Anten-Doğrultucu Ortak Tasarımı
Şekil 2'deki EG topolojisini izleyen rektanelerin özelliği, antenin, doğrultucuya güç sağlamak için eşleştirme devresinin en aza indirilmesini veya ortadan kaldırılmasını gerektiren 50Ω standardı yerine, doğrudan doğrultucuya eşleştirilmesidir. Bu bölüm, 50Ω olmayan antenlere sahip SoA rektanelerinin ve eşleştirme ağları olmayan rektanelerin avantajlarını incelemektedir.
1. Elektriksel Olarak Küçük Antenler
LC rezonanslı halka antenler, sistem boyutunun kritik olduğu uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. 1 GHz'in altındaki frekanslarda, dalga boyu standart dağıtılmış elemanlı antenlerin sistemin toplam 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 çip üzerinde ek bir kapasitif eşleştirme ağı kullanmak için kullanılabilir. Huygens dipol antenler kullanılarak 1 GHz'in altındaki LP ve CP'li WPT'de elektriksel olarak küçük antenler bildirilmiştir; ka=0,645 iken, normal dipollerde ka=5,91'dir (ka=2πr/λ0).
2. Doğrultucu eşlenik anten
Bir diyotun tipik giriş empedansı oldukça kapasitiftir, bu nedenle eşlenik empedansa ulaşmak için endüktif bir anten gereklidir. Çipin kapasitif empedansı nedeniyle, yüksek empedanslı endüktif antenler RFID etiketlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Dipol antenler, rezonans frekanslarına yakın yüksek empedans (direnç ve reaktans) sergileyen karmaşık empedanslı RFID antenlerinde son zamanlarda trend haline gelmiştir.
İlgili frekans bandındaki doğrultucunun yüksek kapasitansına uyum sağlamak için endüktif dipol antenler kullanılmıştır. Katlanmış bir dipol antende, çift kısa hat (dipol katlama) bir empedans transformatörü görevi görerek son derece yüksek empedanslı bir anten tasarımına olanak tanır. Alternatif olarak, öngerilim beslemesi, hem endüktif reaktansı hem de gerçek empedansı artırmaktan sorumludur. Birden fazla öngerilimli dipol elemanının dengesiz papyon radyal uçlarla birleştirilmesi, çift geniş bantlı yüksek empedanslı bir anten oluşturur. Şekil 4, bildirilen bazı doğrultucu konjuge antenlerini göstermektedir.
Şekil 4
RFEH ve WPT'deki radyasyon özellikleri
Friis modelinde, vericiden d uzaklıktaki bir antenin aldığı 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 ile WPT arasındaki farkı belirleyen temel parametrelerdir (Şekil 5). Her iki uygulamada da yayılma ortamı bilinmeyebilir ve alınan dalga üzerindeki etkisi dikkate alınmalıdır; ancak verici antenin bilgisinden yararlanılabilir. Tablo 3, bu bölümde ele alınan temel parametreleri ve bunların RFEH ve WPT'ye uygulanabilirliğini belirtmektedir.
Şekil 5
1. Yönlülük ve Kazanç
Çoğu RFEH ve WPT uygulamasında, toplayıcının gelen radyasyonun 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 çeşitli anten tasarımları ve yerleşimleri incelenmiştir.
Çok yönlü antenler, çevresel RFEH rektannalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Literatürde, PSD'nin antenin yönüne bağlı olarak değiştiği görülmektedir. Ancak, güçteki değişim açıklanmadığından, değişimin antenin radyasyon örüntüsünden 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 rektifiye edici dizileri, bowtie dizileri, spiral diziler, sıkı bağlı Vivaldi dizileri, CPW CP dizileri ve yama dizileri, belirli bir alandaki gelen güç yoğunluğunu en üst düzeye çıkarabilen ölçeklenebilir rektifiye edici 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 rektifiye ediciler dar ışın genişlikleriyle karakterize edilir ve bu da keyfi yönlerdeki dalgaların alımını verimsiz hale getirir. Anten elemanları ve port sayısı üzerine yapılan araştırmalar, üç boyutlu keyfi olay varsayıldığında, ortam RFEH'sinde daha yüksek yönlülüğün 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 avantajlarını rastgele RFEH'lere aktarmak için, yönlendirme sorununu aşmak amacıyla paketleme veya yerleşim çözümleri kullanılır. Ortam Wi-Fi RFEH'lerinden iki yönde enerji toplamak için çift yama antenli bir bileklik önerilmektedir. Ortam hücresel RFEH antenleri de 3B kutular halinde tasarlanır ve sistem alanını azaltmak ve çok yönlü veri toplamayı sağlamak için dış yüzeylere basılır veya yapıştırılır. Kübik rektenna yapıları, ortam RFEH'lerinde daha yüksek enerji alım olasılığı sergiler.
2,4 GHz, 4 × 1 dizilerde WPT'yi iyileştirmek için, yardımcı parazitik yama elemanları da dahil olmak üzere, ışın genişliğini artırmak üzere anten tasarımında iyileştirmeler yapılmıştır. Ayrıca, port başına birden fazla ışın gösteren, birden fazla ışın bölgesine sahip 6 GHz'lik bir ağ anteni önerilmiştir. Çok yönlü ve çok kutuplu RFEH için, çok portlu, çok doğrultuculu yüzey rektannaları ve çok yönlü radyasyon desenlerine sahip enerji hasadı antenleri önerilmiştir. Yüksek kazançlı, çok yönlü enerji hasadı için, ışın oluşturma matrislerine sahip çok doğrultucular ve çok portlu anten dizileri de önerilmiştir.
Özetle, düşük RF yoğunluklarından elde edilen gücü iyileştirmek için yüksek kazançlı antenler tercih edilirken, verici yönünün bilinmediği uygulamalarda (örneğin, ortam RFEH veya bilinmeyen yayılım kanallarından 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 hizalı olsa bile antenler arasında iletim/alım veriminin azalmasına yol açabilir. Örneğin, iletim için dikey bir LP anteni ve alım için yatay bir LP anteni kullanılırsa, güç alımı gerçekleşmez. Bu bölümde, kablosuz alım verimliliğini en üst düzeye çıkarmak ve polarizasyon uyumsuzluğu kayıplarını önlemek için bildirilen yöntemler incelenmektedir. Önerilen rektifiye edici anten mimarisinin polarizasyon açısından özeti Şekil 6'da, bir SoA örneği ise Tablo 4'te verilmiştir.
Şekil 6
Hücresel iletişimde, baz istasyonları ve cep telefonları arasında doğrusal polarizasyon hizalaması elde edilmesi pek olası olmadığından, baz istasyonu antenleri polarizasyon uyumsuzluğu kayıplarını önlemek için çift polarizasyonlu veya çok polarizasyonlu olarak tasarlanır. Ancak, çoklu yol etkilerinden kaynaklanan LP dalgalarının polarizasyon değişimi hala çözülememiş bir sorundur. Çok polarizasyonlu mobil baz istasyonları varsayımına dayanarak, hücresel RFEH antenleri LP antenleri olarak tasarlanır.
CP rektanları, uyumsuzluğa nispeten dirençli oldukları için çoğunlukla WPT'de kullanılır. CP antenleri, tüm LP dalgalarına ek olarak aynı dönüş yönüne (sol veya sağ elli CP) sahip CP radyasyonunu güç kaybı olmadan alabilir. Her durumda, CP anteni 3 dB kayıpla (%50 güç kaybı) iletim yapar ve LP anteni alım yapar. CP rektanlarının 900 MHz, 2,4 GHz ve 5,8 GHz endüstriyel, bilimsel ve tıbbi bantların yanı sıra milimetre dalgaları için de uygun olduğu bildirilmektedir. Rastgele polarize dalgaların RFEH'sinde, polarizasyon çeşitliliği, polarizasyon uyumsuzluğu kayıplarına potansiyel bir çözüm sunar.
Çoklu polarizasyon olarak da bilinen tam polarizasyon, polarizasyon uyumsuzluk kayıplarını tamamen ortadan kaldırarak hem CP hem de LP dalgalarının toplanmasını mümkün kılar ve iki çift polarize ortogonal LP elemanının tüm LP ve CP dalgalarını etkili bir şekilde almasını sağlar. Bunu örneklendirmek gerekirse, 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 sayesinde, keyfi polarizasyona sahip gelen dalgalar alınabilir. Şekil 7, bildirilen tam polarize rektifiye edici antenlerin 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 gelen çok kaynaklı alımlarda, tamamen polarize antenler daha iyi genel alım ve maksimum taşınabilirlik sağlayabilir; RF veya DC'de tamamen polarize gücü birleştirmek için çok portlu/çoklu doğrultucu mimarileri gereklidir.
Özet
Bu makale, RFEH ve WPT için anten tasarımındaki son gelişmeleri incelemekte ve daha önceki literatürde önerilmemiş, RFEH ve WPT için standart bir anten tasarımı sınıflandırması önermektedir. Yüksek RF-DC verimliliğine ulaşmak için üç temel anten gereksinimi şu şekilde belirlenmiştir:
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 rektanlar ile gelen dalga arasındaki polarizasyon uyumu.
Empedansa göre, rektifiye edici antenler 50Ω ve doğrultucu eşlenik rektifiye edici antenler olarak sınıflandırılır ve odak noktası farklı bantlar ve yükler arasındaki empedans uyumu ve her bir uyum yönteminin verimliliğidir.
SoA rektanlarının radyasyon özellikleri, yönlülük ve polarizasyon açısından incelenmiştir. Dar ışın genişliğini aşmak için ışın oluşturma ve paketleme yoluyla kazancı artırma yöntemleri tartışılmıştır. Son olarak, WPT için CP rektanları ve WPT ve RFEH için polarizasyondan bağımsız alım elde etmek için çeşitli uygulamalar incelenmiştir.
Antenler hakkında daha fazla bilgi edinmek için lütfen şu adresi ziyaret edin:
Gönderi zamanı: 16 Ağustos 2024
