitansına uyum sağlamak için endüktif dipol antenler kullanılmıştır. Katlanmış bir dipol antende, çift kısa hat (dipol katlama) bir empedans transformatörü olarak işlev görerek son derece yüksek empedanslı bir antenin tasarlanmasına olanak tanır. Alternatif olarak, önyargı beslemesi hem endüktif reaktansı hem de gerçek empedansı artırmaktan sorumludur. Birden fazla önyargılı dipol elemanını dengesiz papyon radyal çıkıntılarla birleştirmek, çift geniş bantlı yüksek empedanslı bir anten oluşturur. Şekil 4, bildirilen bazı doğrultucu eşlenik antenlerini göstermektedir.
Şekil 4
RFEH ve WPT'deki radyasyon özellikleri
Friis modelinde, vericiden d uzaklıktaki bir antenin aldığı güç PRX, alıcı ve verici kazanımlarının (GRX, GTX) doğrudan bir fonksiyonudur.
Antenin ana lob yönlendirmesi ve polarizasyonu, olay dalgasından toplanan güç miktarını doğrudan etkiler. Anten radyasyon özellikleri, ortam RFEH ile WPT arasındaki farkı belirleyen temel parametrelerdir (Şekil 5). Her iki uygulamada da yayılma ortamı bilinmese ve alınan dalga üzerindeki etkisi dikkate alınması gerekse de, ileten antenin bilgisi kullanılabilir. Tablo 3, bu bölümde tartışılan temel parametreleri ve bunların RFEH ve WPT'ye uygulanabilirliğini belirtir.
Şekil 5
1. Yönlendirme ve Kazanç
Çoğu RFEH ve WPT uygulamasında, toplayıcının olay radyasyonunun yönünü bilmediği ve görüş hattı (LoS) yolu olmadığı varsayılır. Bu çalışmada, verici ve alıcı arasındaki ana lob hizalamasından bağımsız olarak bilinmeyen bir kaynaktan alınan gücü en üst düzeye çıkarmak için birden fazla anten tasarımı ve yerleşimi araştırılmıştır.
Çok yönlü antenler çevresel RFEH rektannalarında yaygın olarak kullanılmıştır. Literatürde, PSD antenin yönelimine bağlı olarak değişmektedir. Ancak, güçteki değişim açıklanmamıştır, bu nedenle değişimin antenin radyasyon deseninden mi yoksa polarizasyon uyumsuzluğundan mı kaynaklandığını belirlemek mümkün değildir.
RFEH uygulamalarına ek olarak, düşük RF güç yoğunluğunun toplama verimliliğini artırmak veya yayılma kayıplarını aşmak için mikrodalga WPT için yüksek kazançlı yönlü antenler ve diziler yaygın olarak bildirilmiştir. Yagi-Uda rektenna dizileri, bowtie dizileri, spiral diziler, sıkı bir şekilde birleştirilmiş Vivaldi dizileri, CPW CP dizileri ve yama dizileri, belirli bir alandaki olay güç yoğunluğunu en üst düzeye çıkarabilen ölçeklenebilir rektenna uygulamaları arasındadır. Anten kazancını iyileştirmeye yönelik diğer yaklaşımlar arasında, WPT'ye özgü mikrodalga ve milimetre dalga bantlarında alt tabaka entegre dalga kılavuzu (SIW) teknolojisi yer alır. Ancak, yüksek kazançlı rektennalar dar ışın genişlikleriyle karakterize edilir ve bu da keyfi yönlerdeki dalgaların alınmasını verimsiz hale getirir. Anten elemanları ve portlarının sayısıyla ilgili araştırmalar, daha yüksek yönlülüğün üç boyutlu keyfi olay varsayıldığında ortam RFEH'inde daha yüksek hasat edilen güce karşılık gelmediği sonucuna varmıştır; bu, kentsel ortamlardaki saha ölçümleriyle doğrulanmıştır. Yüksek kazançlı diziler WPT uygulamalarıyla sınırlı olabilir.
Yüksek kazançlı antenlerin faydalarını keyfi RFEH'lere aktarmak için, yönlendirme sorununu aşmak için paketleme veya düzen çözümleri kullanılır. İki yönde ortam Wi-Fi RFEH'lerinden enerji toplamak için çift yama anten bilekliği önerilir. Ortam hücresel RFEH antenleri ayrıca 3B kutular olarak tasarlanır ve sistem alanını azaltmak ve çok yönlü toplamayı sağlamak için harici yüzeylere basılır veya yapıştırılır. Kübik rektanna yapıları, ortam RFEH'lerinde daha yüksek enerji alma olasılığı gösterir.
2,4 GHz, 4 × 1 dizilerde WPT'yi iyileştirmek için yardımcı parazitik yama elemanları da dahil olmak üzere ışın genişliğini artırmak için anten tasarımında iyileştirmeler yapıldı. Ayrıca, port başına birden fazla ışın gösteren, birden fazla ışın bölgesine sahip 6 GHz'lik bir örgü anten önerildi. Çok yönlü ve çok kutuplu RFEH için çok portlu, çok doğrultucu yüzey rektanları ve çok yönlü radyasyon desenlerine sahip enerji hasadı antenleri önerildi. Yüksek kazançlı, çok yönlü enerji hasadı için ışın oluşturma matrislerine sahip çoklu doğrultucular ve çok portlu anten dizileri de önerildi.
Özetle, düşük RF yoğunluklarından elde edilen gücü iyileştirmek için yüksek kazançlı antenler tercih edilirken, verici yönünün bilinmediği uygulamalarda (örneğin, ortam RFEH veya bilinmeyen yayılma kanalları üzerinden WPT) yüksek yönlü alıcılar ideal olmayabilir. Bu çalışmada, çok yönlü yüksek kazançlı WPT ve RFEH için çoklu çok ışınlı yaklaşımlar önerilmiştir.
2. Anten Polarizasyonu
Anten polarizasyonu, elektrik alan vektörünün anten yayılma yönüne göre hareketini tanımlar. Polarizasyon uyumsuzlukları, ana lob yönleri hizalanmış olsa bile antenler arasında iletim/alımın azalmasına yol açabilir. Örneğin, iletim için dikey bir LP anteni ve alım için yatay bir LP anteni kullanılırsa, güç alınmayacaktır. Bu bölümde, kablosuz alım verimliliğini en üst düzeye çıkarmak ve polarizasyon uyumsuzluğu kayıplarından kaçınmak için bildirilen yöntemler incelenmektedir. Polarizasyon açısından önerilen rektan mimarisinin bir özeti Şekil 6'da ve bir örnek SoA Tablo 4'te verilmiştir.
Şekil 6
Hücresel iletişimlerde, baz istasyonları ile cep telefonları arasında doğrusal polarizasyon hizalaması elde edilmesi pek olası değildir, bu nedenle baz istasyonu antenleri polarizasyon uyumsuzluk kayıplarını önlemek için çift polarize veya çok polarize olacak şekilde tasarlanır. Ancak, çoklu yol etkilerinden kaynaklanan LP dalgalarının polarizasyon değişimi çözülememiş bir sorun olmaya devam etmektedir. Çok polarize mobil baz istasyonları varsayımına dayanarak, hücresel RFEH antenleri LP antenleri olarak tasarlanır.
CP rektannalar çoğunlukla WPT'de kullanılır çünkü uyumsuzluğa karşı nispeten dirençlidirler. CP antenler, güç kaybı olmadan tüm LP dalgalarına ek olarak aynı dönüş yönüne (sol veya sağ elli CP) sahip CP radyasyonunu alabilir. Her durumda, CP anteni 3 dB kayıpla (güç kaybının %50'si) iletir ve LP anteni alır. CP rektannaların 900 MHz ve 2,4 GHz ve 5,8 GHz endüstriyel, bilimsel ve tıbbi bantların yanı sıra milimetre dalgaları için uygun olduğu bildirilmiştir. Keyfi olarak polarize edilmiş dalgaların RFEH'sinde, polarizasyon çeşitliliği polarizasyon uyumsuzluğu kayıplarına potansiyel bir çözüm sunar.
Tam polarizasyon, çoklu polarizasyon olarak da bilinir, polarizasyon uyumsuzluk kayıplarını tamamen aşmak için önerilmiştir ve bu da hem CP hem de LP dalgalarının toplanmasını sağlar, burada iki çift polarize ortogonal LP elemanı tüm LP ve CP dalgalarını etkili bir şekilde alır. Bunu göstermek için, dikey ve yatay net voltajlar (VV ve VH) polarizasyon açısından bağımsız olarak sabit kalır:
Gücün iki kez (birim başına bir kez) toplandığı, böylece CP bileşeninin tam olarak alındığı ve 3 dB polarizasyon uyumsuzluğu kaybının aşıldığı CP elektromanyetik dalga “E” elektrik alanı:
Son olarak, DC kombinasyonu aracılığıyla, keyfi polarizasyon olay dalgaları alınabilir. Şekil 7, bildirilen tam polarize rektanın geometrisini göstermektedir.
Şekil 7
Özetle, özel güç kaynaklarına sahip WPT uygulamalarında, antenin polarizasyon açısından bağımsız olarak WPT verimliliğini artırdığı için CP tercih edilir. Öte yandan, özellikle ortam kaynaklarından çok kaynaklı edinimde, tamamen polarize antenler daha iyi genel alım ve maksimum taşınabilirlik elde edebilir; RF veya DC'de tamamen polarize gücü birleştirmek için çok portlu/çoklu doğrultucu mimarileri gerekir.
Özet
Bu makale, RFEH ve WPT için anten tasarımındaki son gelişmeleri gözden geçiriyor ve daha önceki literatürde önerilmemiş olan RFEH ve WPT için standart bir anten tasarımı sınıflandırması öneriyor. Yüksek RF-DC verimliliğine ulaşmak için üç temel anten gereksinimi şu şekilde tanımlanmıştır:
1. İlgi duyulan RFEH ve WPT bantları için anten doğrultucu empedans bant genişliği;
2. WPT'de verici ve alıcı arasındaki ana lob hizalaması özel bir beslemeden;
3. Açı ve konumdan bağımsız olarak rektan ile gelen dalga arasındaki polarizasyon uyumu.
Empedanslarına göre rektifiye edici antenler, farklı bantlar ve yükler arasındaki empedans uyumuna ve her uyumlaştırma yönteminin verimliliğine odaklanılarak 50Ω ve doğrultucu eşlenik rektifiye edici antenler olarak sınıflandırılır.
SoA rektanlarının radyasyon özellikleri, yönlendirme ve polarizasyon perspektifinden incelenmiştir. Dar ışın genişliğini aşmak için huzme oluşturma ve paketleme yoluyla kazancı iyileştirme yöntemleri tartışılmıştır. Son olarak, WPT için CP rektanları, WPT ve RFEH için polarizasyondan bağımsız alım elde etmek için çeşitli uygulamalarla birlikte incelenmiştir.
Antenler hakkında daha fazla bilgi edinmek için lütfen şu adresi ziyaret edin:
Gönderi zamanı: 16-Ağu-2024
