Antennen-Gleichrichter-Co-Design
Das Besondere an Gleichrichterantennen mit EG-Topologie in Abbildung 2 ist die direkte Anpassung der Antenne an den Gleichrichter anstelle des 50-Ω-Standards, der eine Minimierung oder den Verzicht auf die Anpassungsschaltung zur Versorgung des Gleichrichters erfordert. Dieser Abschnitt erläutert die Vorteile von SoA-Gleichrichterantennen mit Antennen anderer Art als 50 Ω und Gleichrichterantennen ohne Anpassungsnetzwerk.
1. Elektrisch kleine Antennen
LC-Resonanzringantennen werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen die Systemgröße entscheidend ist. Bei Frequenzen unter 1 GHz kann die Wellenlänge dazu führen, dass Standard-DET-Antennen mehr Platz beanspruchen als das Gesamtsystem benötigt. Anwendungen wie vollintegrierte Transceiver für Körperimplantate profitieren besonders vom Einsatz elektrisch kleiner Antennen für WPT.
Die hohe induktive Impedanz der kleinen Antenne (nahe der Resonanz) kann zur direkten Kopplung des Gleichrichters oder mit einem zusätzlichen kapazitiven Anpassnetzwerk auf dem Chip genutzt werden. Elektrisch kleine Antennen wurden in WPT mit LP und CP unter 1 GHz unter Verwendung von Huygens-Dipolantennen mit ka=0,645 gemeldet, während ka=5,91 bei normalen Dipolen (ka=2πr/λ0) liegt.
2. Gleichrichterkonjugierte Antenne
Die typische Eingangsimpedanz einer Diode ist hochkapazitiv, sodass eine induktive Antenne erforderlich ist, um eine konjugierte Impedanz zu erreichen. Aufgrund der kapazitiven Impedanz des Chips werden hochohmige induktive Antennen häufig in RFID-Tags verwendet. Dipolantennen sind in jüngster Zeit ein Trend bei RFID-Antennen mit komplexer Impedanz, da sie nahe ihrer Resonanzfrequenz eine hohe Impedanz (Resistance und Reaktanz) aufweisen.
Induktive Dipolantennen wurden verwendet, um die hohe Kapazität des Gleichrichters im relevanten Frequenzband anzupassen. Bei einer gefalteten Dipolantenne wirkt die doppelte kurze Leitung (Dipolfaltung) als Impedanztransformator und ermöglicht so die Konstruktion einer Antenne mit extrem hoher Impedanz. Alternativ erhöht die Vorspannungsspeisung sowohl den induktiven Blindwiderstand als auch die tatsächliche Impedanz. Die Kombination mehrerer vorgespannter Dipolelemente mit unsymmetrischen Bow-Tie-Radial-Stichleitungen ergibt eine duale Breitbandantenne mit hoher Impedanz. Abbildung 4 zeigt einige bekannte Antennen mit konjugiertem Gleichrichter.
Abbildung 4
Strahlungseigenschaften in RFEH und WPT
Im Friis-Modell ist die von einer Antenne in einer Entfernung d vom Sender empfangene Leistung PRX eine direkte Funktion der Empfänger- und Senderverstärkung (GRX, GTX).
Die Richtwirkung und Polarisation der Hauptkeule der Antenne wirken sich direkt auf die von der einfallenden Welle aufgenommene Leistung aus. Die Strahlungseigenschaften der Antenne sind Schlüsselparameter, die zwischen Umgebungs-RFEH und WPT unterscheiden (Abbildung 5). Während in beiden Anwendungen das Ausbreitungsmedium möglicherweise unbekannt ist und dessen Einfluss auf die empfangene Welle berücksichtigt werden muss, kann die Kenntnis der Sendeantenne genutzt werden. Tabelle 3 zeigt die in diesem Abschnitt besprochenen Schlüsselparameter und ihre Anwendbarkeit auf RFEH und WPT.
Abbildung 5
1. Richtwirkung und Verstärkung
Bei den meisten RFEH- und WPT-Anwendungen wird davon ausgegangen, dass der Kollektor die Richtung der einfallenden Strahlung nicht kennt und keine Sichtverbindung besteht. In dieser Arbeit wurden verschiedene Antennendesigns und -platzierungen untersucht, um die Empfangsleistung einer unbekannten Quelle unabhängig von der Hauptkeulenausrichtung zwischen Sender und Empfänger zu maximieren.
Rundstrahlantennen werden häufig in RFEH-Richtantennen für die Umwelt eingesetzt. In der Literatur wird angegeben, dass die Leistungsabweichung je nach Ausrichtung der Antenne variiert. Die Leistungsabweichung wurde jedoch nicht erklärt, sodass nicht festgestellt werden kann, ob sie auf das Strahlungsmuster der Antenne oder auf eine Polarisationsfehlanpassung zurückzuführen ist.
Neben HFEH-Anwendungen wurde auch für Mikrowellen-WPT häufig über hochverstärkende Richtantennen und -Arrays berichtet, um die Empfangseffizienz bei geringer HF-Leistungsdichte zu verbessern oder Ausbreitungsverluste zu vermeiden. Yagi-Uda-Rectenna-Arrays, Bowtie-Arrays, Spiral-Arrays, eng gekoppelte Vivaldi-Arrays, CPW-CP-Arrays und Patch-Arrays gehören zu den skalierbaren Rectenna-Implementierungen, die die einfallende Leistungsdichte in einer bestimmten Fläche maximieren können. Weitere Ansätze zur Verbesserung des Antennengewinns umfassen die substratintegrierte Wellenleitertechnologie (SIW) im Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich, die speziell für WPT geeignet ist. Hochverstärkende Rectennas zeichnen sich jedoch durch schmale Strahlbreiten aus, wodurch der Empfang von Wellen in beliebiger Richtung ineffizient wird. Untersuchungen zur Anzahl der Antennenelemente und -ports ergaben, dass eine höhere Richtwirkung bei HFEH-Umgebungen unter der Annahme eines dreidimensionalen beliebigen Einfalls nicht mit einer höheren Empfangsleistung korrespondiert; dies wurde durch Feldmessungen im städtischen Umfeld bestätigt. Hochverstärkende Arrays können auf WPT-Anwendungen beschränkt sein.
Um die Vorteile von Hochleistungsantennen auf beliebige RFEHs zu übertragen, werden Verpackungs- oder Layoutlösungen eingesetzt, um das Problem der Richtwirkung zu überwinden. Ein Armband mit Dual-Patch-Antenne wird vorgeschlagen, um Energie von WLAN-RFEHs in der Umgebung in zwei Richtungen zu gewinnen. RFEH-Antennen für die Umgebungsmobilität werden ebenfalls als 3D-Boxen konzipiert und auf Außenflächen gedruckt oder geklebt, um die Systemfläche zu reduzieren und eine multidirektionale Energiegewinnung zu ermöglichen. Kubische Rectenna-Strukturen weisen eine höhere Wahrscheinlichkeit des Energieempfangs in RFEHs in der Umgebung auf.
Verbesserungen am Antennendesign zur Erhöhung der Strahlbreite, einschließlich zusätzlicher parasitärer Patch-Elemente, wurden vorgenommen, um die WPT bei 2,4 GHz (4 × 1-Arrays) zu verbessern. Außerdem wurde eine 6-GHz-Maschenantenne mit mehreren Strahlbereichen vorgeschlagen, die mehrere Strahlen pro Port demonstriert. Für multidirektionale und multipolarisierte Hochfrequenzstrahlung (HFEH) wurden Multiport-Oberflächengleichrichterantennen und Energiegewinnungsantennen mit omnidirektionalem Strahlungsmuster vorgeschlagen. Multigleichrichter mit Strahlformungsmatrizen und Multiport-Antennenarrays wurden ebenfalls für die hochverstärkende, multidirektionale Energiegewinnung vorgeschlagen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Antennen mit hoher Verstärkung zwar bevorzugt werden, um die Leistungsausbeute bei niedrigen HF-Dichten zu verbessern, stark gerichtete Empfänger jedoch möglicherweise nicht ideal für Anwendungen mit unbekannter Senderrichtung sind (z. B. Umgebungs-HFEH oder WPT über unbekannte Ausbreitungskanäle). In dieser Arbeit werden mehrere Mehrstrahlansätze für multidirektionale WPT und RFEH mit hoher Verstärkung vorgeschlagen.
2. Antennenpolarisation
Die Antennenpolarisation beschreibt die Bewegung des elektrischen Feldvektors relativ zur Antennenausbreitungsrichtung. Polarisationsfehlanpassungen können zu einer verminderten Sende-/Empfangsleistung zwischen Antennen führen, selbst wenn die Hauptkeulenrichtungen ausgerichtet sind. Wird beispielsweise eine vertikale LP-Antenne zum Senden und eine horizontale LP-Antenne zum Empfangen verwendet, wird keine Leistung empfangen. In diesem Abschnitt werden Methoden zur Maximierung der drahtlosen Empfangseffizienz und zur Vermeidung von Verlusten durch Polarisationsfehlanpassung vorgestellt. Abbildung 6 gibt eine Zusammenfassung der vorgeschlagenen Rectenna-Architektur hinsichtlich der Polarisation, und Tabelle 4 zeigt ein Beispiel für einen SoA.
Abbildung 6
In der Mobilfunkkommunikation ist eine lineare Polarisationsanpassung zwischen Basisstationen und Mobiltelefonen kaum zu erreichen. Daher werden Basisstationsantennen dual- oder multipolarisiert ausgelegt, um Polarisationsfehlanpassungsverluste zu vermeiden. Die Polarisationsvariation von LP-Wellen aufgrund von Mehrwegeeffekten bleibt jedoch ein ungelöstes Problem. Basierend auf der Annahme multipolarisierter mobiler Basisstationen werden zellulare RFEH-Antennen als LP-Antennen ausgelegt.
CP-Richtantennen werden hauptsächlich im WPT eingesetzt, da sie relativ resistent gegen Fehlanpassung sind. CP-Antennen können neben allen LP-Wellen auch CP-Strahlung mit gleicher Drehrichtung (links- oder rechtsdrehend) ohne Leistungsverlust empfangen. In jedem Fall sendet die CP-Antenne und empfängt die LP-Antenne mit einem Verlust von 3 dB (50 % Leistungsverlust). CP-Richtantennen eignen sich für die industriellen, wissenschaftlichen und medizinischen Bänder 900 MHz, 2,4 GHz und 5,8 GHz sowie für Millimeterwellen. Bei RFEH beliebig polarisierter Wellen stellt Polarisationsdiversität eine mögliche Lösung für Polarisationsfehlanpassungsverluste dar.
Um Polarisationsfehlanpassungsverluste vollständig zu vermeiden und sowohl CP- als auch LP-Wellen zu erfassen, wurde die Vollpolarisation, auch Multipolarisation genannt, vorgeschlagen. Zwei dualpolarisierte orthogonale LP-Elemente empfangen dabei effektiv alle LP- und CP-Wellen. Zur Veranschaulichung bleiben die vertikalen und horizontalen Netzspannungen (VV und VH) unabhängig vom Polarisationswinkel konstant:
Elektrisches Feld „E“ der elektromagnetischen CP-Welle, bei dem die Leistung zweimal (einmal pro Einheit) gesammelt wird, wodurch die CP-Komponente vollständig empfangen und der Polarisationsfehlanpassungsverlust von 3 dB überwunden wird:
Schließlich können durch Gleichstromkombination einfallende Wellen beliebiger Polarisation empfangen werden. Abbildung 7 zeigt die Geometrie der berichteten vollständig polarisierten Rectenna.
Abbildung 7
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass CP bei WPT-Anwendungen mit dedizierter Stromversorgung bevorzugt wird, da es die WPT-Effizienz unabhängig vom Polarisationswinkel der Antenne verbessert. Andererseits können bei der Mehrquellenerfassung, insbesondere von Umgebungsquellen, vollpolarisierte Antennen einen besseren Gesamtempfang und maximale Portabilität erzielen. Um die vollpolarisierte Leistung bei HF oder DC zu kombinieren, sind Mehrport-/Mehrgleichrichterarchitekturen erforderlich.
Zusammenfassung
Dieser Artikel untersucht die jüngsten Fortschritte im Antennendesign für RFEH und WPT und schlägt eine Standardklassifizierung des Antennendesigns für RFEH und WPT vor, die in der bisherigen Literatur nicht vorgeschlagen wurde. Drei grundlegende Antennenanforderungen für eine hohe HF-zu-DC-Effizienz wurden identifiziert:
1. Impedanzbandbreite des Antennengleichrichters für die relevanten RFEH- und WPT-Bänder;
2. Hauptkeulenausrichtung zwischen Sender und Empfänger im WPT von einem dedizierten Feed;
3. Polarisationsanpassung zwischen der Rectenna und der einfallenden Welle unabhängig von Winkel und Position.
Basierend auf der Impedanz werden Rectennas in 50-Ω- und Gleichrichter-Konjugat-Rectifier-Rectennas eingeteilt, wobei der Schwerpunkt auf der Impedanzanpassung zwischen verschiedenen Bändern und Lasten und der Effizienz jeder Anpassungsmethode liegt.
Die Strahlungseigenschaften von SoA-Richtantennen wurden unter dem Gesichtspunkt der Richtwirkung und Polarisation untersucht. Methoden zur Verbesserung der Verstärkung durch Strahlformung und Verpackung zur Überwindung der schmalen Strahlbreite werden diskutiert. Abschließend werden CP-Richtantennen für WPT sowie verschiedene Implementierungen zur Erzielung eines polarisationsunabhängigen Empfangs für WPT und RFEH vorgestellt.
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Veröffentlichungszeit: 16. August 2024
