Gemeinsames Design von Antenne und Gleichrichter
Das Merkmal von Rectennas, die der EG-Topologie in Abbildung 2 folgen, besteht darin, dass die Antenne direkt an den Gleichrichter angepasst ist und nicht an den 50-Ω-Standard, der eine Minimierung oder Eliminierung der Anpassungsschaltung zur Stromversorgung des Gleichrichters erfordert. In diesem Abschnitt werden die Vorteile von SoA-Rectennas mit Nicht-50-Ω-Antennen und Rectennas ohne Anpassungsnetzwerke besprochen.
1. Elektrisch kleine Antennen
LC-Resonanzringantennen werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen die Systemgröße von entscheidender Bedeutung ist. Bei Frequenzen unter 1 GHz kann die Wellenlänge dazu führen, dass Standardantennen mit verteilten Elementen mehr Platz beanspruchen als die Gesamtgröße des Systems, und Anwendungen wie vollständig integrierte Transceiver für Körperimplantate profitieren besonders von der Verwendung 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 Anpassungsnetzwerk 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 berichtet, während ka=5,91 bei normalen Dipolen (ka=2πr/λ0) beträgt.
2. Gleichrichter-konjugierte Antenne
Die typische Eingangsimpedanz einer Diode ist stark kapazitiv, daher ist eine induktive Antenne erforderlich, um eine konjugierte Impedanz zu erreichen. Aufgrund der kapazitiven Impedanz des Chips werden in RFID-Tags häufig induktive Antennen mit hoher Impedanz verwendet. Dipolantennen haben sich in letzter Zeit zu einem Trend bei RFID-Antennen mit komplexer Impedanz entwickelt und weisen in der Nähe ihrer Resonanzfrequenz eine hohe Impedanz (Widerstand und Reaktanz) auf.
Induktive Dipolantennen wurden verwendet, um die hohe Kapazität des Gleichrichters im interessierenden Frequenzband anzupassen. Bei einer gefalteten Dipolantenne fungiert die doppelte kurze Leitung (Dipolfaltung) als Impedanztransformator und ermöglicht so den Entwurf einer Antenne mit extrem hoher Impedanz. Alternativ ist die Vorspannungsspeisung für die Erhöhung der induktiven Reaktanz sowie der tatsächlichen Impedanz verantwortlich. Durch die Kombination mehrerer vorgespannter Dipolelemente mit unsymmetrischen Bow-Tie-Radialstichleitungen entsteht eine duale Breitbandantenne mit hoher Impedanz. Abbildung 4 zeigt einige gemeldete konjugierte Gleichrichterantennen.
Abbildung 4
Strahlungseigenschaften in RFEH und WPT
Im Friis-Modell ist die von einer Antenne in einem Abstand d vom Sender empfangene Leistung PRX eine direkte Funktion der Empfänger- und Sendergewinne (GRX, GTX).
Die Richtwirkung und Polarisation der Hauptkeule der Antenne wirken sich direkt auf die von der einfallenden Welle gesammelte Energiemenge aus. Die Eigenschaften der Antennenstrahlung sind Schlüsselparameter, die zwischen Umgebungs-RFEH und WPT unterscheiden (Abbildung 5). Während in beiden Anwendungen das Ausbreitungsmedium möglicherweise unbekannt ist und seine Auswirkungen auf die empfangene Welle berücksichtigt werden müssen, kann die Kenntnis der Sendeantenne genutzt werden. Tabelle 3 identifiziert 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 es keinen Sichtlinienpfad (LoS) gibt. In dieser Arbeit wurden mehrere Antennendesigns und -platzierungen untersucht, um die Empfangsleistung von einer unbekannten Quelle unabhängig von der Hauptkeulenausrichtung zwischen Sender und Empfänger zu maximieren.
Rundstrahlantennen werden häufig in RFEH-Umweltantennen eingesetzt. In der Literatur variiert die PSD je nach Ausrichtung der Antenne. Allerdings wurde die Leistungsschwankung nicht erklärt, so dass nicht festgestellt werden kann, ob die Schwankung auf das Strahlungsmuster der Antenne oder auf eine Polarisationsfehlanpassung zurückzuführen ist.
Zusätzlich zu RFEH-Anwendungen wurde häufig über Richtantennen und Arrays mit hoher Verstärkung für Mikrowellen-WPT berichtet, um die Sammeleffizienz bei niedriger HF-Leistungsdichte zu verbessern oder Ausbreitungsverluste zu überwinden. 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 einem bestimmten Bereich maximieren können. Weitere Ansätze zur Verbesserung des Antennengewinns umfassen die substratintegrierte Wellenleitertechnologie (SIW) in Mikrowellen- und Millimeterwellenbändern, speziell für WPT. Allerdings zeichnen sich Rectennas mit hoher Verstärkung durch schmale Strahlbreiten aus, was den Empfang von Wellen in beliebige Richtungen ineffizient macht. Untersuchungen zur Anzahl der Antennenelemente und Ports ergaben, dass eine höhere Richtwirkung nicht mit einer höheren geernteten Leistung im RFEH der Umgebung einhergeht, wenn man von einem dreidimensionalen willkürlichen Einfall ausgeht; Dies wurde durch Feldmessungen in städtischen Umgebungen bestätigt. High-Gain-Arrays können auf WPT-Anwendungen beschränkt werden.
Um die Vorteile von Hochleistungsantennen auf beliebige RFEHs zu übertragen, werden Verpackungs- oder Layoutlösungen genutzt, um das Problem der Richtwirkung zu überwinden. Es wird ein Dual-Patch-Antennenarmband vorgeschlagen, um Energie aus WLAN-RFEHs in der Umgebung in zwei Richtungen zu gewinnen. Ambient-Mobilfunk-RFEH-Antennen sind ebenfalls als 3D-Boxen konzipiert und auf Außenflächen gedruckt oder aufgeklebt, um die Systemfläche zu reduzieren und eine multidirektionale Ernte zu ermöglichen. Kubische Rectenna-Strukturen weisen eine höhere Wahrscheinlichkeit des Energieempfangs in Umgebungs-RFEHs auf.
Verbesserungen am Antennendesign zur Vergrößerung der Strahlbreite, einschließlich zusätzlicher parasitärer Patchelemente, wurden vorgenommen, um die WPT bei 2,4 GHz und 4 × 1-Arrays zu verbessern. Außerdem wurde eine 6-GHz-Mesh-Antenne mit mehreren Strahlbereichen vorgeschlagen, die mehrere Strahlen pro Port demonstriert. Für multidirektionale und multipolarisierte RFEH wurden Multiport-, Multi-Gleichrichter-Oberflächenantennen und Energy-Harvesting-Antennen mit omnidirektionalen Strahlungsmustern vorgeschlagen. Für die multidirektionale Energiegewinnung mit hoher Verstärkung wurden auch Mehrfachgleichrichter mit Strahlformungsmatrizen und Antennenarrays mit mehreren Anschlüssen vorgeschlagen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Antennen mit hoher Verstärkung zwar bevorzugt werden, um die aus niedrigen HF-Dichten gewonnene Leistung zu verbessern, hochgerichtete Empfänger jedoch möglicherweise nicht ideal für Anwendungen sind, bei denen die Senderrichtung unbekannt ist (z. B. Umgebungs-RFEH 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 verringerten Übertragung/Empfang zwischen Antennen führen, selbst wenn die Hauptkeulenrichtungen ausgerichtet sind. Wenn beispielsweise eine vertikale LP-Antenne zum Senden und eine horizontale LP-Antenne zum Empfangen verwendet wird, wird kein Strom empfangen. In diesem Abschnitt werden beschriebene Methoden zur Maximierung der Effizienz des drahtlosen Empfangs und zur Vermeidung von Polarisationsfehlanpassungsverlusten besprochen. Eine Zusammenfassung der vorgeschlagenen Rectenna-Architektur im Hinblick auf die Polarisation ist in Abbildung 6 dargestellt und ein Beispiel für eine SoA ist in Tabelle 4 aufgeführt.
Abbildung 6
In der Mobilfunkkommunikation ist es unwahrscheinlich, dass eine lineare Polarisationsausrichtung zwischen Basisstationen und Mobiltelefonen erreicht wird. Daher sind Basisstationsantennen doppelt oder mehrfach polarisiert ausgelegt, um Polarisationsfehlanpassungsverluste zu vermeiden. Allerdings bleibt die Polarisationsschwankung von LP-Wellen aufgrund von Mehrwegeeffekten ein ungelöstes Problem. Basierend auf der Annahme multipolarisierter Mobilfunkbasisstationen sind zellulare RFEH-Antennen als LP-Antennen konzipiert.
CP-Rectennas werden hauptsächlich in WPT verwendet, da sie relativ resistent gegen Fehlanpassungen sind. CP-Antennen sind in der Lage, neben allen LP-Wellen auch CP-Strahlung mit gleicher Drehrichtung (linksdrehendes oder rechtsdrehendes CP) ohne Leistungsverlust zu empfangen. In jedem Fall sendet die CP-Antenne und die LP-Antenne empfängt mit einem Verlust von 3 dB (50 % Leistungsverlust). CP-Rectennas sollen für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Bänder mit 900 MHz, 2,4 GHz und 5,8 GHz sowie für Millimeterwellen geeignet sein. Bei der RFEH beliebig polarisierter Wellen stellt die Polarisationsdiversität eine mögliche Lösung für Polarisationsfehlanpassungsverluste dar.
Vollständige Polarisation, auch Multipolarisation genannt, wurde vorgeschlagen, um Polarisationsfehlanpassungsverluste vollständig zu überwinden und die Sammlung sowohl von CP- als auch LP-Wellen zu ermöglichen, wobei zwei dualpolarisierte orthogonale LP-Elemente effektiv alle LP- und CP-Wellen empfangen. Zur Veranschaulichung: Die vertikalen und horizontalen Netzspannungen (VV und VH) bleiben unabhängig vom Polarisationswinkel konstant:
Elektrisches Feld der elektromagnetischen CP-Welle „E“, bei dem die Leistung zweimal gesammelt wird (einmal pro Einheit), 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 gemeldeten vollständig polarisierten Rectenna.
Abbildung 7
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei WPT-Anwendungen mit dedizierten Netzteilen CP bevorzugt wird, da es die WPT-Effizienz unabhängig vom Polarisationswinkel der Antenne verbessert. Andererseits können bei der Erfassung mehrerer Quellen, insbesondere von Umgebungsquellen, vollständig polarisierte Antennen einen besseren Gesamtempfang und maximale Tragbarkeit erzielen; Multi-Port-/Multi-Gleichrichter-Architekturen sind erforderlich, um vollständig polarisierte Leistung bei HF oder Gleichstrom zu kombinieren.
Zusammenfassung
In diesem Artikel werden die jüngsten Fortschritte beim Antennendesign für RFEH und WPT untersucht und eine Standardklassifizierung des Antennendesigns für RFEH und WPT vorgeschlagen, die in der bisherigen Literatur nicht vorgeschlagen wurde. Drei grundlegende Antennenanforderungen zum Erreichen einer hohen HF-zu-DC-Effizienz wurden identifiziert:
1. Impedanzbandbreite des Antennengleichrichters für die interessierenden RFEH- und WPT-Bänder;
2. Hauptkeulenausrichtung zwischen Sender und Empfänger im WPT von einer dedizierten Einspeisung;
3. Polarisationsanpassung zwischen der Rectenna und der einfallenden Welle unabhängig von Winkel und Position.
Basierend auf der Impedanz werden Rectennas in 50-Ω- und gleichrichterkonjugierte Rectennas eingeteilt, wobei der Schwerpunkt auf der Impedanzanpassung zwischen verschiedenen Bändern und Lasten sowie der Effizienz jeder Anpassungsmethode liegt.
Die Strahlungseigenschaften von SoA-Rectennas wurden unter dem Gesichtspunkt der Richtwirkung und Polarisation überprüft. Es werden Methoden zur Verbesserung des Gewinns durch Strahlformung und Paketierung zur Überwindung enger Strahlbreiten diskutiert. Abschließend werden CP-Rectennas für WPT sowie verschiedene Implementierungen besprochen, um einen polarisationsunabhängigen Empfang für WPT und RFEH zu erreichen.
Um mehr über Antennen zu erfahren, besuchen Sie bitte:
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 16. August 2024
