طراحی مشترک آنتن-یکسو کننده
مشخصه رکتن ها که از توپولوژی EG در شکل 2 پیروی می کنند این است که آنتن به جای استاندارد 50Ω به طور مستقیم با یکسو کننده مطابقت دارد، که نیاز به به حداقل رساندن یا حذف مدار تطبیق برای تغذیه یکسوساز دارد. این بخش به بررسی مزایای رکتن های SoA با آنتن های غیر 50Ω و رکتن های بدون شبکه های مشابه می پردازد.
1. آنتن های کوچک الکتریکی
آنتن های حلقه رزونانس LC به طور گسترده در برنامه هایی که اندازه سیستم حیاتی است استفاده می شود. در فرکانس‌های کمتر از 1 گیگاهرتز، طول موج ممکن است باعث شود آنتن‌های استاندارد توزیع شده فضای بیشتری نسبت به اندازه کلی سیستم اشغال کنند و کاربردهایی مانند فرستنده گیرنده کاملاً یکپارچه برای ایمپلنت‌های بدن به‌ویژه از استفاده از آنتن‌های کوچک الکتریکی برای WPT سود می‌برند.
امپدانس القایی بالای آنتن کوچک (رزونانس نزدیک) می تواند برای جفت کردن مستقیم یکسو کننده یا با یک شبکه تطبیق خازنی اضافی روی تراشه استفاده شود. آنتن های الکتریکی کوچک در WPT با LP و CP زیر 1 گیگاهرتز با استفاده از آنتن های دوقطبی هویگنس، با ka = 0.645 گزارش شده است، در حالی که ka = 5.91 در دوقطبی معمولی (ka = 2πr / λ0).
2. آنتن مزدوج یکسو کننده
امپدانس ورودی معمولی یک دیود بسیار خازنی است، بنابراین یک آنتن القایی برای دستیابی به امپدانس مزدوج مورد نیاز است. با توجه به امپدانس خازنی تراشه، آنتن های القایی امپدانس بالا به طور گسترده ای در برچسب های RFID استفاده شده است. آنتن‌های دوقطبی اخیراً به یک روند در آنتن‌های RFID با امپدانس پیچیده تبدیل شده‌اند و امپدانس بالایی (مقاومت و راکتانس) در نزدیکی فرکانس رزونانس خود نشان می‌دهند.
آنتن های دوقطبی القایی برای مطابقت با ظرفیت بالای یکسو کننده در باند فرکانسی مورد نظر استفاده شده است. در یک آنتن دوقطبی تا شده، خط کوتاه دوقطبی (تاشو دوقطبی) به عنوان یک ترانسفورماتور امپدانس عمل می کند و امکان طراحی یک آنتن با امپدانس بسیار بالا را فراهم می کند. از طرف دیگر، تغذیه بایاس مسئول افزایش راکتانس القایی و همچنین امپدانس واقعی است. ترکیب چندین عنصر دوقطبی بایاس با پایه های شعاعی پاپیونی نامتعادل، یک آنتن باند پهن دوگانه با امپدانس بالا را تشکیل می دهد. شکل 4 برخی از آنتن های مزدوج یکسو کننده گزارش شده را نشان می دهد.
شکل 4
ویژگی های تشعشع در RFEH و WPT
در مدل Friis، توان دریافتی PRX توسط یک آنتن در فاصله d از فرستنده، تابع مستقیمی از بهره های گیرنده و فرستنده است (GRX، GTX).
جهت دهی و پلاریزاسیون لوب اصلی آنتن به طور مستقیم بر میزان توان جمع آوری شده از موج فرودی تأثیر می گذارد. ویژگی های تابش آنتن پارامترهای کلیدی هستند که بین RFEH و WPT محیطی متمایز می شوند (شکل 5). در حالی که در هر دو کاربرد، محیط انتشار ممکن است ناشناخته باشد و اثر آن بر موج دریافتی باید در نظر گرفته شود، دانش آنتن فرستنده می تواند مورد سوء استفاده قرار گیرد. جدول 3 پارامترهای کلیدی مورد بحث در این بخش و کاربرد آنها برای RFEH و WPT را مشخص می کند.
شکل 5
1. جهت دهی و سود
در بیشتر کاربردهای RFEH و WPT، فرض بر این است که کلکتور جهت تابش تابشی را نمی‌داند و مسیر خط دید (LoS) وجود ندارد. در این کار، طرح‌ها و قرارگیری آنتن‌های متعدد برای به حداکثر رساندن توان دریافتی از یک منبع ناشناخته، مستقل از هم‌ترازی لوب اصلی بین فرستنده و گیرنده بررسی شده‌اند.
آنتن های همه جهته به طور گسترده در رکتن های RFEH محیطی استفاده شده اند. در ادبیات، PSD بسته به جهت آنتن متفاوت است. با این حال، تغییر در قدرت توضیح داده نشده است، بنابراین نمی توان تعیین کرد که آیا این تغییر به دلیل الگوی تابش آنتن است یا به دلیل عدم تطابق قطبش.
علاوه بر کاربردهای RFEH، آنتن ها و آرایه های جهت دار با بهره بالا به طور گسترده برای WPT مایکروویو گزارش شده اند تا راندمان جمع آوری چگالی توان RF پایین یا غلبه بر تلفات انتشار را بهبود بخشند. آرایه‌های Yagi-Uda rectenna، آرایه‌های پاپیونی، آرایه‌های مارپیچی، آرایه‌های Vivaldi با جفت شده محکم، آرایه‌های CPW CP و آرایه‌های پچ از جمله پیاده‌سازی‌های rectenna مقیاس‌پذیر هستند که می‌توانند چگالی توان فرود را در یک ناحیه خاص به حداکثر برسانند. روش‌های دیگر برای بهبود بهره آنتن شامل فناوری موجبر یکپارچه بستر (SIW) در باندهای امواج مایکروویو و میلیمتری، مخصوص WPT است. با این حال، rectennas با بهره بالا با پهنای پرتو باریک مشخص می شود، که دریافت امواج در جهت های دلخواه را ناکارآمد می کند. بررسی‌ها بر روی تعداد عناصر و پورت‌های آنتن به این نتیجه رسیدند که جهت‌پذیری بالاتر با توان برداشت شده بالاتر در RFEH محیطی با فرض وقوع سه بعدی دلخواه مطابقت ندارد. این با اندازه گیری های میدانی در محیط های شهری تأیید شد. آرایه های با بهره بالا را می توان به برنامه های WPT محدود کرد.
برای انتقال مزایای آنتن‌های با بهره بالا به RFEHهای دلخواه، راه‌حل‌های بسته‌بندی یا طرح‌بندی برای غلبه بر مشکل هدایت استفاده می‌شوند. یک مچ بند آنتن دوگانه برای برداشت انرژی از RFEH های وای فای محیطی در دو جهت پیشنهاد شده است. آنتن‌های سلولی RFEH محیطی نیز به‌عنوان جعبه‌های سه‌بعدی طراحی شده‌اند و برای کاهش مساحت سیستم و امکان برداشت چند جهته، چاپ یا به سطوح خارجی چسبانده می‌شوند. ساختارهای rectenna مکعبی احتمال بیشتری از دریافت انرژی را در RFEH های محیطی نشان می دهند.
بهبودهایی در طراحی آنتن برای افزایش پهنای پرتو، از جمله عناصر پچ انگلی کمکی، برای بهبود WPT در آرایه‌های 4×1 2.4 گیگاهرتز انجام شد. یک آنتن مش 6 گیگاهرتز با چندین ناحیه پرتو نیز پیشنهاد شد که پرتوهای متعدد در هر پورت را نشان می‌دهد. آنتن‌های چند پورت، چند یکسوکننده سطحی و آنتن‌های جمع‌آوری انرژی با الگوهای تابش همه‌جهت برای RFEH چند جهته و چند قطبی پیشنهاد شده‌اند. یکسوکننده‌های چندگانه با ماتریس‌های شکل‌دهی پرتو و آرایه‌های آنتن چند پورت نیز برای برداشت انرژی با بهره بالا و چند جهتی پیشنهاد شده‌اند.
به طور خلاصه، در حالی که آنتن‌های با بهره بالا برای بهبود توان برداشت شده از چگالی RF پایین ترجیح داده می‌شوند، گیرنده‌های بسیار جهت‌دار ممکن است در برنامه‌هایی که جهت فرستنده ناشناخته است (مانند RFEH یا WPT محیطی از طریق کانال‌های انتشار ناشناخته) ایده‌آل نباشند. در این کار، رویکردهای چند پرتوی چندگانه برای WPT و RFEH با بهره بالا چند جهته پیشنهاد شده‌اند.
2. قطبش آنتن
پلاریزاسیون آنتن حرکت بردار میدان الکتریکی را نسبت به جهت انتشار آنتن توصیف می کند. عدم تطابق قطبش می‌تواند منجر به کاهش انتقال/دریافت بین آنتن‌ها شود، حتی زمانی که جهت‌های لوب اصلی در یک راستا قرار دارند. به عنوان مثال، اگر از یک آنتن LP عمودی برای انتقال و یک آنتن LP افقی برای دریافت استفاده شود، هیچ برقی دریافت نخواهد شد. در این بخش، روش‌های گزارش‌شده برای به حداکثر رساندن راندمان دریافت بی‌سیم و جلوگیری از تلفات عدم تطابق قطبش بررسی می‌شوند. خلاصه ای از معماری rectenna پیشنهادی با توجه به قطبش در شکل 6 و یک مثال SoA در جدول 4 آورده شده است.
شکل 6
در ارتباطات سلولی، هم ترازی قطبی خطی بین ایستگاه های پایه و تلفن های همراه بعید است که به دست آید، بنابراین آنتن های ایستگاه پایه به گونه ای طراحی شده اند که دو قطبی یا چند قطبی باشند تا از تلفات عدم تطابق قطبی جلوگیری شود. با این حال، تغییر پلاریزاسیون امواج LP به دلیل اثرات چند مسیره یک مشکل حل نشده باقی مانده است. بر اساس فرض ایستگاه های پایه موبایل چند قطبی، آنتن های سلولی RFEH به عنوان آنتن های LP طراحی می شوند.
رکتن های CP عمدتاً در WPT استفاده می شوند زیرا در برابر عدم تطابق نسبتاً مقاوم هستند. آنتن های CP می توانند تشعشعات CP را با جهت چرخش یکسان (CP چپ دست یا راست دست) علاوه بر تمام امواج LP بدون افت توان دریافت کنند. در هر صورت آنتن CP ارسال می کند و آنتن LP با افت 3 دسی بل (50 درصد تلفات برق) دریافت می کند. CP rectennas برای باندهای صنعتی، علمی و پزشکی و همچنین امواج میلیمتری 900 مگاهرتز و 2.4 گیگاهرتز و 5.8 گیگاهرتز مناسب گزارش شده است. در RFEH امواج قطبی شده خودسرانه، تنوع پلاریزاسیون یک راه حل بالقوه برای تلفات عدم تطابق قطبش نشان می دهد.
قطبش کامل، همچنین به عنوان چند قطبی شناخته می شود، برای غلبه بر تلفات عدم تطابق قطبش پیشنهاد شده است، و امکان جمع آوری امواج CP و LP را فراهم می کند، که در آن دو عنصر LP متعامد دو قطبی به طور موثر تمام امواج LP و CP را دریافت می کنند. برای نشان دادن این موضوع، ولتاژهای خالص عمودی و افقی (VV و VH) بدون توجه به زاویه پلاریزاسیون ثابت می مانند:
میدان الکتریکی موج الکترومغناطیسی CP "E"، که در آن توان دو بار (یک بار در هر واحد) جمع‌آوری می‌شود، در نتیجه مولفه CP را به طور کامل دریافت می‌کند و بر کاهش عدم تطابق قطبش 3 دسی بل غلبه می‌کند:
در نهایت، از طریق ترکیب DC، امواج فرودی قطبش دلخواه را می توان دریافت کرد. شکل 7 هندسه رکتنا کاملاً پلاریزه گزارش شده را نشان می دهد.
شکل 7
به طور خلاصه، در برنامه های WPT با منابع تغذیه اختصاصی، CP ترجیح داده می شود زیرا راندمان WPT را بدون توجه به زاویه قطبش آنتن بهبود می بخشد. از سوی دیگر، در اکتساب چند منبع، به ویژه از منابع محیطی، آنتن های کاملاً پلاریزه می توانند به دریافت کلی بهتر و حداکثر قابلیت حمل دست یابند. معماری های چند پورت/چند یکسو کننده برای ترکیب توان کاملاً پلاریزه در RF یا DC مورد نیاز است.
خلاصه
این مقاله پیشرفت اخیر در طراحی آنتن برای RFEH و WPT را بررسی می‌کند و یک طبقه‌بندی استاندارد از طراحی آنتن برای RFEH و WPT را پیشنهاد می‌کند که در ادبیات قبلی پیشنهاد نشده است. سه الزام اصلی آنتن برای دستیابی به راندمان RF به DC بالا شناسایی شده است:
1. پهنای باند امپدانس یکسو کننده آنتن برای باندهای مورد علاقه RFEH و WPT.
2. هم ترازی لوب اصلی بین فرستنده و گیرنده در WPT از یک خوراک اختصاصی.
3. تطبیق قطبش بین رکتنا و موج فرودی بدون توجه به زاویه و موقعیت.
بر اساس امپدانس، رکتن‌ها به 50Ω و رکتن‌های مزدوج یکسوکننده، با تمرکز بر تطابق امپدانس بین باندها و بارهای مختلف و کارایی هر روش تطبیق طبقه‌بندی می‌شوند.
ویژگی های تشعشع rectennas SoA از منظر جهت و قطبش بررسی شده است. روش‌های بهبود بهره با شکل‌دهی پرتو و بسته‌بندی برای غلبه بر پهنای باریک پرتو مورد بحث قرار می‌گیرند. در نهایت، CP rectennas برای WPT، همراه با پیاده سازی های مختلف برای دستیابی به دریافت مستقل از قطبش برای WPT و RFEH بررسی می شود.
برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد آنتن ها به آدرس زیر مراجعه کنید:
زمان ارسال: اوت-16-2024
