Антенна-түзеткіштің бірлескен дизайны
2-суреттегі EG топологиясына сәйкес тіктенналардың сипаттамасы 50Ω стандартына емес, антеннаның түзеткішке тікелей сәйкес келуі болып табылады, бұл түзеткішті қуаттандыру үшін сәйкес тізбекті азайтуды немесе жоюды талап етеді. Бұл бөлім 50Ω емес антенналары бар SoA тіктенналарының және сәйкес желілері жоқ тіктенналардың артықшылықтарын қарастырады.
1. Электрлік шағын антенналар
LC резонанстық сақиналы антенналар жүйе өлшемі маңызды болып табылатын қолданбаларда кеңінен қолданылады. 1 ГГц-тен төмен жиіліктерде толқын ұзындығы стандартты бөлінген элементтердің антенналарының жүйенің жалпы өлшемінен көбірек орын алуына себеп болуы мүмкін және дене импланттарына арналған толық интеграцияланған қабылдағыштар сияқты қолданбалар WPT үшін электрлік шағын антенналарды пайдаланудан әсіресе тиімді.
Кішкентай антеннаның жоғары индуктивті кедергісі (резонансқа жақын) түзеткішті тікелей байланыстыру үшін немесе қосымша микросхемадағы сыйымдылықты сәйкестік желісімен пайдалануға болады. Гюйгенс дипольді антенналарын пайдаланатын LP және CP жиілігі 1 ГГц төмен WPT-де электрлік шағын антенналар туралы хабарланды, ka=0,645, ал қалыпты дипольдарда ka=5,91 (ka=2πr/λ0).
2. Түзеткіш конъюгаттық антенна
Диодтың әдеттегі кіріс кедергісі жоғары сыйымдылыққа ие, сондықтан конъюгаттық кедергіге жету үшін индуктивті антенна қажет. Чиптің сыйымдылық кедергісіне байланысты RFID тегтерінде жоғары кедергілі индуктивті антенналар кеңінен қолданылды. Жақында дипольді антенналар күрделі кедергісі бар RFID антенналарының трендіне айналды, олардың резонанстық жиілігіне жақын жоғары кедергі (қарсылық және реактивтілік) көрсетеді.
Индуктивті дипольді антенналар қызықтыратын жиілік диапазонындағы түзеткіштің жоғары сыйымдылығын сәйкестендіру үшін пайдаланылды. Бүктелген дипольді антеннада қос қысқа сызық (дипольді бүктеу) өте жоғары кедергілі антеннаны жобалауға мүмкіндік беретін кедергі трансформаторы ретінде әрекет етеді. Немесе, ығысуды беру индуктивті реактивтілікті, сондай-ақ нақты кедергіні арттыруға жауапты. Бірнеше ығыстырылған диполь элементтерін теңгерілмеген бантикті радиалды түйреуіштермен біріктіру қос кең жолақты жоғары кедергілі антеннаны құрайды. 4-суретте кейбір есептелген түзеткіш конъюгаттық антенналар көрсетілген.
4-сурет
RFEH және WPT радиациялық сипаттамалары
Friis моделінде таратқыштан d қашықтықта антеннамен қабылданған қуат PRX қабылдағыш пен таратқыштың (GRX, GTX) күшеюінің тікелей функциясы болып табылады.
Антеннаның негізгі лоб бағыты мен поляризациясы түскен толқыннан жиналған қуат мөлшеріне тікелей әсер етеді. Антеннаның сәулелену сипаттамалары қоршаған ортаның RFEH және WPT арасындағы айырмашылықты көрсететін 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-кесте осы бөлімде талқыланған негізгі параметрлерді және олардың RFEH және WPT үшін қолданылуын анықтайды.
5-сурет
1. Бағыттау және пайда
RFEH және WPT қолданбаларының көпшілігінде коллектор түскен сәуленің бағытын білмейді және көру сызығы (LoS) жолы жоқ деп есептеледі. Бұл жұмыста таратқыш пен қабылдағыш арасындағы негізгі лоб теңестіруіне тәуелсіз белгісіз көзден алынған қуатты барынша арттыру үшін антенналардың бірнеше конструкциялары мен орналастырулары зерттелді.
Жан-жақты антенналар қоршаған ортаның RFEH тіктенналарында кеңінен қолданылды. Әдебиеттерде PSD антеннаның бағытына байланысты өзгереді. Дегенмен, қуаттағы өзгерістер түсіндірілмеген, сондықтан вариация антеннаның сәулелену үлгісіне байланысты ма, әлде поляризацияның сәйкес келмеуіне байланысты ма, анықтау мүмкін емес.
RFEH қолданбаларына қосымша, төмен РЖ қуат тығыздығын жинау тиімділігін арттыру немесе таралу шығындарын еңсеру үшін микротолқынды WPT үшін жоғары кірісті бағытталған антенналар мен массивтер кеңінен хабарланды. Яги-Уда түзу массивтері, бантиктер массивтері, спираль массивтері, тығыз байланыстырылған Vivaldi массивтері, CPW CP массивтері және патч массивтері белгілі бір аумақта түскен қуат тығыздығын барынша арттыра алатын масштабталатын ректенна енгізулерінің қатарына жатады. Антеннаның өсуін жақсартудың басқа тәсілдеріне WPT-ге тән микротолқынды және миллиметрлік толқын жолақтарындағы субстрат біріктірілген толқын өткізгіш (SIW) технологиясы кіреді. Дегенмен, жоғары кірісті ректенналар тар сәулелік енімен сипатталады, бұл еркін бағыттағы толқындарды қабылдауды тиімсіз етеді. Антенна элементтері мен порттарының санына жүргізілген зерттеулер жоғары бағыттылық үш өлшемді ерікті инциденттерді болжайтын қоршаған орта RFEH-де жоғары жиналған қуатқа сәйкес келмейтіні туралы қорытындыға келді; бұл қалалық ортадағы далалық өлшемдер арқылы расталды. Жоғары кірісті массивтер WPT қолданбаларымен шектелуі мүмкін.
Жоғары кірісті антенналардың артықшылықтарын еркін RFEH-ге беру үшін бағыттау мәселесін шешу үшін орау немесе орналасу шешімдері пайдаланылады. Қоршаған ортадағы Wi-Fi RFEH желілерінен екі бағытта энергия жинау үшін қос патчты антенна білезігі ұсынылады. Қоршаған ортадағы ұялы RFEH антенналары да 3D қораптары ретінде жасалған және жүйе аумағын азайту және көп бағытты жинауға мүмкіндік беру үшін басып шығарылады немесе сыртқы беттерге жабыстырылады. Текше тіктенна құрылымдары қоршаған RFEH-де энергия қабылдаудың жоғары ықтималдығын көрсетеді.
Көмекші паразиттік патч элементтерін қоса, сәуленің енін арттыру үшін антенна дизайнын жақсарту 2,4 ГГц, 4 × 1 массивтерінде WPT жақсарту үшін жасалды. Әр портқа бірнеше сәулені көрсететін бірнеше сәулелік аймақтары бар 6 ГГц торлы антенна да ұсынылды. Көп бағытты және көп поляризацияланған RFEH үшін көп портты, көп түзеткіш беттік тіктенналар және жан-жақты сәулелену үлгілері бар энергия жинаушы антенналар ұсынылды. Сондай-ақ жоғары кірісті, көп бағытты энергия жинау үшін сәулелік матрицалары және көп портты антенналық массивтері бар көп түзеткіштер ұсынылған.
Қорытындылай келе, төмен RF тығыздығынан жиналған қуатты жақсарту үшін жоғары кірісті антенналар таңдалғанымен, жоғары бағытталған қабылдағыштар таратқыштың бағыты белгісіз қолданбаларда (мысалы, қоршаған орта RFEH немесе белгісіз таралу арналары арқылы WPT) тамаша болмауы мүмкін. Бұл жұмыста көп бағытты жоғары кірісті WPT және RFEH үшін бірнеше көп сәулелік тәсілдер ұсынылған.
2. Антеннаның поляризациясы
Антеннаның поляризациясы антеннаның таралу бағытына қатысты электр өрісі векторының қозғалысын сипаттайды. Поляризацияның сәйкес келмеуі тіпті негізгі лоб бағыттары тураланған кезде де антенналар арасындағы жіберу/қабылдау төмендеуіне әкелуі мүмкін. Мысалы, тарату үшін тік LP антеннасы және қабылдау үшін көлденең LP антеннасы пайдаланылса, қуат алынбайды. Бұл бөлімде сымсыз қабылдаудың тиімділігін арттыруға және поляризацияның сәйкессіздігінің жоғалуын болдырмауға арналған хабарланған әдістер қарастырылады. Поляризацияға қатысты ұсынылған ректенна архитектурасының қысқаша мазмұны 6-суретте және SoA мысалы 4-кестеде келтірілген.
6-сурет
Ұялы байланыста базалық станциялар мен ұялы телефондар арасындағы сызықтық поляризацияға қол жеткізу екіталай, сондықтан базалық станция антенналары поляризацияның сәйкессіздігінің жоғалуын болдырмау үшін қос поляризацияланған немесе көп поляризацияланған етіп жасалған. Дегенмен, көп жолды әсерлерге байланысты LP толқындарының поляризациялық вариациясы шешілмеген мәселе болып қала береді. Көп поляризацияланған мобильді базалық станциялардың болжамына сүйене отырып, ұялы RFEH антенналары LP антенналары ретінде жасалған.
CP тіктенналары негізінен WPT-де пайдаланылады, себебі олар сәйкессіздікке салыстырмалы түрде төзімді. CP антенналары барлық LP толқындарына қосымша бірдей айналу бағытымен (сол қолмен немесе оң қолмен) CP сәулеленуін қуат жоғалтпай қабылдай алады. Кез келген жағдайда CP антеннасы жібереді және LP антеннасы 3 дБ жоғалтумен (50% қуат жоғалуы) қабылдайды. CP ректенналары 900 МГц және 2,4 ГГц және 5,8 ГГц өнеркәсіптік, ғылыми және медициналық жолақтарға, сондай-ақ миллиметрлік толқындарға жарамды деп хабарлайды. Еркін поляризацияланған толқындардың RFEH-де поляризацияның әртүрлілігі поляризацияның сәйкессіздігінің жоғалуының ықтимал шешімі болып табылады.
Толық поляризация, сондай-ақ көп поляризация ретінде белгілі, поляризацияның сәйкес келмеу шығындарын толығымен жеңу үшін ұсынылды, бұл CP және LP толқындарының екеуін де жинауға мүмкіндік береді, мұнда екі қос поляризацияланған ортогональды LP элементтері барлық LP және CP толқындарын тиімді қабылдайды. Мұны көрсету үшін тік және көлденең таза кернеулер (VV және VH) поляризация бұрышына қарамастан тұрақты болып қалады:
CP электромагниттік толқыны «Е» электр өрісі, мұнда қуат екі рет (бірлікке бір рет) жиналады, осылайша CP компонентін толығымен алады және 3 дБ поляризацияның сәйкессіздік жоғалуын жеңеді:
Соңында, тұрақты ток комбинациясы арқылы ерікті поляризацияның түсу толқындарын алуға болады. 7-суретте толық поляризацияланған тіктеннаның геометриясы көрсетілген.
7-сурет
Қорытындылай келе, арнайы қуат көздері бар WPT қолданбаларында CP артықшылық береді, себебі ол антеннаның поляризация бұрышына қарамастан WPT тиімділігін арттырады. Екінші жағынан, көп көзді алуда, әсіресе қоршаған орта көздерінен, толық поляризацияланған антенналар жақсырақ жалпы қабылдауға және максималды тасымалдануға қол жеткізе алады; көп портты/көп түзеткіш архитектуралары РЖ немесе тұрақты токта толық поляризацияланған қуатты біріктіру үшін қажет.
Түйіндеме
Бұл құжат RFEH және WPT үшін антенна дизайнындағы соңғы прогресті қарастырады және RFEH және WPT үшін антенна дизайнының алдыңғы әдебиеттерде ұсынылмаған стандартты классификациясын ұсынады. РЖ-ден тұрақты токқа жоғары тиімділікке қол жеткізу үшін үш негізгі антенна талаптары анықталды:
1. Қызықтыратын RFEH және WPT жолақтары үшін антеннаның түзеткіш кедергісінің өткізу қабілеттілігі;
2. Арнайы арнадан WPT жүйесінде таратқыш пен қабылдағыш арасындағы негізгі бөлікті туралау;
3. Ректенна мен түскен толқын арасындағы бұрыш пен позицияға қарамастан поляризация сәйкестігі.
Кедергі негізінде тіктенналар 50Ω және түзеткіш конъюгаттық тіктенналарға жіктеледі, бұл ретте әртүрлі жолақтар мен жүктемелер арасындағы кедергі сәйкестігіне және әрбір сәйкестік әдісінің тиімділігіне назар аударылады.
SoA ректенналарының радиациялық сипаттамалары бағыттау және поляризация тұрғысынан қаралды. Тар арқалық енін жеңу үшін сәулені қалыптастыру және орау арқылы пайданы жақсарту әдістері талқыланады. Соңында, WPT және RFEH үшін поляризациядан тәуелсіз қабылдауға қол жеткізу үшін әртүрлі енгізулермен бірге WPT үшін CP тіктенналары қарастырылады.
Антенналар туралы көбірек білу үшін мына сайтқа кіріңіз:
Жіберу уақыты: 16 тамыз 2024 ж
