Progettazione congiunta antenna-raddrizzatore
La caratteristica delle rectenna che seguono la topologia EG in Figura 2 è che l'antenna è adattata direttamente al raddrizzatore, anziché allo standard di 50Ω, che richiede la minimizzazione o l'eliminazione del circuito di adattamento per alimentare il raddrizzatore. Questa sezione esamina i vantaggi delle rectenna SoA con antenne non a 50Ω e delle rectenna senza reti di adattamento.
1. Antenne elettricamente piccole
Le antenne ad anello risonante 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 standard a elementi distribuiti occupino più spazio rispetto alle dimensioni complessive del sistema, e applicazioni come i ricetrasmettitori completamente integrati per impianti corporei traggono particolare vantaggio dall'uso di antenne elettricamente piccole per la trasmissione wireless.
L'elevata impedenza induttiva della piccola antenna (vicina alla risonanza) può essere utilizzata per accoppiare direttamente il raddrizzatore o con un'ulteriore rete di adattamento capacitivo on-chip. Sono state riportate antenne elettricamente piccole in WPT con LP e CP al di sotto di 1 GHz utilizzando antenne a dipolo di 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. Recentemente, le antenne a dipolo sono diventate una tendenza nelle antenne RFID a impedenza complessa, in quanto presentano un'elevata impedenza (resistenza e reattanza) in prossimità della loro frequenza di risonanza.
Le antenne a dipolo induttivo sono state utilizzate per adattare l'elevata capacità del raddrizzatore nella banda di frequenza di interesse. In un'antenna a dipolo ripiegato, la doppia linea corta (ripiegamento del dipolo) agisce come un trasformatore di impedenza, consentendo la progettazione di un'antenna ad impedenza estremamente elevata. In alternativa, l'alimentazione di polarizzazione è responsabile dell'aumento della reattanza induttiva oltre che dell'impedenza effettiva. La combinazione di più elementi a dipolo polarizzati con stub radiali a farfalla sbilanciati forma una doppia antenna a banda larga ad alta impedenza. La Figura 4 mostra alcune antenne coniugate del raddrizzatore riportate in letteratura.
Figura 4
Caratteristiche delle radiazioni in RFEH e WPT
Nel modello di Friis, la potenza PRX ricevuta da un'antenna posta a una 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 la RFEH ambientale dalla 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, la conoscenza dell'antenna trasmittente può essere sfruttata. La Tabella 3 identifica i parametri chiave discussi in questa sezione e la loro applicabilità alla RFEH e alla WPT.
Figura 5
1. Direttività e guadagno
Nella maggior parte delle applicazioni RFEH e WPT, si presume 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 state studiate diverse configurazioni e posizionamenti di antenne per massimizzare la potenza ricevuta da una sorgente sconosciuta, indipendentemente dall'allineamento del lobo principale tra trasmettitore e ricevitore.
Le antenne omnidirezionali sono ampiamente utilizzate nelle rectenne RFEH ambientali. In letteratura, la densità spettrale di potenza (PSD) varia a seconda dell'orientamento dell'antenna. Tuttavia, la variazione di potenza non è stata spiegata, quindi non è possibile determinare se sia dovuta al diagramma di radiazione dell'antenna o al disadattamento di polarizzazione.
Oltre alle applicazioni RFEH, le antenne e gli array direzionali ad alto guadagno sono stati ampiamente utilizzati per la trasmissione di potenza wireless a microonde (WPT) al fine di migliorare l'efficienza di raccolta di basse densità di potenza RF o superare le perdite di propagazione. Gli array di rectenna Yagi-Uda, gli array a farfalla, gli array a spirale, gli array Vivaldi a forte accoppiamento, gli array CPW e gli array a patch sono tra le implementazioni scalabili di rectenna che possono massimizzare la densità di potenza incidente in una determinata area. Altri approcci per migliorare il guadagno dell'antenna includono la tecnologia SIW (Substrate Integrated Waveguide) nelle bande delle microonde e delle onde millimetriche, specifica per la WPT. Tuttavia, le rectenna ad alto guadagno sono caratterizzate da larghezze di fascio ridotte, che rendono inefficiente la ricezione di onde in direzioni arbitrarie. Indagini sul numero di elementi e porte dell'antenna hanno concluso che una maggiore direttività non corrisponde a una maggiore potenza raccolta nella RFEH ambientale, assumendo un'incidenza tridimensionale arbitraria; ciò è stato verificato da misurazioni sul campo in ambienti urbani. Gli array ad alto guadagno possono quindi essere limitati alle applicazioni WPT.
Per trasferire i vantaggi delle antenne ad alto guadagno a RFEH arbitrari, vengono utilizzate soluzioni di packaging o di layout per superare il problema della direttività. Viene proposto un braccialetto con antenna a doppio patch per raccogliere energia da RFEH Wi-Fi ambientali in due direzioni. Le antenne RFEH cellulari ambientali sono progettate anche come scatole 3D e stampate o incollate su superfici esterne per ridurre l'area del sistema e consentire la raccolta multidirezionale. Le strutture rectenna cubiche mostrano una maggiore probabilità di ricezione di energia in RFEH ambientali.
Sono stati apportati miglioramenti alla progettazione delle antenne per aumentare l'ampiezza del fascio, inclusi elementi patch parassiti ausiliari, al fine di migliorare il WPT a 2,4 GHz, con array 4 × 1. È stata inoltre proposta un'antenna mesh a 6 GHz con più regioni di fascio, dimostrando la presenza di più fasci per porta. Sono state proposte rectenne di superficie multi-porta e multi-raddrizzatore e antenne per la raccolta di energia con diagrammi di radiazione omnidirezionali per la RFEH multidirezionale e multipolarizzata. Sono stati inoltre proposti multi-raddrizzatori con matrici di beamforming e array di antenne multi-porta per la raccolta di energia multidirezionale ad alto guadagno.
In sintesi, sebbene le antenne ad alto guadagno siano preferibili 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 diversi approcci multi-fascio 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. Le discrepanze 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 si utilizza un'antenna LP verticale per la trasmissione e un'antenna LP orizzontale per la ricezione, non verrà ricevuta alcuna potenza. In questa sezione, vengono esaminati i metodi riportati per massimizzare l'efficienza di ricezione wireless ed evitare perdite dovute alla discrepanza di polarizzazione. Una sintesi dell'architettura della rectenna proposta in relazione alla polarizzazione è fornita nella Figura 6 e un esempio di SoA è riportato nella Tabella 4.
Figura 6
Nelle comunicazioni cellulari, è improbabile ottenere un allineamento lineare della polarizzazione tra stazioni base e telefoni cellulari; pertanto, le antenne delle stazioni base sono progettate per essere a doppia o multipla polarizzazione al fine di evitare perdite dovute al disadattamento di polarizzazione. Tuttavia, la variazione di polarizzazione delle onde LP dovuta agli effetti del multipath rimane un problema irrisolto. Basandosi sull'ipotesi di stazioni base mobili a multipla polarizzazione, le antenne RFEH cellulari sono progettate come antenne LP.
Le antenne raddrizzate a polarizzazione circolare (CP) sono utilizzate principalmente nella trasmissione di potenza wireless (WPT) perché sono relativamente resistenti al disadattamento di impedenza. Le antenne CP sono in grado di ricevere radiazioni CP con la stessa direzione di rotazione (CP destrorsa o sinistrorsa) 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 (50% di perdita di potenza). Le antenne raddrizzate a polarizzazione circolare sono considerate adatte per le bande industriali, scientifiche e mediche a 900 MHz, 2,4 GHz e 5,8 GHz, nonché per le onde millimetriche. Nella raccolta di energia da radiofrequenza (RFEH) di onde a polarizzazione arbitraria, la diversità di polarizzazione rappresenta una potenziale soluzione alle perdite dovute al disadattamento di polarizzazione.
La polarizzazione completa, nota anche come multipolarizzazione, è stata proposta per superare completamente le perdite dovute al disallineamento di polarizzazione, consentendo la raccolta di onde sia a polarizzazione circolare (CP) che a polarizzazione lineare (LP), dove due elementi LP ortogonali a doppia polarizzazione ricevono efficacemente 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:
Onda elettromagnetica CP "E" campo elettrico, dove la potenza viene raccolta due volte (una volta per unità), ricevendo così completamente la componente CP e superando la perdita di disadattamento di polarizzazione di 3 dB:
Infine, tramite la combinazione in corrente continua, è possibile ricevere onde incidenti di polarizzazione arbitraria. La Figura 7 mostra la geometria della rectenna completamente polarizzata descritta.
Figura 7
In sintesi, nelle applicazioni WPT con alimentatori dedicati, la polarizzazione circolare (CP) è preferibile perché migliora l'efficienza WPT indipendentemente dall'angolo di polarizzazione dell'antenna. D'altra parte, nell'acquisizione multi-sorgente, soprattutto da sorgenti ambientali, le antenne completamente polarizzate possono ottenere una migliore ricezione complessiva e la massima portabilità; sono necessarie architetture multi-porta/multi-raddrizzatore per combinare la potenza completamente polarizzata in RF o DC.
Riepilogo
Questo articolo esamina i recenti progressi nella progettazione di antenne per RFEH e WPT e propone una classificazione standard della progettazione di antenne per RFEH e WPT che non è stata proposta nella letteratura precedente. Sono stati identificati tre requisiti di base per le antenne al fine di ottenere un'elevata efficienza di conversione RF-DC:
1. Larghezza di banda dell'impedenza del raddrizzatore d'antenna per le bande RFEH e WPT di interesse;
2. Allineamento del lobo principale tra trasmettitore e ricevitore in WPT da un feed dedicato;
3. Corrispondenza di polarizzazione tra la rectenna e l'onda incidente, indipendentemente dall'angolo e dalla posizione.
In base all'impedenza, le rettenne vengono classificate in rettenne da 50Ω e rettenne a coniugazione raddrizzatore, con particolare attenzione all'adattamento di impedenza tra diverse bande e carichi e all'efficienza di ciascun metodo di adattamento.
Le caratteristiche di radiazione delle rettenne SoA sono state analizzate dal punto di vista della direttività e della polarizzazione. Vengono discussi i metodi per migliorare il guadagno tramite beamforming e packaging al fine di superare la ristrettezza del fascio. Infine, vengono esaminate le rettenne CP per WPT, insieme a varie implementazioni per ottenere una ricezione indipendente dalla polarizzazione per WPT e RFEH.
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Data di pubblicazione: 16 agosto 2024
