Antennen-Gleichrichter-Co-Design
Charakteristisch für Gleichrichterantennen gemäß der EG-Topologie in Abbildung 2 ist die direkte Anpassung der Antenne an den Gleichrichter, anstatt des 50-Ω-Standards. Letzterer erfordert die Minimierung oder den Wegfall der Anpassungsschaltung zur Stromversorgung des Gleichrichters. In diesem Abschnitt werden die Vorteile von SoA-Gleichrichterantennen mit Nicht-50-Ω-Antennen und von Gleichrichterantennen ohne Anpassungsnetzwerke erläutert.
1. Elektrisch kleine Antennen
LC-Resonanzringantennen finden breite Anwendung in Bereichen, in denen die Systemgröße entscheidend ist. Bei Frequenzen unter 1 GHz kann die Wellenlänge dazu führen, dass herkömmliche Antennen mit verteilten Elementen mehr Platz beanspruchen als das Gesamtsystem selbst. Anwendungen wie vollintegrierte Transceiver für Körperimplantate profitieren daher besonders von elektrisch kleinen Antennen für die drahtlose Energieübertragung (WPT).
Die hohe induktive Impedanz der kleinen Antenne (nahe der Resonanzfrequenz) ermöglicht die direkte Ankopplung des Gleichrichters oder die Verwendung eines zusätzlichen kapazitiven Anpassungsnetzwerks auf dem Chip. Elektrisch kleine Antennen wurden in der drahtlosen Energieübertragung (WPT) mit linear polarisierter (LP) und zirkular polarisierter (CP) Antenne unterhalb von 1 GHz unter Verwendung von Huygens-Dipolantennen mit einem Ka-Wert von 0,645 realisiert, während dieser bei normalen Dipolen 5,91 beträgt (Ka = 2πr/λ₀).
2. Gleichrichter-Konjugatantenne
Die typische Eingangsimpedanz einer Diode ist stark kapazitiv, daher ist eine induktive Antenne erforderlich, um eine konjugierte Impedanz zu erzielen. Aufgrund der kapazitiven Impedanz des Chips werden in RFID-Tags häufig hochohmige induktive Antennen eingesetzt. Dipolantennen haben sich in letzter Zeit zu einem Trend bei RFID-Antennen mit komplexer Impedanz entwickelt, da sie in der Nähe ihrer Resonanzfrequenz eine hohe Impedanz (Widerstand und Reaktanz) aufweisen.
Induktive Dipolantennen werden eingesetzt, um die hohe Kapazität des Gleichrichters im relevanten Frequenzband anzupassen. Bei einer gefalteten Dipolantenne dient die doppelte Kurzleitung (Dipolfaltung) als Impedanzwandler und ermöglicht so die Realisierung einer Antenne mit extrem hoher Impedanz. Alternativ kann durch Vorspannung sowohl die induktive Reaktanz als auch die Impedanz erhöht werden. Die Kombination mehrerer vorgespannter Dipolelemente mit unsymmetrischen radialen Bow-Tie-Stichleitungen ergibt eine duale Breitbandantenne mit hoher Impedanz. Abbildung 4 zeigt einige bekannte 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 Senderverstärkung (GRX, GTX).
Die Richtcharakteristik und Polarisation der Antenne beeinflussen direkt die aus der einfallenden Welle gewonnene Leistung. Die Strahlungseigenschaften der Antenne sind entscheidende Parameter, die zwischen RFEH (Radiofrequenz-Emissions-Hall-Effekt) und WPT (Wireless-Transfer-Technologie) unterscheiden (Abbildung 5). Obwohl in beiden Anwendungsfällen das Ausbreitungsmedium unbekannt sein kann und dessen Einfluss auf die empfangene Welle berücksichtigt werden muss, lässt sich das Wissen über die Sendeantenne nutzen. Tabelle 3 listet die in diesem Abschnitt besprochenen Schlüsselparameter und ihre Anwendbarkeit auf RFEH und WPT auf.
Abbildung 5
1. Richtwirkung und Verstärkung
In den meisten RFEH- und WPT-Anwendungen wird angenommen, dass der Empfänger die Richtung der einfallenden Strahlung nicht kennt und keine Sichtverbindung besteht. In dieser Arbeit wurden verschiedene Antennendesigns und -positionen untersucht, um die Empfangsleistung einer unbekannten Quelle unabhängig von der Ausrichtung der Hauptkeule zwischen Sender und Empfänger zu maximieren.
Omnidirektionale Antennen finden breite Anwendung in Umwelt-RFEH-Rectennas. Laut Literatur variiert die Leistungsdichtefunktion (PSD) in Abhängigkeit von der Antennenausrichtung. Die Ursache dieser Leistungsänderung ist jedoch ungeklärt, sodass sich nicht feststellen lässt, ob sie auf das Strahlungsmuster der Antenne oder auf Fehlanpassungen der Polarisation zurückzuführen ist.
Neben Anwendungen im Bereich der drahtlosen Energieübertragung (WPT) im Mikrowellenbereich (RFEH) werden Richtantennen und Antennenarrays mit hoher Verstärkung häufig eingesetzt, um die Ausbeute bei geringer HF-Leistungsdichte zu verbessern oder Ausbreitungsverluste zu kompensieren. Yagi-Uda-Rectenna-Arrays, Bowtie-Arrays, Spiral-Arrays, eng gekoppelte Vivaldi-Arrays, CPW-CP-Arrays und Patch-Arrays zählen zu den skalierbaren Rectenna-Implementierungen, die die einfallende Leistungsdichte auf einer bestimmten Fläche maximieren können. Weitere Ansätze zur Verbesserung der Antennenverstärkung umfassen die Substrat-integrierte Wellenleitertechnologie (SIW) im Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich, die speziell für WPT entwickelt wurde. Allerdings weisen Richtantennen mit hoher Verstärkung schmale Strahlbreiten auf, was den Empfang von Wellen aus beliebigen Richtungen ineffizient macht. Untersuchungen zur Anzahl der Antennenelemente und Anschlüsse ergaben, dass eine höhere Richtwirkung bei RFEH im Umgebungsbereich nicht zwangsläufig zu einer höheren Energieausbeute führt, wenn ein beliebiger dreidimensionaler Einfallswinkel angenommen wird. Dies wurde durch Feldmessungen in urbanen Umgebungen bestätigt. Antennenarrays mit hoher Verstärkung sind daher auf WPT-Anwendungen beschränkt.
Um die Vorteile von Antennen mit hoher Verstärkung auf beliebige RFEHs (Radio-Flow Energy Headers) zu übertragen, werden Gehäuse- oder Layoutlösungen eingesetzt, um das Richtwirkungsproblem zu lösen. Ein Armband mit zwei Patchantennen wird vorgeschlagen, um Energie aus umgebenden Wi-Fi-RFEHs in zwei Richtungen zu gewinnen. Antennen für umgebende Mobilfunk-RFEHs werden außerdem als 3D-Gehäuse konstruiert und gedruckt oder auf Außenflächen geklebt, um die Systemfläche zu reduzieren und eine multidirektionale Energiegewinnung zu ermöglichen. Kubische Rectenna-Strukturen weisen eine höhere Wahrscheinlichkeit für den Energieempfang aus umgebenden RFEHs auf.
Zur Verbesserung der drahtlosen Energieübertragung (WPT) bei 2,4 GHz und 4×1-Arrays wurden Antennendesigns mit erhöhter Strahlbreite, einschließlich zusätzlicher parasitärer Patch-Elemente, optimiert. Zudem wurde eine 6-GHz-Mesh-Antenne mit mehreren Strahlbereichen vorgeschlagen, die mehrere Strahlen pro Port ermöglicht. Für multidirektionale und multipolarisierte RFEH wurden Oberflächen-Rectennas mit mehreren Ports und Mehrfachgleichrichtern sowie Energieernteantennen mit omnidirektionalen Strahlungsmustern entwickelt. Für hochverstärkende, multidirektionale Energiegewinnung wurden außerdem Mehrfachgleichrichter mit Beamforming-Matrizen und Mehrport-Antennenarrays vorgeschlagen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass zwar Antennen mit hoher Verstärkung bevorzugt werden, um die aus niedrigen HF-Dichten gewonnene Leistung zu verbessern, stark gerichtete Empfänger jedoch in Anwendungen, in denen die Senderichtung unbekannt ist (z. B. Umgebungs-HF-Energiegewinnung oder drahtlose Energieübertragung über unbekannte Ausbreitungskanäle), möglicherweise nicht optimal sind. In dieser Arbeit werden mehrere Mehrstrahlverfahren für multidirektionale, hochverstärkende drahtlose Energieübertragung und HF-Energiegewinnung vorgeschlagen.
2. Antennenpolarisation
Die Antennenpolarisation beschreibt die Bewegung des elektrischen Feldvektors relativ zur Ausbreitungsrichtung der Antenne. Fehlanpassungen der Polarisation können zu einer reduzierten Sende-/Empfangsleistung zwischen Antennen führen, selbst wenn die Hauptkeulenrichtungen übereinstimmen. 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 Fehlanpassungen der Polarisation vorgestellt. Eine Zusammenfassung der vorgeschlagenen Rectenna-Architektur hinsichtlich der Polarisation ist in Abbildung 6 dargestellt, und ein Beispiel für eine Systemarchitektur (SoA) findet sich in Tabelle 4.
Abbildung 6
In der Mobilkommunikation ist eine lineare Polarisationsausrichtung zwischen Basisstationen und Mobiltelefonen unwahrscheinlich. Daher sind Basisstationsantennen dual- oder multipolarisiert ausgelegt, um Verluste durch Fehlanpassung der Polarisation zu vermeiden. Die Polarisationsänderung von linear polarisierten Wellen aufgrund von Mehrwegeausbreitung stellt jedoch weiterhin ein ungelöstes Problem dar. Ausgehend von der Annahme multipolarisierter Mobilfunkbasisstationen sind zellulare RFEH-Antennen als linear polarisierte Antennen ausgelegt.
CP-Rectennas werden hauptsächlich in der drahtlosen Übertragungstechnik (WPT) eingesetzt, da sie relativ unempfindlich gegenüber Fehlanpassungen sind. CP-Antennen können neben allen LP-Wellen auch CP-Strahlung mit derselben Drehrichtung (links- oder rechtszirkular polarisiert) verlustfrei empfangen. Die CP-Antenne sendet, während die LP-Antenne mit einem Verlust von 3 dB (50 % Leistungsverlust) empfängt. CP-Rectennas eignen sich Berichten zufolge für die 900-MHz-, 2,4-GHz- und 5,8-GHz-Bänder für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Anwendungen sowie für Millimeterwellen. In der Funkfrequenz-Hall-of-Head-Technologie (RFEH) mit beliebig polarisierten Wellen stellt Polarisationsdiversität eine mögliche Lösung für Verluste durch Polarisationsfehlanpassung dar.
Die vollständige Polarisation, auch Multipolarisation genannt, wurde vorgeschlagen, um Verluste durch Fehlanpassung der Polarisation vollständig zu überwinden und die Erfassung sowohl zirkular polarisierter (CP) als auch linear polarisierter (LP) Wellen zu ermöglichen. Dabei empfangen zwei orthogonale, dualpolarisierte LP-Elemente effektiv alle LP- und CP-Wellen. Zur Veranschaulichung: Die vertikalen und horizontalen Nettospannungen (VV und VH) bleiben unabhängig vom Polarisationswinkel konstant.
CP-elektromagnetische Welle „E“ elektrisches Feld, bei dem die Leistung zweimal (einmal pro Einheit) gesammelt wird, wodurch die CP-Komponente vollständig aufgenommen und der 3 dB Polarisationsfehlanpassungsverlust überwunden wird:
Schließlich können durch Gleichstromkombination einfallende Wellen beliebiger Polarisation empfangen werden. Abbildung 7 zeigt die Geometrie der beschriebenen vollständig polarisierten Gleichrichterantenne.
Abbildung 7
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei WPT-Anwendungen mit dedizierten Stromversorgungen zirkular polarisierte Antennen (CP) bevorzugt werden, da sie die WPT-Effizienz unabhängig vom Polarisationswinkel der Antenne verbessern. Bei der Erfassung mehrerer Quellen, insbesondere von Umgebungsquellen, erzielen vollpolarisierte Antennen hingegen einen besseren Gesamtempfang und maximale Mobilität. Hierfür sind Architekturen mit mehreren Ports und Gleichrichtern erforderlich, um vollpolarisierte Leistung im HF- oder DC-Bereich zu kombinieren.
Zusammenfassung
Diese Arbeit gibt einen Überblick über die jüngsten Fortschritte im Antennendesign für RFEH und WPT und schlägt eine Standardklassifizierung für Antennendesigns für RFEH und WPT vor, die in der bisherigen Literatur nicht berücksichtigt wurde. Drei grundlegende Anforderungen an Antennen zur Erzielung eines hohen HF-zu-DC-Wirkungsgrads wurden identifiziert:
1. Impedanzbandbreite des Antennengleichrichters für die relevanten RFEH- und WPT-Bänder;
2. Ausrichtung der Hauptkeule zwischen Sender und Empfänger in WPT über eine dedizierte Zuleitung;
3. Polarisationsanpassung zwischen der Gleichrichterantenne und der einfallenden Welle unabhängig von Winkel und Position.
Auf Basis der Impedanz werden Gleichrichterantennen in 50Ω- und Gleichrichter-Konjugat-Gleichrichterantennen eingeteilt, wobei der Fokus auf der Impedanzanpassung zwischen verschiedenen Frequenzbändern und Lasten sowie der Effizienz der jeweiligen Anpassungsmethode liegt.
Die Strahlungseigenschaften von SoA-Rectennas wurden hinsichtlich Richtwirkung und Polarisation untersucht. Methoden zur Verbesserung des Gewinns durch Beamforming und Packaging zur Überwindung der geringen Strahlbreite werden diskutiert. Abschließend werden CP-Rectennas für WPT sowie verschiedene Implementierungen zur Erzielung polarisationsunabhängigen Empfangs für WPT und RFEH betrachtet.
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Veröffentlichungsdatum: 16. August 2024
