Desain Bersama Antena-Rectifier
Ciri-ciri rectennas sing ngetutake topologi EG ing Gambar 2 yaiku antena kasebut langsung cocog karo rectifier, tinimbang standar 50Ω, sing mbutuhake minimalake utawa ngilangi sirkuit sing cocog kanggo nguripake rectifier. Bagean iki nliti kaluwihan rectennas SoA karo antena non-50Ω lan rectennas tanpa jaringan sing cocog.
1. Antena Cilik Secara Listrik
Antena cincin resonansi LC wis digunakake sacara wiyar ing aplikasi ing ngendi ukuran sistem penting banget. Ing frekuensi ing ngisor 1 GHz, dawa gelombang bisa nyebabake antena elemen terdistribusi standar ngenggoni papan sing luwih akeh tinimbang ukuran sakabèhé sistem, lan aplikasi kayata transceiver sing terintegrasi kanthi lengkap kanggo implan awak utamane entuk manfaat saka panggunaan antena cilik kanthi listrik kanggo WPT.
Impedansi induktif sing dhuwur saka antena cilik (cedhak resonansi) bisa digunakake kanggo nyambungake langsung penyearah utawa karo jaringan pencocokan kapasitif on-chip tambahan. Antena cilik sacara listrik wis dilapurake ing WPT kanthi LP lan CP ing ngisor 1 GHz nggunakake antena dipol Huygens, kanthi ka=0,645, dene ka=5,91 ing dipol normal (ka=2πr/λ0).
2. Antena konjugat penyearah
Impedansi input khas dioda yaiku kapasitif banget, mula antena induktif dibutuhake kanggo entuk impedansi konjugat. Amarga impedansi kapasitif chip kasebut, antena induktif impedansi dhuwur wis digunakake sacara wiyar ing tag RFID. Antena dipol bubar iki dadi tren ing antena RFID impedansi kompleks, sing nuduhake impedansi dhuwur (resistensi lan reaktansi) cedhak frekuensi resonansi.
Antena dipol induktif wis digunakake kanggo cocog karo kapasitansi dhuwur saka penyearah ing pita frekuensi sing diminati. Ing antena dipol sing dilipat, garis cendhak dobel (dipol lipat) tumindak minangka transformator impedansi, sing ngidini desain antena impedansi sing dhuwur banget. Utawa, bias feeding tanggung jawab kanggo nambah reaktansi induktif uga impedansi nyata. Nggabungake pirang-pirang elemen dipol bias karo rintisan radial bow-tie sing ora seimbang mbentuk antena impedansi dhuwur broadband ganda. Gambar 4 nuduhake sawetara antena konjugat penyearah sing dilapurake.
Gambar 4
Karakteristik radiasi ing RFEH lan WPT
Ing model Friis, daya PRX sing ditampa dening antena ing jarak d saka pemancar minangka fungsi langsung saka gain panrima lan pemancar (GRX, GTX).
Direktivitas lan polarisasi lobus utama antena nduweni pengaruh langsung marang jumlah daya sing dikumpulake saka gelombang datang. Karakteristik radiasi antena minangka parameter kunci sing mbedakake antarane RFEH sekitar lan WPT (Gambar 5). Sanajan ing loro aplikasi kasebut, media propagasi bisa uga ora dingerteni lan pengaruhe marang gelombang sing ditampa kudu ditimbang, kawruh babagan antena sing ngirim bisa dimanfaatake. Tabel 3 ngidentifikasi parameter kunci sing dibahas ing bagean iki lan penerapane kanggo RFEH lan WPT.
Gambar 5
1. Direktivitas lan Gain
Ing umume aplikasi RFEH lan WPT, dianggep manawa kolektor ora ngerti arah radiasi sing mlebu lan ora ana jalur line-of-sight (LoS). Ing karya iki, pirang-pirang desain lan penempatan antena wis diselidiki kanggo ngoptimalake daya sing ditampa saka sumber sing ora dingerteni, ora gumantung saka keselarasan lobus utama antarane pemancar lan panrima.
Antena omnidirectional wis digunakake sacara wiyar ing rektenna RFEH lingkungan. Ing literatur, PSD beda-beda gumantung saka orientasi antena. Nanging, variasi daya durung diterangake, mula ora bisa nemtokake apa variasi kasebut amarga pola radiasi antena utawa amarga ketidakcocokan polarisasi.
Saliyané aplikasi RFEH, antena lan array arah gain dhuwur wis dilapurake sacara wiyar kanggo WPT gelombang mikro kanggo ningkatake efisiensi pangumpulan kapadhetan daya RF sing kurang utawa ngatasi kerugian propagasi. Array rectenna Yagi-Uda, array bowtie, array spiral, array Vivaldi sing rapet, array CPW CP, lan array patch kalebu implementasi rectenna sing bisa diskalakake sing bisa ngoptimalake kapadhetan daya insiden ing area tartamtu. Pendekatan liya kanggo ningkatake gain antena kalebu teknologi waveguide terintegrasi substrat (SIW) ing pita gelombang mikro lan milimeter, khusus kanggo WPT. Nanging, rectenna gain dhuwur ditondoi dening jembar beam sing sempit, sing ndadekake panrima gelombang ing arah sing sewenang-wenang ora efisien. Investigasi babagan jumlah elemen lan port antena nyimpulake manawa direktivitas sing luwih dhuwur ora cocog karo daya panen sing luwih dhuwur ing RFEH sekitar kanthi nganggep insidensi sewenang-wenang telung dimensi; iki diverifikasi kanthi pangukuran lapangan ing lingkungan kutha. Array gain dhuwur bisa diwatesi kanggo aplikasi WPT.
Kanggo nransfer keuntungan saka antena gain dhuwur menyang RFEH sing sembarang, solusi kemasan utawa tata letak digunakake kanggo ngatasi masalah direktivitas. Gelang antena dual-patch diusulake kanggo ngumpulake energi saka RFEH Wi-Fi sekitar ing rong arah. Antena RFEH seluler sekitar uga dirancang minangka kothak 3D lan dicithak utawa ditempelake ing permukaan njaba kanggo nyuda area sistem lan ngaktifake panen multi-arah. Struktur rektenna kubik nuduhake kemungkinan panrima energi sing luwih dhuwur ing RFEH sekitar.
Peningkatan desain antena kanggo nambah beamwidth, kalebu elemen patch parasit tambahan, ditindakake kanggo ningkatake WPT ing 2,4 GHz, array 4 × 1. Antena mesh 6 GHz kanthi pirang-pirang wilayah beam uga diusulake, sing nduduhake pirang-pirang beam saben port. Rectenna permukaan multi-port, multi-rectifier, lan antena panen energi kanthi pola radiasi omnidirectional wis diusulake kanggo RFEH multi-arah lan multi-polarisasi. Multi-rectifier kanthi matriks beamforming lan array antena multi-port uga wis diusulake kanggo panen energi multi-arah lan gain dhuwur.
Ringkesane, nalika antena gain dhuwur luwih disenengi kanggo ningkatake daya sing dipanen saka kapadhetan RF sing endhek, panrima sing arah banget bisa uga ora ideal ing aplikasi ing ngendi arah pemancar ora dingerteni (contone, RFEH sekitar utawa WPT liwat saluran propagasi sing ora dingerteni). Ing karya iki, pirang-pirang pendekatan multi-beam diusulake kanggo WPT lan RFEH gain dhuwur multi-arah.
2. Polarisasi Antena
Polarisasi antena nggambarake gerakan vektor medan listrik relatif marang arah rambatan antena. Ketidakcocokan polarisasi bisa nyebabake transmisi/panrima sing suda antarane antena sanajan arah lobus utama sejajar. Contone, yen antena LP vertikal digunakake kanggo transmisi lan antena LP horisontal digunakake kanggo panrima, ora ana daya sing bakal ditampa. Ing bagean iki, metode sing dilapurake kanggo ngoptimalake efisiensi panrima nirkabel lan nyegah kerugian ketidakcocokan polarisasi ditinjau. Ringkesan arsitektur rektenna sing diusulake babagan polarisasi diwenehake ing Gambar 6 lan conto SoA diwenehake ing Tabel 4.
Gambar 6
Ing komunikasi seluler, panyelarasan polarisasi linier antarane stasiun pangkalan lan telpon seluler ora mungkin bisa digayuh, mula antena stasiun pangkalan dirancang supaya dual-polarisasi utawa multi-polarisasi kanggo nyegah kerugian ketidakcocokan polarisasi. Nanging, variasi polarisasi gelombang LP amarga efek multipath tetep dadi masalah sing durung dirampungake. Adhedhasar asumsi stasiun pangkalan seluler multi-polarisasi, antena RFEH seluler dirancang minangka antena LP.
Rectenna CP utamane digunakake ing WPT amarga relatif tahan karo ketidakcocokan. Antena CP bisa nampa radiasi CP kanthi arah rotasi sing padha (CP kiwa utawa tengen) saliyane kabeh gelombang LP tanpa mundhut daya. Ing kasus apa wae, antena CP ngirim lan antena LP nampa kanthi mundhut daya 3 dB (mundhut daya 50%). Rectenna CP dilaporake cocog kanggo pita industri, ilmiah, lan medis 900 MHz lan 2,4 GHz lan 5,8 GHz uga gelombang milimeter. Ing RFEH gelombang terpolarisasi sing sewenang-wenang, keragaman polarisasi minangka solusi potensial kanggo mundhut ketidakcocokan polarisasi.
Polarisasi lengkap, uga dikenal minangka multi-polarisasi, wis diusulake kanggo ngatasi kerugian ketidakcocokan polarisasi kanthi lengkap, sing ngaktifake pangumpulan gelombang CP lan LP, ing ngendi rong elemen LP ortogonal dual-polarisasi kanthi efektif nampa kabeh gelombang LP lan CP. Kanggo nggambarake iki, voltase net vertikal lan horisontal (VV lan VH) tetep konstan preduli saka sudut polarisasi:
Medan listrik "E" gelombang elektromagnetik CP, ing ngendi daya dikumpulake kaping pindho (sapisan saben unit), kanthi mangkono nampa komponen CP kanthi lengkap lan ngatasi kerugian ketidakcocokan polarisasi 3 dB:
Pungkasanipun, liwat kombinasi DC, gelombang insiden polarisasi sembarang saged ditampa. Gambar 7 nuduhake geometri saka rektangular terpolarisasi kanthi lengkap sing dilapurake.
Gambar 7
Ringkesane, ing aplikasi WPT nganggo catu daya khusus, CP luwih disenengi amarga bisa ningkatake efisiensi WPT preduli saka sudut polarisasi antena. Ing sisih liya, ing akuisisi multi-sumber, utamane saka sumber sekitar, antena sing terpolarisasi kanthi lengkap bisa entuk panrima sakabèhé sing luwih apik lan portabilitas maksimal; arsitektur multi-port/multi-rectifier dibutuhake kanggo nggabungake daya terpolarisasi kanthi lengkap ing RF utawa DC.
Ringkesan
Makalah iki nliti kemajuan anyar ing desain antena kanggo RFEH lan WPT, lan ngusulake klasifikasi standar desain antena kanggo RFEH lan WPT sing durung diusulake ing literatur sadurunge. Telung syarat antena dhasar kanggo entuk efisiensi RF-to-DC sing dhuwur wis diidentifikasi minangka:
1. Bandwidth impedansi penyearah antena kanggo pita RFEH lan WPT sing diminati;
2. Penyelarasan lobus utama antarane pemancar lan panrima ing WPT saka feed khusus;
3. Pencocokan polarisasi antarane rektenna lan gelombang datang tanpa preduli saka sudut lan posisi.
Adhedhasar impedansi, rektenna diklasifikasikake dadi 50Ω lan rektenna konjugat penyearah, kanthi fokus ing pencocokan impedansi antarane pita lan beban sing beda-beda lan efisiensi saben metode pencocokan.
Karakteristik radiasi saka rectenna SoA wis ditinjau saka perspektif direktivitas lan polarisasi. Cara kanggo ningkatake gain kanthi beamforming lan packaging kanggo ngatasi beamwidth sing sempit dibahas. Pungkasan, rectenna CP kanggo WPT ditinjau, bebarengan karo macem-macem implementasi kanggo entuk panrima sing ora gumantung karo polarisasi kanggo WPT lan RFEH.
Kanggo mangerteni luwih lengkap babagan antena, bukak:
Wektu kiriman: 16 Agustus 2024
