Антенна-түзеткіштің бірлескен дизайны
2-суреттегі EG топологиясын ұстанатын ректенналардың ерекшелігі - антенна түзеткішті қуаттандыру үшін сәйкес тізбекті азайтуды немесе жоюды қажет ететін 50Ω стандартына емес, түзеткішпен тікелей сәйкестендіріледі. Бұл бөлімде 50Ω емес антенналары бар SoA ректенналарының және сәйкес желілері жоқ ректенналардың артықшылықтары қарастырылады.
1. Электрлік жағынан шағын антенналар
LC резонанстық сақиналы антенналар жүйенің өлшемі маңызды болатын қолданбаларда кеңінен қолданылды. 1 ГГц-тен төмен жиіліктерде толқын ұзындығы стандартты таратылған элемент антенналарының жүйенің жалпы өлшемінен көбірек орын алуына әкелуі мүмкін, ал дене имплантаттарына арналған толық интеграцияланған қабылдағыш-таратқыштар сияқты қолданбалар WPT үшін электрлік шағын антенналарды пайдаланудан ерекше пайда көреді.
Кішкентай антеннаның жоғары индуктивті кедергісі (жақын резонанс) түзеткішті тікелей қосу үшін немесе чиптегі қосымша сыйымдылықты сәйкестендіру желісімен пайдалануға болады. Электрлік жағынан шағын антенналар Гюйгенс диполь антенналарын пайдаланып, 1 ГГц-тен төмен LP және CP бар WPT-де ka=0,645, ал қалыпты дипольдерде ka=5,91 (ka=2πr/λ0) болатыны туралы хабарланды.
2. Түзеткіш конъюгат антеннасы
Диодтың әдеттегі кіріс кедергісі жоғары сыйымдылыққа ие, сондықтан конъюгативті кедергіге жету үшін индуктивті антенна қажет. Чиптің сыйымдылық кедергісіне байланысты жоғары кедергілі индуктивті антенналар RFID белгілерінде кеңінен қолданылды. Дипольді антенналар жақында күрделі кедергілі RFID антенналарында трендке айналды, резонанстық жиілігіне жақын жерде жоғары кедергіні (кедергі және реактивті кедергі) көрсетеді.
Индуктивті диполь антенналары қызығушылық тудыратын жиілік диапазонындағы түзеткіштің жоғары сыйымдылығын сәйкестендіру үшін қолданылды. Бүктелген диполь антеннасында қос қысқа сызық (дипольді бүктеу) импеданс трансформаторы ретінде әрекет етеді, бұл өте жоғары импеданс антеннасын жобалауға мүмкіндік береді. Балама ретінде, ығысуды беру индуктивті реактивті кедергіні де, нақты кедергіні де арттыруға жауап береді. Бірнеше ығысуды диполь элементтерін теңгерімсіз бантикті радиалды тіректерімен біріктіру қос кеңжолақты жоғары импеданс антеннасын құрайды. 4-суретте кейбір хабарланған түзеткіш конъюгатты антенналар көрсетілген.
4-сурет
RFEH және WPT радиациялық сипаттамалары
Friis моделінде, таратқыштан d қашықтықта орналасқан антеннамен қабылданатын PRX қуаты қабылдағыш пен таратқыш күшейткіштерінің (GRX, GTX) тікелей функциясы болып табылады.
Антеннаның негізгі бөлігінің бағыттылығы мен поляризациясы түскен толқыннан жиналған қуат мөлшеріне тікелей әсер етеді. Антеннаның сәулелену сипаттамалары қоршаған ортадағы RFH және WPT арасындағы айырмашылықты анықтайтын негізгі параметрлер болып табылады (5-сурет). Екі қолданбада да таралу ортасы белгісіз болуы мүмкін және оның қабылданған толқынға әсерін ескеру қажет болса да, таратушы антенна туралы білімді пайдалануға болады. 3-кестеде осы бөлімде талқыланған негізгі параметрлер және олардың RFH және WPT-ге қолданылуы көрсетілген.
5-сурет
1. Бағыттау және пайда
Көптеген RFEH және WPT қолданбаларында коллектор түсетін сәулелену бағытын білмейді және көріну сызығы (LoS) жолы жоқ деп есептеледі. Бұл жұмыста таратқыш пен қабылдағыш арасындағы негізгі бөліктің туралануына тәуелсіз, белгісіз көзден алынған қуатты барынша арттыру үшін бірнеше антеннаның конструкциялары мен орналасуы зерттелді.
Барлық бағытты антенналар қоршаған ортаға әсер ететін RFEH тікбұрыштыларында кеңінен қолданылған. Әдебиеттерде PSD антеннаның бағытына байланысты өзгереді. Дегенмен, қуаттың өзгеруі түсіндірілмеген, сондықтан бұл өзгеріс антеннаның сәулелену үлгісіне немесе поляризация сәйкессіздігіне байланысты екенін анықтау мүмкін емес.
RFH қолданбаларынан басқа, төмен радиожиілік қуат тығыздығының жинау тиімділігін арттыру немесе таралу шығындарын еңсеру үшін микротолқынды WPT үшін жоғары күшейткішті бағыттаушы антенналар мен массивтер кеңінен хабарланған. Yagi-Uda ректенна массивтері, галстук массивтері, спиральды массивтер, тығыз байланысқан Vivaldi массивтері, CPW CP массивтері және патч массивтері белгілі бір аумақта түсетін қуат тығыздығын барынша арттыра алатын масштабталатын ректенналық енгізулердің қатарына жатады. Антеннаның күшейткішін жақсартудың басқа тәсілдеріне WPT-ге тән микротолқынды және миллиметрлік толқын диапазондарындағы субстраттық интеграцияланған толқын өткізгіш (SIW) технологиясы жатады. Дегенмен, жоғары күшейткішті ректенналар тар сәуле енімен сипатталады, бұл кез келген бағытта толқындарды қабылдауды тиімсіз етеді. Антенна элементтері мен порттарының санын зерттеу үш өлшемді кез келген түсуді ескере отырып, жоғары бағыттаушылық қоршаған ортадағы RFH-те жоғары жиналған қуатқа сәйкес келмейтіні туралы қорытынды жасады; бұл қалалық ортадағы далалық өлшеулермен расталды. Жоғары күшейткішті массивтерді WPT қолданбаларымен шектеуге болады.
Жоғары күшейткіш антенналардың артықшылықтарын кез келген RFH-қа беру үшін бағыттау мәселесін шешу үшін қаптама немесе орналасу шешімдері қолданылады. Қоршаған ортадағы Wi-Fi RFH-ларынан екі бағытта энергия жинау үшін қос патчты антенна білезігі ұсынылады. Қоршаған ортадағы ұялы RFH антенналары да 3D қораптар ретінде жасалған және жүйенің ауданын азайту және көп бағытты жинауды қамтамасыз ету үшін сыртқы беттерге басылады немесе жабыстырылады. Кубтық ректенна құрылымдары қоршаған ортадағы RFH-ларда энергия қабылдау ықтималдығының жоғары екенін көрсетеді.
2,4 ГГц, 4 × 1 массивтеріндегі WPT-ны жақсарту үшін сәуле енін арттыру үшін антенна дизайнын жақсарту, соның ішінде қосалқы паразиттік патч элементтері енгізілді. Әр порт үшін бірнеше сәулені көрсететін бірнеше сәуле аймақтары бар 6 ГГц торлы антенна да ұсынылды. Көп бағытты және көп поляризацияланған RFEH үшін көп бағытты сәулелену үлгілері бар көп портты, көп түзеткіш беттік ректенналар және энергия жинау антенналары ұсынылды. Жоғары күшейткішті, көп бағытты энергия жинау үшін сәуле түзетін матрицалары бар көп түзеткіштер және көп портты антенна массивтері де ұсынылды.
Қысқаша айтқанда, төмен радиожиілік тығыздығынан алынатын қуатты жақсарту үшін жоғары күшейткіш антенналар артықшылыққа ие болғанымен, жоғары бағыттағы қабылдағыштар таратқыш бағыты белгісіз қолданбаларда (мысалы, қоршаған ортадағы RFH немесе белгісіз тарату арналары арқылы WPT) өте қолайлы болмауы мүмкін. Бұл жұмыста көп бағытты жоғары күшейткіш WPT және RFH үшін бірнеше көп сәулелі тәсілдер ұсынылады.
2. Антеннаның поляризациясы
Антеннаның поляризациясы электр өрісі векторының антеннаның таралу бағытына қатысты қозғалысын сипаттайды. Поляризация сәйкессіздіктері негізгі бөліктердің бағыттары тураланған кезде де антенналар арасындағы тарату/қабылдаудың төмендеуіне әкелуі мүмкін. Мысалы, егер тарату үшін тік LP антеннасы, ал қабылдау үшін көлденең LP антеннасы пайдаланылса, қуат алынбайды. Бұл бөлімде сымсыз қабылдау тиімділігін барынша арттыру және поляризация сәйкессіздігінің шығындарын болдырмаудың есептелген әдістері қарастырылады. Ұсынылған ректенна архитектурасының поляризацияға қатысты қысқаша мазмұны 6-суретте, ал SoA мысалы 4-кестеде келтірілген.
6-сурет
Ұялы байланыста базалық станциялар мен ұялы телефондар арасында сызықтық поляризацияны теңестіруге қол жеткізу екіталай, сондықтан базалық станция антенналары поляризация сәйкессіздігінің жоғалуын болдырмау үшін қос поляризацияланған немесе көп поляризацияланған етіп жасалған. Дегенмен, көп жолды әсерлерге байланысты LP толқындарының поляризациялық өзгеруі шешілмеген мәселе болып қала береді. Көп поляризацияланған мобильді базалық станциялар туралы болжамға сүйене отырып, ұялы RFEH антенналары LP антенналары ретінде жасалған.
CP ректенналары негізінен WPT-де қолданылады, себебі олар сәйкессіздікке салыстырмалы түрде төзімді. CP антенналары барлық LP толқындарынан басқа, бірдей айналу бағытымен (сол қолмен немесе оң қолмен CP) CP сәулеленуін қуат жоғалтпай қабылдай алады. Қалай болғанда да, CP антеннасы 3 дБ шығынмен (қуаттың 50% шығыны) таратады және LP антеннасы қабылдайды. CP ректенналары 900 МГц және 2,4 ГГц және 5,8 ГГц өнеркәсіптік, ғылыми және медициналық диапазондарға, сондай-ақ миллиметрлік толқындарға жарамды деп хабарланады. Кездейсоқ поляризацияланған толқындардың RFH-де поляризацияның әртүрлілігі поляризацияның сәйкессіздік шығындарына әлеуетті шешім болып табылады.
Толық поляризация, сондай-ақ көп поляризация деп те аталады, поляризация сәйкессіздігінің шығындарын толығымен жеңу үшін ұсынылды, бұл екі қос поляризацияланған ортогоналды LP элементтері барлық LP және CP толқындарын тиімді қабылдайтын CP және LP толқындарын жинауға мүмкіндік береді. Мұны көрсету үшін тік және көлденең таза кернеулер (VV және VH) поляризация бұрышына қарамастан тұрақты болып қалады:
CP электромагниттік толқынының «E» электр өрісі, мұнда қуат екі рет жиналады (бірлік үшін бір рет), осылайша CP компоненті толығымен қабылданады және 3 дБ поляризация сәйкессіздігінің жоғалуын еңсереді:
Соңында, тұрақты ток комбинациясы арқылы кездейсоқ поляризацияның түсетін толқындарын алуға болады. 7-суретте көрсетілген толық поляризацияланған ректеннаның геометриясы көрсетілген.
7-сурет
Қысқаша айтқанда, арнайы қуат көздері бар WPT қолданбаларында CP артықшылыққа ие, себебі ол антеннаның поляризация бұрышына қарамастан WPT тиімділігін жақсартады. Екінші жағынан, көп көзді алуда, әсіресе қоршаған орта көздерінен, толық поляризацияланған антенналар жалпы қабылдауды және максималды тасымалдануды жақсарта алады; РФ немесе тұрақты токтағы толық поляризацияланған қуатты біріктіру үшін көп портты/көп түзеткіш архитектуралар қажет.
Қысқаша мазмұны
Бұл мақалада RFEH және WPT үшін антенна дизайнындағы соңғы жетістіктер қарастырылады және бұрынғы әдебиеттерде ұсынылмаған RFEH және WPT үшін антенна дизайнының стандартты жіктелуі ұсынылады. Жоғары RF-ден тұрақты токқа дейінгі тиімділікке қол жеткізу үшін антеннаның үш негізгі талабы анықталды:
1. Қызығушылық тудыратын RFEH және WPT диапазондары үшін антенна түзеткішінің импеданс өткізу жолағының ені;
2. WPT жүйесіндегі арнайы берілістен таратқыш пен қабылдағыш арасындағы негізгі бөліктің туралануы;
3. Реттенна мен түсетін толқын арасындағы бұрыш пен орналасуына қарамастан поляризацияның сәйкестігі.
Кедергіге негізделген ректенналар 50Ω және түзеткіш конъюгатты ректенналар болып жіктеледі, әр түрлі диапазондар мен жүктемелер арасындағы кедергілерді сәйкестендіруге және әрбір сәйкестендіру әдісінің тиімділігіне баса назар аударылады.
SoA ректенналарының сәулелену сипаттамалары бағытталу және поляризация тұрғысынан қарастырылды. Тар сәуле енін жеңу үшін сәуле қалыптастыру және орау арқылы күшейтуді жақсарту әдістері талқыланады. Соңында, WPT үшін CP ректенналары, сондай-ақ WPT және RFEH үшін поляризацияға тәуелсіз қабылдауға қол жеткізу үшін әртүрлі іске асырулар қарастырылады.
Антенналар туралы көбірек білу үшін мына сайтқа кіріңіз:
Жарияланған уақыты: 2024 жылғы 16 тамыз
