Antena-zuzentzaile baterako diseinua
2. irudiko EG topologia jarraitzen duten zuzentenen ezaugarria da antena zuzenean zuzentzailearekin bat datorrela, 50Ω estandarrarekin bat etorri beharrean, eta horrek zuzentzailea elikatzeko egokitze zirkuitua minimizatu edo ezabatu behar duela eskatzen du. Atal honek 50Ω ez diren antenekin SoA zuzentenen eta egokitze sarerik gabeko zuzentenen abantailak aztertzen ditu.
1. Antena elektrikoki txikiak
LC erresonantziazko eraztun-antenak asko erabili izan dira sistemaren tamaina kritikoa den aplikazioetan. 1 GHz-tik beherako maiztasunetan, uhin-luzerak elementu banatu estandarreko antenek sistemaren tamaina orokorra baino leku gehiago hartzea eragin dezake, eta gorputz-inplanteetarako guztiz integratutako transzeptoreak bezalako aplikazioek bereziki onura ateratzen dute WPTrako antena elektrikoki txikiak erabiltzeatik.
Antena txikiaren inpedantzia induktibo handia (erresonantzia hurbila) erabil daiteke zuzentzailea zuzenean akoplatzeko edo txipean integratutako sare kapazitibo gehigarri batekin. Antena elektrikoki txikiak aurkitu dira WPTn, 1 GHz-tik beherako LP eta CPrekin, Huygens dipolo antenak erabiliz, ka=0,645 izanik, eta ka=5,91 dipolo normaletan (ka=2πr/λ0).
2. Zuzentzaile konjugatu antena
Diodo baten sarrera-inpedantzia tipikoa oso kapazitiboa da, beraz, antena induktibo bat behar da inpedantzia konjugatua lortzeko. Txip-aren inpedantzia kapazitiboa dela eta, inpedantzia handiko antena induktiboak asko erabili dira RFID etiketetan. Dipolo antenak joera bihurtu dira azkenaldian inpedantzia konplexuko RFID antenen artean, inpedantzia handia (erresistentzia eta erreaktantzia) erakusten baitute erresonantzia-maiztasunaren ondoan.
Intereseko maiztasun-bandan zuzentzailearen kapazitantzia handiari egokitzeko, dipolo induktiboko antenak erabili dira. Tolestutako dipolo antena batean, lerro labur bikoitzak (dipolo tolestura) inpedantzia-transformadore gisa jokatzen du, inpedantzia oso handiko antena bat diseinatzeko aukera emanez. Bestela, polarizazio-elikadurak erreaktantzia induktiboaren eta benetako inpedantzia handitzearen erantzule da. Dipolo polarizatu anitz elementu erradial desorekatuekin konbinatzeak banda zabaleko inpedantzia handiko antena bikoitz bat sortzen du. 4. irudiak zuzentzaile konjugatuen antena batzuk erakusten ditu.
4. irudia
Erradiazio-ezaugarriak RFEH eta WPT-n
Friis ereduan, igorletik d distantziara dagoen antena batek jasotzen duen PRX potentzia hargailuaren eta igorlearen irabazien (GRX, GTX) funtzio zuzena da.
Antenaren lobulu nagusiaren direktibitateak eta polarizazioak zuzenean eragiten diote eraso-uhinetik bildutako potentzia-kopuruari. Antenaren erradiazio-ezaugarriak dira RFEH eta WPT ingurukoen arteko bereizketa-parametro nagusiak (5. irudia). Bi aplikazioetan hedapen-ingurunea ezezaguna izan daitekeen arren eta jasotako uhinean duen eragina kontuan hartu behar den arren, transmisio-antenaren ezagutza ustia daiteke. 3. taulan atal honetan eztabaidatutako parametro nagusiak eta RFEH eta WPT-rako duten aplikagarritasuna identifikatzen dira.
5. irudia
1. Zuzengarritasuna eta irabazia
RFEH eta WPT aplikazio gehienetan, kolektoreak ez dakiela eraso-erradiazioaren norabidea eta ez dagoela ikusmen-lerroko (LoS) biderik suposatzen da. Lan honetan, hainbat antena-diseinu eta kokapen ikertu dira iturri ezezagun batetik jasotako potentzia maximizatzeko, igorlearen eta hartzailearen arteko lobulu nagusiaren lerrokaduratik independenteki.
Antena omnidirekzionalak asko erabili izan dira ingurumeneko RFEH zuzenetan. Literaturan, PSD antenaren orientazioaren arabera aldatzen da. Hala ere, potentziaren aldaketa ez da azaldu, beraz, ezinezkoa da zehaztea aldaketa antenaren erradiazio-ereduaren ondoriozkoa den edo polarizazio-desadostasunaren ondoriozkoa den.
RFEH aplikazioez gain, irabazi handiko norabide-antenen eta -multzoak mikrouhin-WPTrako asko erabili dira RF potentzia-dentsitate baxuko bilketa-eraginkortasuna hobetzeko edo hedapen-galerak gainditzeko. Yagi-Uda zuzeneko antenen multzoak, bowtie multzoak, espiral multzoak, estu akoplatutako Vivaldi multzoak, CPW CP multzoak eta adabaki multzoak dira eskalagarriak diren zuzeneko inplementazioen artean, eremu jakin batean intzidente-potentzia-dentsitatea maximiza dezaketenak. Antena-irabazia hobetzeko beste ikuspegi batzuk substratu integratuko uhin-gida (SIW) teknologia dira mikrouhin- eta milimetro-uhinen bandetan, WPTrako espezifikoa. Hala ere, irabazi handiko zuzeneko antenak habe-zabalera estuak dituzte, eta horrek norabide arbitrarioetan uhinen harrera ez-eraginkorra bihurtzen du. Antena-elementu eta -portuen kopuruari buruzko ikerketek ondorioztatu zuten direktibotasun handiagoak ez duela bat egiten RFEH giro-ingurunean bildutako potentzia handiagoarekin, hiru dimentsioko intzidentzia arbitrarioa suposatuz; hau hiri-inguruneetan egindako neurketen bidez egiaztatu zen. Irabazi handiko antenak WPT aplikazioetara mugatu daitezke.
Irabazi handiko antenen onurak RFEH arbitrarioetara transferitzeko, ontziratze edo diseinu irtenbideak erabiltzen dira direktibitate arazoa gainditzeko. Bi adabakiko antena eskumuturreko bat proposatzen da inguruko Wi-Fi RFEHetatik energia bi norabidetan biltzeko. Inguruko RFEH zelular antenak 3D kaxa gisa ere diseinatuta daude eta kanpoko gainazaletan inprimatuta edo itsasten dira sistemaren azalera murrizteko eta norabide anitzeko bilketa ahalbidetzeko. Egitura zuzen kubikoek energia jasotzeko probabilitate handiagoa dute inguruko RFEHetan.
Antenen diseinuan hobekuntzak egin dira habe-zabalera handitzeko, elementu parasito laguntzaileak barne, 2,4 GHz-ko WPT hobetzeko, 4 × 1 sareetan. 6 GHz-ko sare-antena bat ere proposatu zen, habe-eskualde anitzekin, portu bakoitzeko habe anitz erakutsiz. RFEH norabide anitzeko eta polarizatu anitzekoetarako, portu anitzeko zuzentzaile anitzeko gainazaleko zuzenak eta energia biltzeko antenak proposatu dira erradiazio-eredu omnidirekzionalak dituztenak. Irabazi handiko eta norabide anitzeko energia biltzeko, habe-formako matrizeak dituzten zuzentzaile anitzak eta portu anitzeko antena-matrizeak ere proposatu dira.
Laburbilduz, irabazi handiko antenak nahiago diren arren RF dentsitate baxuetatik lortutako potentzia hobetzeko, norabide handiko hargailuak agian ez dira idealak igorlearen norabidea ezezaguna den aplikazioetan (adibidez, inguruko RFEH edo WPT hedapen-kanal ezezagunen bidez). Lan honetan, hainbat habe anitzeko ikuspegi proposatzen dira irabazi handiko norabide anitzeko WPT eta RFEHrako.
2. Antenaren polarizazioa
Antenen polarizazioak eremu elektrikoaren bektorearen mugimendua deskribatzen du antenaren hedapen-norabidearekiko. Polarizazio-desadostasunek antenen arteko transmisioa/harrera murriztea ekar dezakete, lobulu nagusiaren norabideak lerrokatuta daudenean ere. Adibidez, LP antena bertikal bat erabiltzen bada transmisiorako eta LP antena horizontal bat harrerarako, ez da potentziarik jasoko. Atal honetan, haririk gabeko harrera-eraginkortasuna maximizatzeko eta polarizazio-desadostasun-galerak saihesteko metodoak berrikusten dira. Proposatutako zuzenna-arkitekturaren laburpena polarizazioari dagokionez 6. irudian ematen da eta SoA adibide bat 4. taulan.
6. irudia
Komunikazio zelularretan, nekez lortuko da polarizazio linealaren lerrokatzea oinarrizko estazioen eta telefono mugikorren artean, beraz, oinarrizko estazioen antenak polarizazio bikoitzeko edo polarizazio anitzekoak izateko diseinatzen dira polarizazio desadostasunen galerak saihesteko. Hala ere, LP uhinen polarizazio-aldaketa bide anitzeko efektuen ondorioz konpondu gabeko arazoa da oraindik. Oinarrizko estazio mugikorren polarizazio anitzekoen hipotesian oinarrituta, RFEH antena zelularrak LP antena gisa diseinatzen dira.
CP zuzenenak batez ere WPTn erabiltzen dira, desadostasunarekiko nahiko erresistenteak direlako. CP antenek CP erradiazioa biraketa-norabide berdinarekin (ezkertiarra edo eskuindarra CP) jaso dezakete, LP uhinez gain, potentzia-galerarik gabe. Nolanahi ere, CP antenak 3 dB-ko galerarekin transmititzen du eta LP antenak jasotzen du (% 50eko potentzia-galera). CP zuzenenak 900 MHz, 2,4 GHz eta 5,8 GHz-ko industria-, zientzia- eta medikuntza-bandetarako, baita milimetro-uhinetarako ere egokiak direla jakinarazi da. Uhin arbitrarioki polarizatuen RFEHn, polarizazio-aniztasuna polarizazio-desadostasun-galeren irtenbide potentziala da.
Polarizazio osoa, multipolarizazio izenez ere ezaguna, proposatu da polarizazio-desadostasun-galerak guztiz gainditzeko, CP eta LP uhinen bilketa ahalbidetuz, non bi LP elementu ortogonal polarizatu bikoitzek LP eta CP uhin guztiak jasotzen dituzten. Hori ilustratzeko, tentsio garbi bertikal eta horizontalak (VV eta VH) konstante mantentzen dira polarizazio-angelua edozein dela ere:
CP uhin elektromagnetikoa “E” eremu elektrikoa, non potentzia bi aldiz biltzen den (unitate bakoitzeko behin), horrela CP osagaia guztiz jasoz eta 3 dB-ko polarizazio desadostasun galera gaindituz:
Azkenik, DC konbinazioaren bidez, polarizazio arbitrarioko uhin intzidenteak jaso daitezke. 7. irudiak jakinarazitako zuzenen polarizazio osoaren geometria erakusten du.
7. irudia
Laburbilduz, elikatze-iturri dedikatuak dituzten WPT aplikazioetan, CP nahiago da, WPT eraginkortasuna hobetzen baitu antenaren polarizazio-angelua edozein dela ere. Bestalde, iturri anitzeko eskurapenean, batez ere inguruneko iturrietatik, antena guztiz polarizatuak harrera orokor hobea eta eramangarritasun maximoa lor ditzakete; portu anitzeko/zuzentzaile anitzeko arkitekturak behar dira RF edo DC-n potentzia guztiz polarizatua konbinatzeko.
Laburpena
Artikulu honek RFEH eta WPT antenen diseinuan izandako aurrerapen berrikusten du, eta aurreko literaturan proposatu ez den RFEH eta WPT antenen diseinuaren sailkapen estandar bat proposatzen du. RF-tik DC-rako eraginkortasun handia lortzeko hiru antena-eskakizun oinarrizko identifikatu dira:
1. Intereseko RFEH eta WPT banden antena zuzentzailearen inpedantzia-banda-zabalera;
2. Igorlearen eta hartzailearen arteko lobulu nagusiaren lerrokatzea WPT-n, jario dedikatu batetik;
3. Zuzenaren eta erasile-uhinaren arteko polarizazio-parekatzea, angelua eta posizioa edozein direla ere.
Inpedantzian oinarrituta, zuzentzaileak 50Ω-ko eta zuzentzaile konjugatu zuzentzaileetan sailkatzen dira, banda eta karga desberdinen arteko inpedantzia-egokitzapenean eta egokitzapen-metodo bakoitzaren eraginkortasunean arreta jarriz.
SoA zuzenen erradiazio-ezaugarriak berrikusi dira direktibitatearen eta polarizazioaren ikuspegitik. Izpi-zabalera estua gainditzeko habe-formazio eta paketatze bidez irabazia hobetzeko metodoak eztabaidatzen dira. Azkenik, WPTrako CP zuzenenak berrikusi dira, WPT eta RFEHrako polarizazioarekiko independentea den harrera lortzeko hainbat inplementaziorekin batera.
Antenei buruz gehiago jakiteko, bisitatu:
Argitaratze data: 2024ko abuztuaren 16a
