Progettazione congiunta di antenna e raddrizzatore
La caratteristica delle rectenne che seguono la topologia EG in Figura 2 è che l'antenna è direttamente adattata al raddrizzatore, anziché allo standard da 50 Ω, il che richiede la minimizzazione o l'eliminazione del circuito di adattamento per alimentare il raddrizzatore. Questa sezione esamina i vantaggi delle rectenne SoA con antenne diverse da 50 Ω e delle rectenne 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 transceiver completamente integrati per impianti corporei beneficiano in particolare dell'uso di antenne elettricamente compatte per WPT.
L'elevata impedenza induttiva della piccola antenna (prossima alla risonanza) può essere utilizzata per accoppiare direttamente il raddrizzatore o con una rete di adattamento capacitivo aggiuntiva sul chip. Antenne elettricamente piccole sono state segnalate in WPT con LP e CP inferiori a 1 GHz utilizzando antenne dipolo Huygens, con ka = 0,645, mentre ka = 5,91 nei dipoli normali (ka = 2πr/λ0).
2. Antenna coniugata raddrizzatore
L'impedenza di ingresso tipica di un diodo è altamente capacitiva, quindi è necessaria un'antenna induttiva per ottenere un'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, presentando un'elevata impedenza (resistenza e reattanza) in prossimità della loro frequenza di risonanza.
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 ripiegata, 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 di polarizzazione è responsabile dell'aumento della reattanza induttiva e dell'impedenza effettiva. Combinando più elementi dipolo polarizzati con stub radiali a farfalla sbilanciati si forma un'antenna doppia ad alta impedenza a banda larga. La Figura 4 mostra alcune antenne raddrizzatrici coniugate segnalate.
Figura 4
Caratteristiche delle radiazioni in RFEH e WPT
Nel modello di Friis, la potenza PRX ricevuta da un'antenna 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 influenzano direttamente la quantità di potenza raccolta dall'onda incidente. Le caratteristiche di radiazione dell'antenna sono parametri chiave che differenziano RFEH ambientale e WPT (Figura 5). Sebbene in entrambe le applicazioni il mezzo di propagazione possa essere sconosciuto e il suo effetto sull'onda ricevuta debba 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. 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 alcun 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 sorgente sconosciuta, indipendentemente dall'allineamento del lobo principale tra trasmettitore e 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 a un disadattamento di polarizzazione.
Oltre alle applicazioni RFEH, antenne e array direzionali ad alto guadagno sono stati ampiamente segnalati per WPT a microonde per migliorare l'efficienza di raccolta di bassa densità di potenza RF o superare le perdite di propagazione. Array di rectenne Yagi-Uda, array bowtie, array a spirale, array Vivaldi strettamente accoppiati, array CPW CP e array patch sono tra le implementazioni di rectenne scalabili in grado di 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 WPT. Tuttavia, le rectenne ad alto guadagno sono caratterizzate da larghezze di fascio ridotte, rendendo inefficiente la ricezione di 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 da 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 a rectenna cubica presentano una maggiore probabilità di ricezione dell'energia negli RFEH ambientali.
Sono stati apportati miglioramenti al design dell'antenna per aumentare la larghezza di fascio, inclusi elementi di patch parassiti ausiliari, per migliorare il WPT a 2,4 GHz, array 4 × 1. È stata inoltre proposta un'antenna mesh a 6 GHz con regioni di fascio multiple, che dimostra la presenza di fasci multipli per porta. Sono state proposte rectenne di superficie multiporta e multiraddrizzatore e antenne di energy harvesting con diagrammi di radiazione omnidirezionali per RFEH multidirezionale e multipolarizzata. Sono stati inoltre proposti raddrizzatori multipli con matrici di beamforming e array di antenne multiporta per energy harvesting multidirezionale ad alto guadagno.
In sintesi, sebbene le antenne ad alto guadagno siano preferite per migliorare la potenza raccolta da basse densità di RF, i ricevitori altamente direzionali potrebbero non essere la soluzione ideale 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-beam 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. Disadattamenti 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 potenza. In questa sezione vengono esaminati i metodi descritti per massimizzare l'efficienza della ricezione wireless ed evitare perdite dovute a disadattamenti di polarizzazione. Una sintesi dell'architettura della rectenna proposta rispetto alla polarizzazione è riportata nella Figura 6 e un esempio di SoA è riportato nella Tabella 4.
Figura 6
Nelle comunicazioni cellulari, è improbabile che venga raggiunto un allineamento di polarizzazione lineare tra stazioni base e telefoni cellulari, pertanto le antenne delle stazioni base sono progettate per essere a doppia o multipolarizzazione per evitare perdite dovute a disadattamento di polarizzazione. Tuttavia, la variazione di polarizzazione delle onde LP dovuta agli effetti multipath rimane un problema irrisolto. Sulla base del presupposto di stazioni base mobili multipolarizzate, le antenne RFEH cellulari sono progettate come antenne LP.
Le rectenne CP sono utilizzate principalmente nel WPT perché sono relativamente resistenti al mismatch. Le antenne CP sono in grado di ricevere la radiazione CP con la stessa direzione di rotazione (CP sinistrorsa o destrorsa) 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 rectenne CP sono indicate per le bande industriali, scientifiche e mediche a 900 MHz, 2,4 GHz e 5,8 GHz, nonché per le onde millimetriche. Nell'RFEH di onde a polarizzazione arbitraria, la diversità di polarizzazione rappresenta una potenziale soluzione alle perdite dovute al mismatch di polarizzazione.
La polarizzazione completa, nota anche come multipolarizzazione, è stata proposta per superare completamente le perdite dovute al disadattamento di polarizzazione, consentendo la raccolta di onde sia CP che 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:
Campo elettrico dell'onda elettromagnetica CP "E", in cui 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 di corrente continua, 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, la polarizzazione polarizzata (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 garantire una migliore ricezione complessiva e la massima portabilità; sono necessarie architetture multi-porta/multi-raddrizzatore per combinare l'alimentazione completamente polarizzata a 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, non proposta nella letteratura precedente. Sono stati identificati tre requisiti fondamentali per le antenne per ottenere un'elevata efficienza RF-DC:
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 in WPT da un feed dedicato;
3. Adattamento della polarizzazione tra la rectenna e l'onda incidente indipendentemente dall'angolo e dalla posizione.
In base all'impedenza, le rectenne vengono classificate in rectenne da 50Ω e rectenne raddrizzatrici coniugate, 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 esaminate dal punto di vista della direttività e della polarizzazione. Vengono discussi metodi per migliorare il guadagno mediante beamforming e packaging per superare la ridotta larghezza di fascio. Infine, vengono esaminate le rectenne 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
