Co-progettazione antenna-raddrizzatore
La caratteristica delle antenne che seguono la topologia EG nella Figura 2 è che l'antenna è accoppiata direttamente al raddrizzatore, anziché allo standard da 50 Ω, che richiede la minimizzazione o l'eliminazione del circuito di adattamento per alimentare il raddrizzatore. Questa sezione esamina i vantaggi delle antenne rettangolari SoA con antenne non 50Ω e delle antenne rettangolari senza reti corrispondenti.
1. Antenne elettricamente piccole
Le antenne ad anello risonanti LC sono state ampiamente utilizzate in applicazioni in cui le dimensioni del sistema sono critiche. A frequenze inferiori a 1 GHz, la lunghezza d'onda può far sì che le antenne con elementi distribuiti standard occupino più spazio rispetto alla dimensione complessiva del sistema e applicazioni come ricetrasmettitori completamente integrati per impianti corporei traggono particolare vantaggio dall'uso di antenne elettricamente piccole per il WPT.
L'elevata impedenza induttiva della piccola antenna (vicino alla risonanza) può essere utilizzata per accoppiare direttamente il raddrizzatore o con un'ulteriore rete di adattamento capacitivo su chip. Antenne elettricamente piccole sono state riportate nel WPT con LP e CP inferiori a 1 GHz utilizzando antenne a dipolo Huygens, con ka=0,645, mentre ka=5,91 nei dipoli normali (ka=2πr/λ0).
2. Antenna coniugata del raddrizzatore
L'impedenza di ingresso tipica di un diodo è altamente capacitiva, quindi è necessaria un'antenna induttiva per ottenere l'impedenza coniugata. A causa dell'impedenza capacitiva del chip, le antenne induttive ad alta impedenza sono state ampiamente utilizzate nei tag RFID. Le antenne a dipolo sono recentemente diventate una tendenza nelle antenne RFID a impedenza complessa, mostrando un'elevata impedenza (resistenza e reattanza) vicino alla loro frequenza di risonanza.
Sono state utilizzate antenne a dipolo induttivo per abbinare l'elevata capacità del raddrizzatore nella banda di frequenza di interesse. In un'antenna a dipolo ripiegato, la doppia linea corta (ripiegamento del dipolo) funge da trasformatore di impedenza, consentendo la progettazione di un'antenna ad impedenza estremamente elevata. In alternativa, l'alimentazione bias è responsabile dell'aumento della reattanza induttiva e dell'impedenza effettiva. La combinazione di più elementi dipolari polarizzati con stub radiali a farfalla sbilanciati forma un'antenna doppia a banda larga ad alta impedenza. La Figura 4 mostra alcune antenne coniugate del raddrizzatore riportate.
Figura 4
Caratteristiche della radiazione in RFEH e WPT
Nel modello Friis, la potenza PRX ricevuta da un'antenna a distanza d dal trasmettitore è una funzione diretta dei guadagni del ricevitore e del trasmettitore (GRX, GTX).
La direttività e la polarizzazione del lobo principale dell'antenna influiscono direttamente sulla quantità di potenza raccolta dall'onda incidente. Le caratteristiche di radiazione dell'antenna sono parametri chiave che differenziano tra RFEH ambientale e WPT (Figura 5). Mentre in entrambe le applicazioni il mezzo di propagazione può essere sconosciuto e il suo effetto sull'onda ricevuta deve essere considerato, è possibile sfruttare la conoscenza dell'antenna trasmittente. La Tabella 3 identifica i parametri chiave discussi in questa sezione e la loro applicabilità a RFEH e WPT.
Figura 5
1. Direzionalità e guadagno
Nella maggior parte delle applicazioni RFEH e WPT, si presuppone che il collettore non conosca la direzione della radiazione incidente e che non vi sia un percorso in linea di vista (LoS). In questo lavoro sono stati studiati diversi progetti e posizionamenti di antenne per massimizzare la potenza ricevuta da una fonte sconosciuta, indipendentemente dall'allineamento del lobo principale tra il trasmettitore e il ricevitore.
Le antenne omnidirezionali sono state ampiamente utilizzate nelle rectenne RFEH ambientali. In letteratura la PSD varia a seconda dell'orientamento dell'antenna. Tuttavia, la variazione di potenza non è stata spiegata, quindi non è possibile determinare se la variazione sia dovuta al diagramma di radiazione dell'antenna o al disadattamento di polarizzazione.
Oltre alle applicazioni RFEH, sono stati ampiamente segnalati antenne e array direzionali ad alto guadagno per il WPT a microonde per migliorare l'efficienza di raccolta di bassa densità di potenza RF o superare le perdite di propagazione. Gli array di rectenna Yagi-Uda, gli array di papillon, gli array a spirale, gli array Vivaldi strettamente accoppiati, gli array CPW CP e gli array di patch sono tra le implementazioni di rectenna scalabili che possono massimizzare la densità di potenza incidente in una determinata area. Altri approcci per migliorare il guadagno dell'antenna includono la tecnologia della guida d'onda integrata nel substrato (SIW) nelle bande delle microonde e delle onde millimetriche, specifica per il WPT. Tuttavia, le antenne ad alto guadagno sono caratterizzate da larghezze di fascio ristrette, rendendo inefficiente la ricezione delle onde in direzioni arbitrarie. Le indagini sul numero di elementi e porte dell'antenna hanno concluso che una maggiore direttività non corrisponde a una maggiore potenza raccolta in RFEH ambientale assumendo un'incidenza arbitraria tridimensionale; ciò è stato verificato mediante misurazioni sul campo in ambienti urbani. Gli array ad alto guadagno possono essere limitati alle applicazioni WPT.
Per trasferire i vantaggi delle antenne ad alto guadagno a RFEH arbitrari, vengono utilizzate soluzioni di packaging o layout per superare il problema della direttività. Viene proposto un braccialetto con antenna a doppia patch per raccogliere energia dagli RFEH Wi-Fi ambientali in due direzioni. Le antenne RFEH cellulari ambientali sono inoltre progettate come scatole 3D e stampate o applicate su superfici esterne per ridurre l'area del sistema e consentire la raccolta multidirezionale. Le strutture cubiche della rectenna mostrano una maggiore probabilità di ricezione di energia negli RFEH ambientali.
Sono stati apportati miglioramenti alla progettazione dell'antenna per aumentare la larghezza del fascio, inclusi elementi patch parassiti ausiliari, per migliorare il WPT a 2,4 GHz, array 4 × 1. È stata inoltre proposta un'antenna mesh da 6 GHz con regioni a fascio multiplo, dimostrando fasci multipli per porta. Per RFEH multidirezionali e multipolarizzati sono state proposte antenne di superficie multiporta e multiraddrizzatore e antenne per la raccolta di energia con schemi di radiazione omnidirezionali. Sono stati proposti anche raddrizzatori multipli con matrici di beamforming e schiere di antenne multiporta per la raccolta di energia multidirezionale ad alto guadagno.
In sintesi, mentre le antenne ad alto guadagno sono preferite per migliorare la potenza raccolta da basse densità RF, i ricevitori altamente direzionali potrebbero non essere ideali in applicazioni in cui la direzione del trasmettitore è sconosciuta (ad esempio, RFEH ambientale o WPT attraverso canali di propagazione sconosciuti). In questo lavoro, vengono proposti più approcci multi-raggio per WPT e RFEH multidirezionali ad alto guadagno.
2. Polarizzazione dell'antenna
La polarizzazione dell'antenna descrive il movimento del vettore del campo elettrico rispetto alla direzione di propagazione dell'antenna. I disallineamenti di polarizzazione possono portare a una riduzione della trasmissione/ricezione tra le antenne anche quando le direzioni dei lobi principali sono allineate. Ad esempio, se per la trasmissione viene utilizzata un'antenna LP verticale e per la ricezione viene utilizzata un'antenna LP orizzontale, non verrà ricevuta alimentazione. In questa sezione vengono esaminati i metodi riportati per massimizzare l'efficienza della ricezione wireless ed evitare perdite di disadattamento di polarizzazione. Un riepilogo dell'architettura della rectenna proposta rispetto alla polarizzazione è fornito nella Figura 6 e un esempio di SoA è fornito nella Tabella 4.
Figura 6
Nelle comunicazioni cellulari, è improbabile che venga raggiunto l'allineamento della polarizzazione lineare tra stazioni base e telefoni cellulari, quindi le antenne delle stazioni base sono progettate per essere doppiamente o multipolarizzate per evitare perdite di disadattamento di polarizzazione. Tuttavia, la variazione di polarizzazione delle onde LP dovuta agli effetti multipercorso rimane un problema irrisolto. Basandosi sul presupposto di stazioni base mobili multipolarizzate, le antenne cellulari RFEH sono progettate come antenne LP.
Le rectenne CP vengono utilizzate principalmente nel WPT perché sono relativamente resistenti al disadattamento. Le antenne CP sono in grado di ricevere la radiazione CP con la stessa direzione di rotazione (CP mancino o destrorso) oltre a tutte le onde LP senza perdita di potenza. In ogni caso l'antenna CP trasmette e l'antenna LP riceve con una perdita di 3 dB (perdita di potenza del 50%). Si dice che le antenne CP siano adatte per le bande industriali, scientifiche e mediche da 900 MHz e 2,4 GHz e 5,8 GHz, nonché per le onde millimetriche. Nella RFEH di onde polarizzate arbitrariamente, la diversità di polarizzazione rappresenta una potenziale soluzione alle perdite di disadattamento di polarizzazione.
La polarizzazione completa, nota anche come multipolarizzazione, è stata proposta per superare completamente le perdite di disadattamento di polarizzazione, consentendo la raccolta di onde sia CP che LP, dove due elementi LP ortogonali a doppia polarizzazione ricevono effettivamente tutte le onde LP e CP. Per illustrare ciò, le tensioni nette verticali e orizzontali (VV e VH) rimangono costanti indipendentemente dall'angolo di polarizzazione:
Campo elettrico “E” dell'onda elettromagnetica CP, in cui la potenza viene raccolta due volte (una volta per unità), ricevendo così completamente il componente CP e superando la perdita di disadattamento di polarizzazione di 3 dB:
Infine, attraverso la combinazione DC, è possibile ricevere onde incidenti di polarizzazione arbitraria. La Figura 7 mostra la geometria della rectenna completamente polarizzata riportata.
Figura 7
In sintesi, nelle applicazioni WPT con alimentatori dedicati, il CP è preferito perché migliora l'efficienza del WPT indipendentemente dall'angolo di polarizzazione dell'antenna. D'altra parte, nell'acquisizione multisorgente, soprattutto da sorgenti ambientali, le antenne completamente polarizzate possono ottenere una migliore ricezione complessiva e la massima portabilità; sono necessarie architetture multiporta/multiraddrizzatore per combinare potenza completamente polarizzata a RF o CC.
Riepilogo
Questo articolo esamina i recenti progressi nella progettazione delle antenne per RFEH e WPT e propone una classificazione standard della progettazione delle antenne per RFEH e WPT che non è stata proposta nella letteratura precedente. Sono stati identificati tre requisiti base dell'antenna per ottenere un'elevata efficienza RF-CC:
1. Larghezza di banda dell'impedenza del raddrizzatore dell'antenna per le bande RFEH e WPT di interesse;
2. Allineamento del lobo principale tra trasmettitore e ricevitore nel WPT da un'alimentazione dedicata;
3. Corrispondenza della polarizzazione tra la rectenna e l'onda incidente indipendentemente dall'angolo e dalla posizione.
In base all'impedenza, le rectenne sono classificate in 50Ω e rectenne coniugate con raddrizzatore, con particolare attenzione all'adattamento dell'impedenza tra bande e carichi diversi e all'efficienza di ciascun metodo di adattamento.
Le caratteristiche di radiazione delle rectenne SoA sono state riviste dal punto di vista della direttività e della polarizzazione. Vengono discussi i metodi per migliorare il guadagno mediante beamforming e confezionamento per superare la larghezza del fascio ridotta. Infine, vengono esaminate le rectenne CP per il WPT, insieme a varie implementazioni per ottenere una ricezione indipendente dalla polarizzazione per WPT e RFEH.
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Orario di pubblicazione: 16 agosto 2024
