תכנון משותף של אנטנה-מיישר
המאפיין של מלבניות העוקבות אחר טופולוגיית EG באיור 2 הוא שהאנטנה מותאמת ישירות למיישר, ולא לתקן 50Ω, הדורש מזעור או ביטול של מעגל ההתאמה להפעלת המיישר. סעיף זה סוקר את היתרונות של מלבניות SoA עם אנטנות שאינן 50Ω ומלבניות ללא רשתות התאמה.
1. אנטנות קטנות מבחינה חשמלית
אנטנות טבעת תהודה מסוג LC נמצאות בשימוש נרחב ביישומים בהם גודל המערכת הוא קריטי. בתדרים מתחת ל-1 גיגה-הרץ, אורך הגל עלול לגרום לאנטנות אלמנט מבוזר סטנדרטיות לתפוס מקום רב יותר מהגודל הכולל של המערכת, ויישומים כגון משדרים-מקלטים משולבים במלואם עבור שתלי גוף נהנים במיוחד משימוש באנטנות קטנות מבחינה חשמלית עבור WPT.
ניתן להשתמש בעכבה האינדוקטיבית הגבוהה של האנטנה הקטנה (כמעט תהודה) כדי לחבר ישירות את המיישר או לרשת התאמה קיבולית נוספת על השבב. אנטנות קטנות מבחינה חשמלית דווחו ב-WPT עם LP ו-CP מתחת ל-1 גיגה-הרץ באמצעות אנטנות דיפול Huygens, עם ka=0.645, בעוד ש-ka=5.91 בדיפולים רגילים (ka=2πr/λ0).
2. אנטנת מצומדת מיישר
עכבת הקלט האופיינית של דיודה היא קיבולית מאוד, ולכן נדרשת אנטנה אינדוקטיבית כדי להשיג עכבה מצומדת. בשל העכבה הקיבולית של השבב, אנטנות אינדוקטיביות בעלות עכבה גבוהה נמצאות בשימוש נרחב בתגי RFID. אנטנות דיפול הפכו לאחרונה למגמה באנטנות RFID בעלות עכבה מורכבת, ומציגות עכבה גבוהה (התנגדות וריאקטנס) קרוב לתדר התהודה שלהן.
אנטנות דיפול אינדוקטיביות שימשו להתאמת הקיבול הגבוה של המיישר בתחום התדרים הרלוונטי. באנטנה דיפול מקופלת, הקו הקצר הכפול (קיפול דיפול) משמש כשנאי עכבה, מה שמאפשר תכנון של אנטנה בעלת עכבה גבוהה במיוחד. לחלופין, הזנת הטיה אחראית להגדלת הריאקציה האינדוקטיבית כמו גם העכבה בפועל. שילוב של מספר אלמנטים דיפול מוטים עם קטעי פרפר רדיאליים לא מאוזנים יוצר אנטנה כפולה בעלת עכבה גבוהה בפס רחב. איור 4 מציג כמה אנטנות מצומדות למיישר שדווחו.
איור 4
מאפייני קרינה ב-RFEH וב-WPT
במודל Friis, ההספק PRX הנקלט על ידי אנטנה במרחק d מהמשדר הוא פונקציה ישירה של הגבר המקלט והמשדר (GRX, GTX).
כיווניות האונה הראשית והקיטוב של האנטנה משפיעים ישירות על כמות ההספק הנאספת מהגל הפוגע. מאפייני קרינת האנטנה הם פרמטרים מרכזיים המבדילים בין RFEH סביבתי לבין WPT (איור 5). בעוד שבשני היישומים תווך ההתפשטות עשוי להיות לא ידוע ויש לקחת בחשבון את השפעתו על הגל הנקלט, ניתן לנצל את הידע על האנטנה המשדרת. טבלה 3 מזהה את הפרמטרים המרכזיים הנדונים בסעיף זה ואת תחולתם על RFEH ו-WPT.
איור 5
1. כיווניות והגבר
ברוב יישומי RFEH ו-WPT, ההנחה היא שהקולט אינו יודע את כיוון הקרינה הפוגעת ואין נתיב קו ראייה (LoS). בעבודה זו, נחקרו מספר עיצובים ומיקומים של אנטנות כדי למקסם את ההספק הנקלט ממקור לא ידוע, ללא תלות ביישור האונה הראשית בין המשדר למקלט.
אנטנות רב-כיווניות נמצאות בשימוש נרחב באנטנות RFEH סביבתיות. בספרות, ה-PSD משתנה בהתאם לכיוון האנטנה. עם זאת, השונות בהספק לא הוסברה, ולכן לא ניתן לקבוע האם השונות נובעת מדפוס הקרינה של האנטנה או עקב חוסר התאמה בקיטוב.
בנוסף ליישומי RFEH, אנטנות ומערכי כיווניות בעלי הגבר גבוה דווחו בהרחבה עבור WPT במיקרוגל כדי לשפר את יעילות האיסוף של צפיפות הספק RF נמוכה או להתגבר על הפסדי התפשטות. מערכי rectenna Yagi-Uda, מערכי Bowtie, מערכי Spiral, מערכי Vivaldi מצומדים היטב, מערכי CPW CP ומערכי Patch הם בין מימושי rectenna הניתנים להרחבה שיכולים למקסם את צפיפות ההספק הפוגה תחת שטח מסוים. גישות אחרות לשיפור הגבר האנטנה כוללות טכנולוגיית מוליך גל משולב מצע (SIW) בתחומי גלי מיקרוגל וגלי מילימטר, ספציפיים ל-WPT. עם זאת, rectennas בעלי הגבר גבוה מאופיינים ברוחבי אלומה צרים, מה שהופך את קליטת הגלים בכיוונים שרירותיים ללא יעילה. מחקרים על מספר רכיבי האנטנה והפורטים הגיעו למסקנה שכיווניות גבוהה יותר אינה תואמת הספק גבוה יותר שנאסף ב-RFEH סביבתי בהנחה של פגיעה שרירותית תלת-ממדית; ממצא זה אומת על ידי מדידות שדה בסביבות עירוניות. מערכי הגבר גבוה יכולים להיות מוגבלים ליישומי WPT.
כדי להעביר את היתרונות של אנטנות בעלות הגבר גבוה ל-RFEHs שרירותיים, נעשה שימוש בפתרונות אריזה או פריסה כדי להתגבר על בעיית הכיווניות. מוצע צמיד אנטנה בעל טלאי כפול כדי לקצור אנרגיה מ-RFEHs Wi-Fi בסביבה בשני כיוונים. אנטנות RFEH סלולריות בסביבה מתוכננות גם כקופסאות תלת-ממדיות ומודפסות או מודבקות למשטחים חיצוניים כדי להפחית את שטח המערכת ולאפשר קציר רב-כיווני. מבנים מלבניים קוביים מפגינים סבירות גבוהה יותר לקליטת אנרגיה ב-RFEHs בסביבה.
שיפורים בתכנון האנטנה להגדלת רוחב האלומה, כולל אלמנטים טפיליים עזריים של טלאים, בוצעו כדי לשפר את צריכת האנרגיה העדינה (WPT) בתדר 2.4 גיגה-הרץ, מערכים 4 × 1. כמו כן הוצעה אנטנת רשת של 6 גיגה-הרץ עם אזורי אלומה מרובים, המדגימה אלומות מרובות לכל פורט. אנטנות מלבניות מרובות פורטים, מרובות מיישרות ואנטנות קצירת אנרגיה עם דפוסי קרינה רב-כיווניים הוצעו עבור RFEH רב-כיוונית ורב-קוטבית. אנטנות מרובות מיישרות עם מטריצות יצירת אלומה ומערכי אנטנה מרובי פורטים הוצעו גם הן עבור קצירת אנרגיה רב-כיוונית בעלת הגבר גבוה.
לסיכום, בעוד שאנטנות בעלות הגבר גבוה עדיפות לשיפור ההספק הנאסף מצפיפויות RF נמוכות, מקלטים כיווניים מאוד עשויים לא להיות אידיאליים ביישומים שבהם כיוון המשדר אינו ידוע (למשל, RFEH סביבתי או WPT דרך ערוצי התפשטות לא ידועים). בעבודה זו, מוצעות מספר גישות מרובות-אלומות עבור WPT ו-RFEH רב-כיווניים בעלי הגבר גבוה.
2. קיטוב אנטנה
קיטוב אנטנה מתאר את תנועת וקטור השדה החשמלי יחסית לכיוון התפשטות האנטנה. חוסר התאמה בקיטוב יכול להוביל לירידה בשידור/קליטה בין אנטנות, גם כאשר כיווני האונה הראשיים מיושרים. לדוגמה, אם משתמשים באנטנת LP אנכית לשידור ואנטנת LP אופקית לקליטה, לא יתקבל חשמל. בסעיף זה, נסקרות שיטות שדווחו למקסום יעילות הקליטה האלחוטית ומניעת הפסדים עקב חוסר התאמה בקיטוב. סיכום של ארכיטקטורת הרקטנה המוצעת ביחס לקיטוב ניתן באיור 6 ודוגמה ל-SoA ניתנת בטבלה 4.
איור 6
בתקשורת סלולרית, סביר להניח שלא תושג יישור קיטוב ליניארי בין תחנות בסיס לטלפונים ניידים, ולכן אנטנות תחנות בסיס מתוכננות להיות דו-קוטביות או רב-קוטביות כדי למנוע הפסדים של אי-התאמה בקיטוב. עם זאת, שינוי הקיטוב של גלי LP עקב אפקטים מרובי נתיבים נותר בעיה בלתי פתורה. בהתבסס על ההנחה של תחנות בסיס ניידות רב-קוטביות, אנטנות RFEH סלולריות מתוכננות כאנטנות LP.
אנטנות CP משמשות בעיקר בשידור חי באמצעות רשת אלחוטית (WPT) משום שהן עמידות יחסית לחוסר התאמה. אנטנות CP מסוגלות לקלוט קרינת CP באותו כיוון סיבוב (CP שמאלי או ימני) בנוסף לכל גלי ה-LP ללא אובדן הספק. בכל מקרה, אנטנת ה-CP משדרת ואנטנת ה-LP קולטת עם אובדן הספק של 3 dB (אובדן הספק של 50%). אנטנות CP מתאימות, ככל הנראה, לתדרי תעשייה, מדעיות ורפואיים של 900 מגה-הרץ, 2.4 גיגה-הרץ ו-5.8 גיגה-הרץ, כמו גם לגלים מילימטריים. ב-RFEH של גלים מקוטבים באופן שרירותי, גיוון הקיטוב מייצג פתרון פוטנציאלי להפסדי אי התאמה בקיטוב.
קיטוב מלא, המכונה גם רב-קיטוב, הוצע כדי להתגבר לחלוטין על הפסדי אי-התאמה בקיטוב, ומאפשר איסוף של גלי CP ו-LP כאחד, כאשר שני אלמנטים אורתוגונליים דו-קוטביים של LP קולטים ביעילות את כל גלי ה-LP וה-CP. כדי להמחיש זאת, מתחי הרשת האנכיים והאופקיים (VV ו-VH) נשארים קבועים ללא קשר לזווית הקיטוב:
גל אלקטרומגנטי CP "E" שדה חשמלי, שבו הספק נאסף פעמיים (פעם אחת ליחידה), ובכך מקבל את רכיב ה-CP במלואו ומתגבר על אובדן אי-התאמה בקיטוב של 3 dB:
לבסוף, באמצעות שילוב של זרם ישר (DC), ניתן לקלוט גלי כניסה בעלי קיטוב שרירותי. איור 7 מציג את הגיאומטריה של המלקטנה המקוטבת במלואה המדווחת.
איור 7
לסיכום, ביישומי WPT עם ספקי כוח ייעודיים, CP עדיף משום שהוא משפר את יעילות ה-WPT ללא קשר לזווית הקיטוב של האנטנה. מצד שני, בקליטה מרובת מקורות, במיוחד ממקורות סביבתיים, אנטנות מקוטבות לחלוטין יכולות להשיג קליטה כוללת טובה יותר וניידות מקסימלית; ארכיטקטורות מרובות פורטים/מרובה מיישרים נדרשות כדי לשלב הספק מקוטב לחלוטין בתדר רדיו או זרם ישר.
תַקצִיר
מאמר זה סוקר את ההתקדמות האחרונה בתכנון אנטנות עבור RFEH ו-WPT, ומציע סיווג סטנדרטי של תכנון אנטנות עבור RFEH ו-WPT שלא הוצע בספרות קודמת. זוהו שלוש דרישות אנטנה בסיסיות להשגת יעילות גבוהה מ-RF ל-DC כדלקמן:
1. רוחב פס עכבת מיישר אנטנה עבור תחומי RFEH ו-WPT הרלוונטיים;
2. יישור אונה ראשית בין משדר למקלט ב-WPT מהזנה ייעודית;
3. התאמת קיטוב בין המשולש לגל הפוגע ללא קשר לזווית ולמיקום.
בהתבסס על עכבה, משטחי ריבוע מסווגים למשטחי ריבוע של 50Ω ומשטחי ריבוע מצומדים, תוך התמקדות בהתאמת עכבה בין רצועות ועומסים שונים והיעילות של כל שיטת התאמה.
מאפייני הקרינה של מלבני SoA נסקרו מנקודת מבט של כיווניות וקיטוב. נדונות שיטות לשיפור ההגבר על ידי עיצוב אלומה ואריזות כדי להתגבר על רוחב אלומה צר. לבסוף, נסקרים מלבני CP עבור WPT, יחד עם יישומים שונים להשגת קליטה בלתי תלויה בקיטוב עבור WPT ו-RFEH.
למידע נוסף על אנטנות, אנא בקרו באתר:
זמן פרסום: 16 באוגוסט 2024
