Anten-Doğrultucu Ortak Tasarımı
Şekil 2'deki EG topolojisini takip eden rektennaların özelliği, doğrultucuya güç sağlamak için eşleştirme devresini en aza indirmeyi veya ortadan kaldırmayı gerektiren 50Ω standardı yerine antenin doğrudan doğrultucuyla eşleştirilmesidir. Bu bölümde, 50Ω olmayan antenlere sahip SoA retennalarının ve eşleşen ağları olmayan retennaların avantajları gözden geçirilmektedir.
1. Elektrik Açısından Küçük Antenler
LC rezonans halka antenleri, sistem boyutunun kritik olduğu uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. 1 GHz'in altındaki frekanslarda dalga boyu, standart dağıtılmış elemanlı antenlerin sistemin genel boyutundan daha fazla yer kaplamasına neden olabilir ve vücut implantları için tam entegre alıcı-vericiler gibi uygulamalar, WPT için elektriksel olarak küçük antenlerin kullanımından özellikle fayda sağlar.
Küçük antenin yüksek endüktif empedansı (rezonansa yakın), doğrultucuyu doğrudan bağlamak için veya ek bir çip üzeri kapasitif eşleştirme ağı ile kullanılabilir. Huygens dipol antenleri kullanılarak WPT'de LP ve CP'nin 1 GHz'in altında olduğu, ka=0,645 ve normal dipollerde ka=5,91 (ka=2πr/λ0) olan elektriksel olarak küçük antenler rapor edilmiştir.
2. Doğrultucu eşlenik anten
Bir diyotun tipik giriş empedansı oldukça kapasitiftir, dolayısıyla eşlenik empedansı elde etmek için endüktif bir anten gerekir. Çipin kapasitif empedansı nedeniyle, yüksek empedanslı endüktif antenler RFID etiketlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Dipol antenler son zamanlarda karmaşık empedanslı RFID antenlerinde bir trend haline geldi ve rezonans frekanslarının yakınında yüksek empedans (direnç ve reaktans) sergiliyor.
İlgili frekans bandındaki doğrultucunun yüksek kapasitansını eşleştirmek için endüktif dipol antenler kullanılmıştır. Katlanmış bir dipol antende, çift kısa hat (dipol katlama), bir empedans transformatörü gibi davranarak son derece yüksek empedanslı bir antenin tasarlanmasına olanak tanır. Alternatif olarak, öngerilim beslemesi hem endüktif reaktansın hem de gerçek empedansın arttırılmasından sorumludur. Çoklu öngerilimli çift kutuplu elemanların dengesiz papyonlu radyal saplamalarla birleştirilmesi, çift geniş bantlı yüksek empedanslı bir anten oluşturur. Şekil 4'te rapor edilen bazı doğrultucu eşlenik antenleri gösterilmektedir.
Şekil 4
RFEH ve WPT'de radyasyon özellikleri
Friis modelinde, vericiden d mesafesindeki bir anten tarafından alınan güç PRX, alıcı ve verici kazançlarının (GRX, GTX) doğrudan bir fonksiyonudur.
Antenin ana lob yönlülüğü ve polarizasyonu, gelen dalgadan toplanan güç miktarını doğrudan etkiler. Anten radyasyon özellikleri, ortam RFEH ve WPT'yi birbirinden ayıran temel parametrelerdir (Şekil 5). Her iki uygulamada da yayılma ortamı bilinmeyebilir ve alınan dalga üzerindeki etkisinin dikkate alınması gerekirken, verici anten bilgisinden faydalanılabilir. Tablo 3, bu bölümde tartışılan temel parametreleri ve bunların RFEH ve WPT'ye uygulanabilirliğini tanımlamaktadır.
Şekil 5
1. Yönelim ve Kazanç
Çoğu RFEH ve WPT uygulamasında, toplayıcının gelen radyasyonun yönünü bilmediği ve görüş hattı (LoS) yolunun olmadığı varsayılmaktadır. Bu çalışmada, verici ve alıcı arasındaki ana lob hizasından bağımsız olarak, bilinmeyen bir kaynaktan alınan gücü en üst düzeye çıkarmak için çoklu anten tasarımları ve yerleşimleri incelenmiştir.
Çok yönlü antenler çevresel RFEH antenlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Literatürde PSD, antenin yönüne bağlı olarak değişmektedir. Ancak güçteki değişiklik açıklanmadığından, bu değişikliğin antenin radyasyon düzeninden mi, yoksa polarizasyon uyumsuzluğundan mı kaynaklandığını belirlemek mümkün değildir.
RFEH uygulamalarına ek olarak, düşük RF güç yoğunluğunun toplama verimliliğini artırmak veya yayılma kayıplarının üstesinden gelmek için mikrodalga WPT'ye yönelik yüksek kazançlı yönlü antenler ve diziler yaygın olarak rapor edilmiştir. Yagi-Uda rectenna dizileri, papyon dizileri, spiral diziler, sıkı birleştirilmiş Vivaldi dizileri, CPW CP dizileri ve yama dizileri, belirli bir alan altında olay güç yoğunluğunu maksimuma çıkarabilen ölçeklenebilir rectenna uygulamaları arasındadır. Anten kazanımını iyileştirmeye yönelik diğer yaklaşımlar arasında, WPT'ye özgü mikrodalga ve milimetre dalga bantlarında substrat entegre dalga kılavuzu (SIW) teknolojisi yer alır. Bununla birlikte, yüksek kazançlı retennalar dar ışın genişlikleriyle karakterize edilir ve bu da dalgaların rastgele yönlerde alınmasını verimsiz hale getirir. Anten elemanlarının ve bağlantı noktalarının sayısına ilişkin araştırmalar, üç boyutlu rastgele geliş varsayımı altında, daha yüksek yönlülüğün, ortam RFEH'sinde daha yüksek hasat edilen güce karşılık gelmediği sonucuna varmıştır; bu kentsel ortamlardaki saha ölçümleriyle doğrulandı. Yüksek kazançlı diziler WPT uygulamalarıyla sınırlı olabilir.
Yüksek kazançlı antenlerin faydalarını isteğe bağlı RFEH'lere aktarmak için, yönlendirme sorununun üstesinden gelmek amacıyla paketleme veya yerleşim çözümleri kullanılır. Ortamdaki Wi-Fi RFEH'lerden enerjiyi iki yönde toplamak için çift yama antenli bir bileklik önerildi. Ortam hücresel RFEH antenleri de 3 boyutlu kutular olarak tasarlanır ve sistem alanını azaltmak ve çok yönlü toplamayı mümkün kılmak için harici yüzeylere basılır veya yapıştırılır. Kübik rectenna yapıları, ortamdaki RFEH'lerde enerji alımının daha yüksek olasılığını sergiler.
2,4 GHz, 4 × 1 dizilerde WPT'yi iyileştirmek için yardımcı parazitik yama elemanları dahil olmak üzere ışın genişliğini artırmaya yönelik anten tasarımında iyileştirmeler yapıldı. Bağlantı noktası başına birden fazla ışın gösteren, çoklu ışın bölgelerine sahip 6 GHz'lik bir ağ anteni de önerildi. Çok yönlü ve çok kutuplu RFEH için çok bağlantı noktalı, çok doğrultucu yüzey retennaları ve çok yönlü radyasyon modellerine sahip enerji toplayan antenler önerilmiştir. Yüksek kazançlı, çok yönlü enerji hasadı için hüzme oluşturan matrislere ve çok portlu anten dizilerine sahip çoklu doğrultucular da önerilmiştir.
Özetle, düşük RF yoğunluklarından toplanan gücü iyileştirmek için yüksek kazançlı antenler tercih edilirken, yüksek yönlü alıcılar, verici yönünün bilinmediği uygulamalarda (örneğin, bilinmeyen yayılma kanalları aracılığıyla ortam RFEH veya WPT) ideal olmayabilir. Bu çalışmada, çok yönlü yüksek kazançlı WPT ve RFEH için çoklu çok ışınlı yaklaşımlar önerilmektedir.
2. Anten Polarizasyonu
Anten polarizasyonu, elektrik alan vektörünün anten yayılma yönüne göre hareketini tanımlar. Polarizasyon uyumsuzlukları, ana lob yönleri hizalandığında bile antenler arasındaki iletim/alımın azalmasına neden olabilir. Örneğin, iletim için dikey bir LP anteni kullanılırsa ve alım için yatay bir LP anteni kullanılırsa, güç alınmayacaktır. Bu bölümde, kablosuz alım verimliliğini en üst düzeye çıkarmak ve polarizasyon uyumsuzluğu kayıplarını önlemek için bildirilen yöntemler gözden geçirilmektedir. Polarizasyona göre önerilen rektenna mimarisinin bir özeti Şekil 6'da verilmiştir ve bir SoA örneği Tablo 4'te verilmiştir.
Şekil 6
Hücresel iletişimde, baz istasyonları ve cep telefonları arasında doğrusal polarizasyon hizalamasının gerçekleştirilmesi pek olası değildir, bu nedenle baz istasyonu antenleri, polarizasyon uyumsuzluğu kayıplarını önlemek için çift kutuplu veya çok kutuplu olacak şekilde tasarlanmıştır. Bununla birlikte, çok yollu etkilere bağlı olarak LP dalgalarının polarizasyon değişimi çözülmemiş bir sorun olmaya devam etmektedir. Çok kutuplu mobil baz istasyonları varsayımına dayanarak hücresel RFEH antenleri LP antenleri olarak tasarlanmıştır.
CP antenleri çoğunlukla WPT'de kullanılır çünkü uyumsuzluğa nispeten dirençlidirler. CP antenleri, tüm LP dalgalarına ek olarak aynı dönüş yönüne sahip (sol veya sağ CP) CP radyasyonunu güç kaybı olmadan alabilir. Her durumda, CP anteni 3 dB'lik bir kayıpla (%50 güç kaybı) iletim yapar ve LP anteni alır. CP rectennalarının 900 MHz, 2,4 GHz ve 5,8 GHz endüstriyel, bilimsel ve tıbbi bantların yanı sıra milimetrik dalgalara da uygun olduğu bildiriliyor. Rastgele polarize edilmiş dalgaların RFEH'sinde polarizasyon çeşitliliği, polarizasyon uyumsuzluğu kayıplarına potansiyel bir çözümü temsil eder.
Çoklu polarizasyon olarak da bilinen tam polarizasyon, polarizasyon uyumsuzluğu kayıplarının tamamen üstesinden gelmek için önerilmiştir; bu, iki çift polarize ortogonal LP elemanının tüm LP ve CP dalgalarını etkili bir şekilde aldığı CP ve LP dalgalarının toplanmasını mümkün kılar. Bunu göstermek için dikey ve yatay net gerilimler (VV ve VH), polarizasyon açısından bağımsız olarak sabit kalır:
Gücün iki kez (birim başına bir kez) toplandığı, böylece CP bileşeninin tamamen alındığı ve 3 dB polarizasyon uyumsuzluğu kaybının aşıldığı CP elektromanyetik dalga “E” elektrik alanı:
Son olarak, DC kombinasyonu yoluyla, keyfi polarizasyonun olay dalgaları alınabilir. Şekil 7 rapor edilen tamamen polarize rectennanın geometrisini göstermektedir.
Şekil 7
Özetle, özel güç kaynaklarına sahip WPT uygulamalarında, antenin polarizasyon açısından bağımsız olarak WPT verimliliğini arttırdığı için CP tercih edilmektedir. Öte yandan, özellikle ortam kaynaklarından çok kaynaklı alımlarda, tamamen polarize antenler daha iyi genel alım ve maksimum taşınabilirlik sağlayabilir; RF veya DC'de tam polarize gücü birleştirmek için çok bağlantı noktalı/çok doğrultucu mimariler gereklidir.
Özet
Bu makale, RFEH ve WPT için anten tasarımındaki son gelişmeleri gözden geçirmekte ve RFEH ve WPT için önceki literatürde önerilmeyen standart bir anten tasarımı sınıflandırması önermektedir. Yüksek RF-DC verimliliği elde etmek için üç temel anten gereksinimi şu şekilde tanımlanmıştır:
1. İlgili RFEH ve WPT bantları için anten doğrultucu empedans bant genişliği;
2. Özel bir beslemeden WPT'de verici ve alıcı arasındaki ana lob hizalaması;
3. Açı ve konumdan bağımsız olarak rectenna ile gelen dalga arasındaki polarizasyon eşleşmesi.
Empedansa bağlı olarak, farklı bantlar ve yükler arasındaki empedans uyumuna ve her bir eşleştirme yönteminin verimliliğine odaklanılarak, rectenna'lar 50Ω ve redresör konjuge rectennalar olarak sınıflandırılır.
SoA rektennalarının radyasyon özellikleri, yönlendirme ve polarizasyon perspektifinden incelenmiştir. Dar ışın genişliğinin üstesinden gelmek için ışın oluşturma ve paketleme yoluyla kazancı artırma yöntemleri tartışılmaktadır. Son olarak, WPT ve RFEH için polarizasyondan bağımsız alım elde etmek amacıyla çeşitli uygulamalarla birlikte WPT için CP antenleri gözden geçirilmiştir.
Antenler hakkında daha fazla bilgi edinmek için lütfen şu adresi ziyaret edin:
Gönderim zamanı: Ağu-16-2024
