Co-cuncepimentu Antenna-Rettificatore
A caratteristica di e rectenna chì seguitanu a topologia EG in a Figura 2 hè chì l'antenna hè direttamente adattata à u raddrizzatore, invece di u standard 50Ω, chì richiede a minimizazione o l'eliminazione di u circuitu di adattamentu per alimentà u raddrizzatore. Questa sezione esamina i vantaghji di e rectenna SoA cù antenne non-50Ω è di e rectenna senza rete di adattamentu.
1. Antenne Elettricamente Piccule
L'antenne ad anellu risonante LC sò state largamente aduprate in applicazioni induve a dimensione di u sistema hè critica. À frequenze inferiori à 1 GHz, a lunghezza d'onda pò fà chì l'antenne standard à elementi distribuiti occupinu più spaziu chè a dimensione generale di u sistema, è applicazioni cum'è i ricetrasmettitori cumpletamente integrati per l'implanti di u corpu beneficianu in particulare di l'usu di antenne elettricamente chjuche per WPT.
L'alta impedenza induttiva di a piccula antenna (vicinu à a risonanza) pò esse aduprata per accoppià direttamente u raddrizzatore o cù una rete di adattamentu capacitiva supplementaria in chip. Antenne elettricamente chjuche sò state segnalate in WPT cù LP è CP sottu à 1 GHz aduprendu antenne dipole Huygens, cù ka = 0,645, mentre ka = 5,91 in dipoli nurmali (ka = 2πr / λ0).
2. Antenna cunjugata di raddrizzatore
L'impedenza d'entrata tipica di un diodu hè assai capacitiva, dunque hè necessaria un'antenna induttiva per ottene l'impedenza coniugata. A causa di l'impedenza capacitiva di u chip, l'antenne induttive à alta impedenza sò state largamente aduprate in i tag RFID. L'antenne dipole sò diventate recentemente una tendenza in l'antenne RFID à impedenza cumplessa, mustrendu alta impedenza (resistenza è reattanza) vicinu à a so frequenza di risonanza.
Antenne dipole induttive sò state aduprate per currisponde à l'alta capacità di u raddrizzatore in a banda di frequenza d'interessu. In un'antenna dipole piegata, a doppia linea corta (piegatura di dipole) agisce cum'è un trasformatore d'impedenza, permettendu a cuncepzione di un'antenna à impedenza estremamente alta. In alternativa, l'alimentazione di polarizazione hè rispunsevule di l'aumentu di a reattanza induttiva è ancu di l'impedenza attuale. A cumbinazione di parechji elementi dipole polarizzati cù stub radiali à cravatta à farfalla sbilanciati forma un'antenna à doppia banda larga à alta impedenza. A Figura 4 mostra alcune antenne coniugate di raddrizzatore riportate.
Figura 4
Caratteristiche di radiazione in RFEH è WPT
In u mudellu Friis, a putenza PRX ricevuta da un'antenna à una distanza d da u trasmettitore hè una funzione diretta di i guadagni di u ricevitore è di u trasmettitore (GRX, GTX).
A direttività è a polarizazione di u lobu principale di l'antenna anu un impattu direttu nantu à a quantità di putenza raccolta da l'onda incidente. E caratteristiche di a radiazione di l'antenna sò parametri chjave chì distinguenu trà RFEH ambientale è WPT (Figura 5). Mentre in e duie applicazioni u mezu di propagazione pò esse scunnisciutu è u so effettu nantu à l'onda ricevuta deve esse cunsideratu, a cunniscenza di l'antenna trasmittente pò esse sfruttata. A Tavula 3 identifica i parametri chjave discussi in questa sezione è a so applicabilità à RFEH è WPT.
Figura 5
1. Direttività è Guadagnu
In a maiò parte di l'applicazioni RFEH è WPT, si suppone chì u cullettore ùn cunnosce micca a direzzione di a radiazione incidente è chì ùn ci sia micca un percorsu in linea di vista (LoS). In questu travagliu, sò stati studiati parechji disinni è piazzamenti d'antenna per massimizà a putenza ricevuta da una fonte scunnisciuta, indipendentemente da l'allineamentu di u lobu principale trà u trasmettitore è u ricevitore.
L'antenne omnidirezionali sò state largamente aduprate in e rectene RFEH ambientali. In a literatura, a PSD varieghja secondu l'orientazione di l'antenna. Tuttavia, a variazione di putenza ùn hè stata spiegata, dunque ùn hè micca pussibule di determinà se a variazione hè dovuta à u diagramma di radiazione di l'antenna o à una discrepanza di polarizazione.
In più di l'applicazioni RFEH, antenne è array direzionali à altu guadagnu sò stati largamente segnalati per WPT à microonde per migliurà l'efficienza di raccolta di bassa densità di putenza RF o superà e perdite di propagazione. Array di rectenna Yagi-Uda, array bowtie, array a spirale, array Vivaldi strettamente accoppiati, array CPW CP è array patch sò trà l'implementazioni di rectenna scalabili chì ponu massimizà a densità di putenza incidente sottu una certa area. Altri approcci per migliurà u guadagnu di l'antenna includenu a tecnulugia di guida d'onda integrata à u substratu (SIW) in bande di microonde è d'onde millimetriche, specifica per WPT. Tuttavia, e rectenna à altu guadagnu sò carattarizate da larghezze di fasciu strette, rendendu inefficiente a ricezione di onde in direzioni arbitrarie. L'investigazioni nantu à u numeru di elementi è porte d'antenna anu cunclusu chì una direttività più alta ùn currisponde micca à una putenza raccolta più alta in RFEH ambientale assumendu un'incidenza arbitraria tridimensionale; questu hè statu verificatu da misurazioni di campu in ambienti urbani. L'array à altu guadagnu ponu esse limitati à l'applicazioni WPT.
Per trasferisce i benefici di l'antenne à altu guadagnu à RFEH arbitrarii, si utilizanu suluzioni di imballaggio o di layout per superà u prublema di direttività. Si propone un braccialettu d'antenna à doppia patch per raccoglie energia da RFEH Wi-Fi ambientali in duie direzioni. L'antenne RFEH cellulari ambientali sò ancu cuncepite cum'è scatole 3D è stampate o aderenti à superfici esterne per riduce l'area di u sistema è permette a raccolta multidirezionale. E strutture cubiche di rectenna mostranu una maggiore probabilità di ricezione di energia in RFEH ambientali.
Migliuramenti à a cuncepzione di l'antenna per aumentà a larghezza di u fasciu, cumpresi elementi di patch parassiti ausiliari, sò stati fatti per migliurà u WPT à 2,4 GHz, schiere 4 × 1. Hè stata ancu pruposta un'antenna à maglia di 6 GHz cù parechje regioni di fasciu, dimustrendu parechji fasci per portu. Rectenne di superficia multi-porta, multi-rettificatore è antenne di raccolta di energia cù diagrammi di radiazione omnidirezionali sò state pruposte per RFEH multidirezionali è multipolarizzate. Multi-rettificatori cù matrici di furmazione di fasciu è schiere di antenne multi-porta sò stati ancu pruposti per a raccolta di energia multidirezionale à altu guadagnu.
In riassuntu, mentre chì l'antenne à altu guadagnu sò preferite per migliurà a putenza raccolta da basse densità RF, i ricevitori altamente direzionali ùn ponu micca esse ideali in applicazioni induve a direzzione di u trasmettitore hè scunnisciuta (per esempiu, RFEH ambientale o WPT attraversu canali di propagazione scunnisciuti). In questu travagliu, parechji approcci multi-fasci sò pruposti per WPT è RFEH à altu guadagnu multidirezionali.
2. Polarizazione di l'antenna
A polarizazione di l'antenna descrive u muvimentu di u vettore di u campu elettricu in relazione à a direzzione di propagazione di l'antenna. I disallineamenti di polarizazione ponu purtà à una riduzione di a trasmissione/ricezione trà l'antenne ancu quandu e direzzione di i lobi principali sò allineate. Per esempiu, se un'antenna LP verticale hè aduprata per a trasmissione è un'antenna LP orizzontale hè aduprata per a ricezione, ùn serà ricevuta alcuna putenza. In questa sezione, sò rivisti i metudi riportati per massimizà l'efficienza di ricezione wireless è evità e perdite per disallineamentu di polarizazione. Un riassuntu di l'architettura rectenna pruposta in quantu à a polarizazione hè datu in a Figura 6 è un esempiu SoA hè datu in a Tavula 4.
Figura 6
In e cumunicazioni cellulari, l'allineamentu di polarizazione lineare trà e stazioni base è i telefoni mobili hè improbabile d'esse ottenutu, dunque l'antenne di e stazioni base sò cuncepite per esse dualmente polarizzate o multipolarizzate per evità perdite di disallineamentu di polarizazione. Tuttavia, a variazione di polarizazione di l'onde LP per via di l'effetti di percorsi multipli ferma un prublema senza suluzione. Basatu annantu à l'ipotesi di stazioni base mobili multipolarizzate, l'antenne RFEH cellulari sò cuncepite cum'è antenne LP.
E rectenna CP sò aduprate principalmente in WPT perchè sò relativamente resistenti à a disadattamentu. L'antenne CP sò capaci di riceve a radiazione CP cù a stessa direzzione di rotazione (CP mancina o destrorsa) in più di tutte l'onde LP senza perdita di putenza. In ogni casu, l'antenna CP trasmette è l'antenna LP riceve cù una perdita di 3 dB (perdita di putenza di 50%). Si dice chì e rectenna CP sò adatte per e bande industriali, scientifiche è mediche di 900 MHz è 2,4 GHz è 5,8 GHz, è ancu per l'onde millimetriche. In RFEH di onde polarizzate arbitrariamente, a diversità di polarizazione rapprisenta una suluzione putenziale à e perdite di disadattamentu di polarizazione.
A polarizazione cumpleta, cunnisciuta ancu cum'è multipolarizazione, hè stata pruposta per superà cumpletamente e perdite di mismatch di polarizazione, permettendu a cullezzione di l'onde CP è LP, induve dui elementi LP ortogonali à doppia polarizazione ricevenu efficacemente tutte l'onde LP è CP. Per illustrà questu, e tensioni nette verticali è orizzontali (VV è VH) restanu custanti indipendentemente da l'angulu di polarizazione:
Campu elettricu "E" di l'onda elettromagnetica CP, induve a putenza hè raccolta duie volte (una volta per unità), ricevendu cusì cumpletamente a cumpunente CP è superendu a perdita di disadattamentu di polarizazione di 3 dB:
Infine, per via di a cumbinazione DC, si ponu riceve onde incidenti di polarizazione arbitraria. A figura 7 mostra a geometria di a rectenna cumpletamente polarizzata riportata.
Figura 7
In riassuntu, in l'applicazioni WPT cù alimentatori dedicati, CP hè preferitu perchè migliora l'efficienza WPT indipendentemente da l'angulu di polarizazione di l'antenna. D’altronde, in l'acquisizione multi-surgente, in particulare da fonti ambientali, l'antenne cumpletamente polarizate ponu ottene una migliore ricezione generale è una massima purtabilità; architetture multi-porta/multi-rettificatore sò necessarie per cumbinà a putenza cumpletamente polarizzata à RF o DC.
Riassuntu
Questu articulu esamina i recenti progressi in a cuncepzione di l'antenna per RFEH è WPT, è propone una classificazione standard di a cuncepzione di l'antenna per RFEH è WPT chì ùn hè stata pruposta in a literatura precedente. Trè requisiti basi di l'antenna per ottene una alta efficienza RF-to-DC sò stati identificati cum'è:
1. Larghezza di banda di l'impedenza di u raddrizzatore di l'antenna per e bande RFEH è WPT d'interessu;
2. Allineamentu di u lobu principale trà u trasmettitore è u ricevitore in WPT da un alimentu dedicatu;
3. Currispundenza di polarizazione trà a rectenna è l'onda incidente indipendentemente da l'angulu è a pusizione.
Basatu annantu à l'impedenza, e rectenna sò classificate in rectenna di 50 Ω è rectenna cunjugate di raddrizzatore, cù un focus annantu à l'adattamentu d'impedenza trà diverse bande è carichi è l'efficienza di ogni metudu di adattamentu.
E caratteristiche di radiazione di e rectenne SoA sò state riviste da a perspettiva di a direttività è di a polarizazione. Si discutenu i metudi per migliurà u guadagnu per via di a furmazione di u fasciu è di l'imballaggio per superà a larghezza di u fasciu stretta. Infine, si rivisenu e rectenne CP per WPT, inseme cù varie implementazioni per ottene una ricezione indipendente da a polarizazione per WPT è RFEH.
Per sapenne di più nantu à l'antenne, visitate:
Data di publicazione: 16 d'aostu 2024
