עיצוב משותף של אנטנה-מיישר
המאפיין של rectennas העוקבים אחר טופולוגיית EG באיור 2 הוא שהאנטנה מותאמת ישירות למיישר, ולא לתקן 50Ω, הדורש מזעור או ביטול המעגל המתאים כדי להפעיל את המיישר. סעיף זה סוקר את היתרונות של רקטנות SoA עם אנטנות שאינן 50Ω ו- rectennas ללא רשתות תואמות.
1. אנטנות קטנות חשמלית
אנטנות טבעת תהודה LC היו בשימוש נרחב ביישומים שבהם גודל המערכת הוא קריטי. בתדרים מתחת ל-1 GHz, אורך הגל עלול לגרום לאנטנות אלמנטים מבוזרים סטנדרטיים לתפוס מקום רב יותר מהגודל הכולל של המערכת, ויישומים כגון משדרים משולבים לחלוטין עבור שתלי גוף נהנים במיוחד מהשימוש באנטנות קטנות חשמלית עבור WPT.
ניתן להשתמש בעכבה האינדוקטיבית הגבוהה של האנטנה הקטנה (כמעט תהודה) לחיבור ישיר של המיישר או עם רשת התאמה קיבולית נוספת על-שבב. אנטנות קטנות מבחינה חשמלית דווחו ב-WPT עם LP ו-CP מתחת ל-1 GHz באמצעות אנטנות דיפול Huygens, עם ka=0.645, בעוד ka=5.91 בדיפולים רגילים (ka=2πr/λ0).
2. אנטנה מצומדת של מיישר
עכבת הכניסה האופיינית של דיודה היא קיבולית ביותר, ולכן נדרשת אנטנה אינדוקטיבית כדי להשיג עכבה מצומדת. בשל העכבה הקיבולית של השבב, נעשה שימוש נרחב באנטנות אינדוקטיביות עם עכבה גבוהה בתגי RFID. אנטנות דיפול הפכו לאחרונה למגמה באנטנות RFID עם עכבה מורכבת, המציגות עכבה גבוהה (התנגדות ותגובתיות) בסמוך לתדר התהודה שלהן.
נעשה שימוש באנטנות דיפול אינדוקטיביות כדי להתאים את הקיבול הגבוה של המיישר בפס התדרים המעניין. באנטנה דיפול מקופל, הקו הקצר הכפול (קיפול דיפול) פועל כשנאי עכבה, המאפשר תכנון של אנטנה עם עכבה גבוהה במיוחד. לחלופין, הזנת הטיה אחראית להגדלת התגובה האינדוקטיבית וכן את העכבה בפועל. שילוב של אלמנטים דיפולים מוטים מרובים עם סתימות רדיאליות לא מאוזנות של פפיון יוצר אנטנה כפולה בפס רחב עם עכבה גבוהה. איור 4 מציג כמה אנטנות מצומדות מיישר מדווחות.
איור 4
מאפייני קרינה ב-RFEH וב-WPT
בדגם Friis, הספק PRX המתקבל על ידי אנטנה במרחק d מהמשדר הוא פונקציה ישירה של רווחי המקלט והמשדר (GRX, GTX).
כיווניות האונה הראשית והקיטוב של האנטנה משפיעים ישירות על כמות הכוח שנאסף מהגל המתרחש. מאפייני קרינת האנטנה הם פרמטרים מרכזיים המבדילים בין RFEH לסביבה ו-WPT (איור 5). בעוד שבשני היישומים מדיום ההתפשטות עשוי להיות לא ידוע ויש להתחשב בהשפעתו על הגל המתקבל, ניתן לנצל את הידע על האנטנה המשדרת. טבלה 3 מזהה את הפרמטרים המרכזיים שנדונו בסעיף זה ואת הישימות שלהם על RFEH ו-WPT.
איור 5
1. כיווניות ורווח
ברוב יישומי RFEH ו-WPT, ההנחה היא שהקולטן אינו יודע את כיוון הקרינה הפוגעת ואין נתיב קו ראייה (LoS). בעבודה זו, נחקרו עיצובים ומיקומי אנטנות מרובים כדי למקסם את ההספק המתקבל ממקור לא ידוע, ללא תלות ביישור האונה הראשית בין המשדר למקלט.
אנטנות כל-כיווניות נמצאות בשימוש נרחב ברקטנות RFEH סביבתיות. בספרות, ה-PSD משתנה בהתאם לכיוון האנטנה. עם זאת, השונות בהספק לא הוסברה, ולכן לא ניתן לקבוע אם השונות נובעת מדפוס הקרינה של האנטנה או בשל אי התאמה של קיטוב.
בנוסף ליישומי RFEH, אנטנות כיווניות ומערכים בעלי עוצמה גבוהה דווחו בהרחבה עבור WPT במיקרוגל כדי לשפר את יעילות האיסוף של צפיפות הספק RF נמוכה או להתגבר על הפסדי התפשטות. מערכי רקטנה של יאגי-אודה, מערכי ענבי פרפר, מערכים ספירליים, מערכי Vivaldi מחוברים הדוק, מערכי CPW CP ומערכי תיקון הם בין מימושי ה-rectenna הניתנים להרחבה שיכולים למקסם את צפיפות ההספק המתרחשת באזור מסוים. גישות אחרות לשיפור השבחת האנטנה כוללות טכנולוגיית מוביל גל משולבת מצע (SIW) בפסי גלים של מיקרוגל ומילימטר, ספציפית ל-WPT. עם זאת, רקטנות בעלות רווח גבוה מאופיינות ברוחב אלומה צרים, מה שהופך קליטה של גלים בכיוונים שרירותיים ללא יעילה. מחקרים על מספר רכיבי האנטנה והיציאות הגיעו למסקנה כי כיווניות גבוהה יותר אינה תואמת להספק גבוה יותר ב-RFEH הסביבה בהנחה של שכיחות שרירותית תלת מימדית; זה אומת על ידי מדידות שדה בסביבות עירוניות. ניתן להגביל מערכי רווח גבוה ליישומי WPT.
כדי להעביר את היתרונות של אנטנות בעלות רווח גבוה ל-RFEH שרירותיים, נעשה שימוש בפתרונות אריזה או פריסה כדי להתגבר על בעיית הכיוון. צמיד אנטנה כפול מוצע לקצור אנרגיה מ-Wi-Fi RFEH בסביבה בשני כיוונים. אנטנות RFEH סלולריות סביבתיות מעוצבות גם כקופסאות תלת מימד ומודפסות או מודבקות למשטחים חיצוניים כדי לצמצם את שטח המערכת ולאפשר קציר רב-כיווני. מבני רקטנה מעוקבים מציגים הסתברות גבוהה יותר לקליטת אנרגיה ב-RFEH הסביבה.
שיפורים בתכנון האנטנה כדי להגדיל את רוחב האלומה, כולל אלמנטים של תיקון טפילי עזר, נעשו כדי לשפר את ה-WPT ב-2.4 גיגה-הרץ, מערכים של 4×1. הוצעה גם אנטנת רשת 6 גיגה-הרץ עם אזורי אלומה מרובים, המדגימה ריבוי קרניים לכל יציאה. מרובי יציאות, משטחים מרובי מיישרים ואנטנות לקצירת אנרגיה עם דפוסי קרינה כל-כיוונית הוצעו עבור RFEH רב-כיווני ורב-קוטבי. כמו כן, הוצעו מיישרים מרובי עם מטריצות יצירת אלומה ומערכי אנטנות מרובות יציאות לקצירת אנרגיה רב-כיוונית בהגברה גבוהה.
לסיכום, בעוד שאנטנות בעלות עוצמה מועדפות כדי לשפר את ההספק שנאסף מצפיפות RF נמוכה, ייתכן שמקלטים בעלי כיוונים גבוהים אינם אידיאליים ביישומים שבהם כיוון המשדר אינו ידוע (למשל, RFEH או WPT סביבתיים דרך ערוצי התפשטות לא ידועים). בעבודה זו, מוצעות גישות מרובות אלומות עבור WPT ו-RFEH בעלי רווח רב כיווני.
2. קיטוב אנטנה
קיטוב האנטנה מתאר את התנועה של וקטור השדה החשמלי ביחס לכיוון התפשטות האנטנה. אי התאמה של קיטוב יכולה להוביל להפחתת שידור/קליטה בין אנטנות גם כאשר כיווני האונה הראשית מיושרים. לדוגמה, אם משתמשים באנטנת LP אנכית לשידור ואנטנת LP אופקית לקליטה, לא יתקבל כוח. בסעיף זה, נסקרות שיטות מדווחות למיצוי יעילות הקליטה האלחוטית והימנעות מהפסדי אי-התאמה של קיטוב. סיכום של ארכיטקטורת הרקטנה המוצעת ביחס לקיטוב ניתן באיור 6 ודוגמה ל-SoA ניתנת בטבלה 4.
איור 6
בתקשורת סלולרית, לא סביר שיושג יישור קיטוב ליניארי בין תחנות בסיס לטלפונים ניידים, ולכן אנטנות של תחנות בסיס מתוכננות להיות מקוטבות כפולות או רב-קוטביות כדי למנוע הפסדי אי-התאמה בקיטוב. עם זאת, וריאציות הקיטוב של גלי LP עקב אפקטים מרובי נתיבים נותרה בעיה בלתי פתורה. בהתבסס על ההנחה של תחנות בסיס ניידות רב-קוטביות, אנטנות RFEH סלולריות מתוכננות כאנטנות LP.
CP rectennas משמשים בעיקר ב-WPT מכיוון שהם עמידות יחסית לחוסר התאמה. אנטנות CP מסוגלות לקלוט קרינת CP באותו כיוון סיבוב (CP ימני או שמאלני) בנוסף לכל גלי ה-LP ללא אובדן הספק. בכל מקרה, אנטנת ה-CP משדרת ואנטנת ה-LP קולטת בהפסד של 3 dB (איבוד הספק של 50%). מדווחים כי רקמות CP מתאימות לרצועות 900 מגה-הרץ ו-2.4 גיגה-הרץ ו-5.8 גיגה-הרץ תעשייתיות, מדעיות ורפואיות, כמו גם לגלים מילימטריים. ב-RFEH של גלים מקוטבים באופן שרירותי, גיוון הקיטוב מייצג פתרון פוטנציאלי להפסדי אי-התאמה בקיטוב.
קיטוב מלא, הידוע גם בשם רב-קיטוב, הוצע כדי להתגבר לחלוטין על הפסדי אי-התאמה של קיטוב, מה שמאפשר איסוף של גלי CP ו-LP כאחד, כאשר שני אלמנטים אורתוגונליים כפולים מקוטבים LP מקבלים למעשה את כל גלי ה-LP וה-CP. כדי להמחיש זאת, המתחים האנכיים והאופקיים נטו (VV ו-VH) נשארים קבועים ללא קשר לזווית הקיטוב:
שדה חשמלי של גל אלקטרומגנטי "E" של CP, שבו הכוח נאסף פעמיים (פעם אחת ליחידה), ובכך מקבל את רכיב ה-CP במלואו ומתגבר על אובדן חוסר ההתאמה בקיטוב של 3 dB:
לבסוף, באמצעות שילוב DC, ניתן לקלוט גלים תקפים של קיטוב שרירותי. איור 7 מציג את הגיאומטריה של השלושה המקוטבת במלואה המדווחת.
איור 7
לסיכום, ביישומי WPT עם ספקי כוח ייעודיים, CP מועדף מכיוון שהוא משפר את יעילות ה-WPT ללא קשר לזווית הקיטוב של האנטנה. מצד שני, ברכישה מרובה מקורות, במיוחד ממקורות סביבה, אנטנות מקוטבות לחלוטין יכולות להשיג קליטה כללית טובה יותר וניידות מקסימלית; נדרשות ארכיטקטורות ריבוי יציאות/מרובי מיישר לשילוב הספק מקוטב מלא ב-RF או DC.
תַקצִיר
מאמר זה סוקר את ההתקדמות האחרונה בתכנון אנטנות עבור RFEH ו-WPT, ומציע סיווג סטנדרטי של עיצוב אנטנות עבור RFEH ו-WPT שלא הוצע בספרות קודמת. שלוש דרישות אנטנה בסיסיות להשגת יעילות גבוהה של RF-to-DC זוהו כ:
1. רוחב פס עכבת מיישר אנטנה עבור רצועות ה-RFEH וה-WPT המעניינות;
2. יישור האונה הראשית בין המשדר והמקלט ב-WPT מהזנה ייעודית;
3. התאמת קיטוב בין הרקטנה לגל המתרחש ללא קשר לזווית ולמיקום.
בהתבסס על עכבה, רקטנות מסווגות ל-50Ω ו- rectennas conjugate rectennas, תוך התמקדות בהתאמת עכבה בין פסים ועומסים שונים והיעילות של כל שיטת התאמה.
מאפייני הקרינה של משטחי SoA נבדקו מנקודת מבט של כיווניות וקיטוב. נדונות שיטות לשיפור הרווח על ידי יצירת קרן ואריזה כדי להתגבר על רוחב קרן צר. לבסוף, נבדקות רקמות CP עבור WPT, יחד עם יישומים שונים כדי להשיג קליטה בלתי תלויה בקיטוב עבור WPT ו-RFEH.
למידע נוסף על אנטנות, בקר בכתובת:
זמן פרסום: 16 באוגוסט 2024
