Antena-zuzengailuaren diseinua
2. irudiko EG topologiari jarraituz zuzentenen ezaugarria da antena zuzengailuarekin zuzenean lotzen dela, 50Ω estandarrari baino, eta horrek bat datorren zirkuitua minimizatzea edo ezabatzea eskatzen du zuzentzailea elikatzeko. Atal honek 50Ω ez diren antenak dituzten SoA errektennen abantailak berrikusten ditu eta sare parekaturik gabeko errektennen abantailak berrikusten ditu.
1. Elektrikoki antena txikiak
LC erresonantziadun eraztun-antenak oso erabiliak izan dira sistemaren tamaina kritikoa den aplikazioetan. 1 GHz-tik beherako maiztasunetan, uhin-luzerak elementu banatutako antenen estandarrak sistemaren tamaina orokorra baino espazio gehiago okupatzea eragin dezake, eta gorputz-inplanteetarako guztiz integratutako transzisoreak bezalako aplikazioek bereziki onuragarriak dira WPTrako antena elektriko txikiak erabiltzean.
Antena txikiaren indukziozko inpedantzia handia (erresonantziatik gertu) zuzengailua zuzenean akoplatzeko edo txiparen pareko sare kapazitibo gehigarri batekin erabil daiteke. Elektrikoki antena txikiak WPTn 1 GHz-tik beherako LP eta CPrekin Huygens dipolo antenak erabiliz jakinarazi dira, ka=0,645-ekin, eta ka=5,91 dipolo normaletan (ka=2πr/λ0).
2. Antena konjokatua zuzentzailea
Diodo baten sarrerako inpedantzia tipikoa oso kapazitiboa da, beraz, antena induktiboa behar da inpedantzia konjugatua lortzeko. Txiparen inpedantzia kapazitiboa dela eta, inpedantzia handiko antena induktiboak oso erabiliak izan dira RFID etiketetan. Duela gutxi, dipolo-antenen joera bihurtu dira RFID inpedantzia konplexuko antenen artean, inpedantzia (erresistentzia eta erreaktantzia) handia erakusten baitute haien erresonantzia-maiztasunetik gertu.
Dipolo-antena induktiboak erabili dira interesdun maiztasun-bandan zuzengailuaren kapazitate altuarekin parekatzeko. Tolestutako dipolo antena batean, lerro labur bikoitzak (dipolo tolestura) inpedantzia-transformadore gisa jokatzen du, oso inpedantzia handiko antena baten diseinua ahalbidetuz. Bestela, alborapenaren elikadura erreaktantzia induktiboa eta benetako inpedantzia areagotzeaz arduratzen da. Elementu dipolo alboragarri anitzekin konbinatuz, pajarita-gorbata erradial desorekatuekin konbinatuz, banda zabaleko inpedantzia handiko antena bikoitza osatzen dute. 4. irudian jakinarazitako zuzentzaile konjokatu antena batzuk erakusten dira.
4. irudia
Erradiazioaren ezaugarriak RFEH eta WPTn
Friis ereduan, transmisoretik d distantziara dagoen antena batek jasotzen duen PRX potentzia hargailuaren eta igorlearen irabazien (GRX, GTX) funtzio zuzena da.
Antenaren lobulu nagusiaren zuzenbide eta polarizazioak zuzenean eragiten du uhin gorabeheratsutik jasotako potentzian. Antenen erradiazio-ezaugarriak inguruneko RFEH eta WPT bereizten dituzten funtsezko parametroak dira (5. irudia). Bi aplikazioetan hedapen-euskarria ezezaguna izan daitekeen eta jasotako uhinean duen eragina kontuan hartu behar bada ere, igorle-antenaren ezagutza balia daiteke. 3. taulak atal honetan aztertutako funtsezko parametroak eta RFEH eta WPTrako duten aplikagarritasuna identifikatzen ditu.
5. irudia
1. Zuzentasuna eta irabazia
RFEH eta WPT aplikazio gehienetan, kolektoreak ez duela erradiazio intzidentearen norabidea ezagutzen eta ikusmen-lerrorik (LoS) biderik ez dagoela suposatzen da. Lan honetan, hainbat antena-diseinu eta kokapen ikertu dira iturri ezezagun batetik jasotako potentzia maximizatzeko, transmisorearen eta hartzailearen arteko lobulu nagusiaren lerrokaduratik independentea.
Omnidirekzionalak diren antena oso erabiliak izan dira ingurumeneko RFEH errektenetan. Literaturan, PSD antenaren orientazioaren arabera aldatzen da. Dena den, potentziaren aldakuntza ez da azaldu, beraz, ezin da zehaztu aldakuntza antenaren erradiazio-ereduari edo polarizazio-desegokitasunari zor zaion.
RFEH aplikazioez gain, irabazi handiko norabide-antenen eta matrizeen berri izan da mikrouhin WPTrako, RF potentzia-dentsitate baxuaren bilketaren eraginkortasuna hobetzeko edo hedapen-galerak gainditzeko. Yagi-Uda rectenna arrayak, bowtie arrayak, espiral arrayak, Vivaldi hertsiki elkartuak, CPW CP arrayak eta adabakiak eremu jakin baten azpian intzidentziaren potentzia dentsitatea maximizatu dezaketen zuzeneko inplementazio eskalagarrien artean daude. Antena-irabazpena hobetzeko beste ikuspegi batzuk honako hauek dira: substratuaren uhin-gida integratua (SIW) teknologia mikrouhin eta uhin milimetrikoen bandetan, WPTrako espezifikoa. Hala ere, irabazi altuko rectennek habe zabalera estuak dituzte, eta uhinak norabide arbitrarioetan jasotzea ez da eraginkorra egiten. Antena-elementu eta ataken kopuruari buruzko ikerketek ondorioztatu zuten zuzenbide handiagoa ez datorrela bat inguruneko RFEHn bildutako potentzia handiagoarekin hiru dimentsioko intzidentzia arbitrarioa suposatuz; hori hiri-inguruneetako landa-neurketen bidez egiaztatu zen. Irabazi handiko matrizeak WPT aplikazioetara mugatu daitezke.
Irabazi handiko antenen onurak RFEH arbitrarioetara transferitzeko, paketatze- edo diseinu-soluzioak erabiltzen dira zuzenbide-arazoa gainditzeko. Adabaki bikoitzeko antena eskumuturreko bat proposatzen da inguruneko Wi-Fi RFEHetatik energia biltzeko bi norabidetan. Inguruko RFEH anten zelularrak 3D kaxa gisa diseinatuta daude eta kanpoko gainazaletan inprimatuta edo atxikitzen dira sistemaren eremua murrizteko eta norabide anitzeko uzta ahalbidetzeko. Rectenna kubiko egiturak energia hartzeko probabilitate handiagoa erakusten dute inguruneko RFEHetan.
Beam-zabalera handitzeko antenen diseinuan hobekuntzak egin ziren, adabaki parasitoen elementu osagarriak barne, WPT 2,4 GHz-n, 4 × 1 matrizean hobetzeko. 6 GHz-ko sareko antena bat ere proposatu zen habe-eskualde anitzekin, portu bakoitzeko habe anitz frogatuz. Ataka anitzeko, zuzentzaile anitzeko gainazaleko rectennak eta noranzko omnidirezionaleko erradiazio-ereduak dituzten energia biltzeko antenak proposatu dira norabide anitzeko eta polarizatutako RFEHrako. Beamforming-matrizeak eta portu anitzeko antena-matrizeak dituzten multi-zuzengailuak ere proposatu dira irabazi handiko eta norabide anitzeko energia biltzeko.
Laburbilduz, RF dentsitate baxuetatik jasotako potentzia hobetzeko irabazi handiko antenak hobesten diren arren, baliteke norabide handiko hargailuak ez izatea aproposa igorlearen norabidea ezezaguna den aplikazioetan (adibidez, inguruneko RFEH edo WPT hedapen-kanal ezezagunen bidez). Lan honetan, habe anitzeko planteamendu anitz proposatzen dira norabide anitzeko irabazi handiko WPT eta RFEHrako.
2. Antenen polarizazioa
Antenen polarizazioak eremu elektrikoaren bektorearen mugimendua deskribatzen du antenaren hedapen-norabidearekiko. Polarizazio-desegokiak antenen arteko transmisioa/harrera murriztea ekar dezake lobulu nagusiak lerrokatuta egon arren. Adibidez, transmisiorako LP antena bertikala erabiltzen bada eta harrerarako LP antena horizontala erabiltzen bada, ez da potentziarik jasoko. Atal honetan, haririk gabeko harrera-eraginkortasuna maximizatzeko eta polarizazio-desegokitze galerak saihesteko jakinarazitako metodoak berrikusten dira. Polarizazioari dagokionez proposatzen den rectenna arkitekturaren laburpena 6. Irudian ematen da eta SoA adibide bat 4. taulan.
6. irudia
Komunikazio zelularrean, oinarrizko estazioen eta telefono mugikorren arteko polarizazio lineala lerrokatzea nekez lortuko da, beraz, oinarrizko estazioen antenak polarizatu bikoitzeko edo multipolarizatuak izateko diseinatuta daude, polarizazio desegokitze galerak ekiditeko. Hala ere, bide anitzeko efektuen ondoriozko LP uhinen polarizazio-aldakuntzak konpondu gabeko arazoa izaten jarraitzen du. Oinarrizko estazio mugikor multipolarizatuen suposizioan oinarrituta, RFEH antena zelularrak LP antena gisa diseinatuta daude.
CP rectennas WPT-n erabiltzen dira batez ere, bat ez datozenak nahiko erresistenteak direlako. CP antenek CP erradiazioa jasotzeko gai dira biraketa-norabide berdinarekin (ezker edo eskuineko CP) LP uhin guztien gain potentzia galerarik gabe. Nolanahi ere, CP antena transmititzen du eta LP antena 3 dB-ko galerarekin (%50 potentzia-galera) jasotzen du. CP rectennas egokiak direla jakinarazi dute 900 MHz eta 2,4 GHz eta 5,8 GHz banda industrial, zientifiko eta medikoetarako, baita uhin milimetrikoetarako ere. Arbitrarioki polarizatutako uhinen RFEHn, polarizazio aniztasunak polarizazio desegokitze galeretarako irtenbide potentziala adierazten du.
Polarizazio osoa, multipolarizazio gisa ere ezagutzen dena, polarizazio desegokitze galerak guztiz gainditzeko proposatu da, CP eta LP uhinak biltzea ahalbidetuz, non polarizazio bikoitzeko bi LP elementu ortogonalak LP eta CP uhin guztiak modu eraginkorrean jasotzen dituzten. Hori ilustratzeko, tentsio garbi bertikalak eta horizontalak (VV eta VH) konstante mantentzen dira polarizazio-angelua edozein dela ere:
CP uhin elektromagnetikoa "E" eremu elektrikoa, non potentzia bitan biltzen den (unitate bakoitzeko behin), horrela CP osagaia guztiz jasoz eta 3 dB-ko polarizazio-desegokitze galera gainditzen du:
Azkenik, DC konbinazioaren bidez, polarizazio arbitrarioko uhin gorabeheratsuak jaso daitezke. 7. irudiak jakinarazitako guztiz polarizatutako rectenna geometria erakusten du.
7. irudia
Laburbilduz, elikadura hornikuntza dedikatua duten WPT aplikazioetan, CP hobesten da WPT eraginkortasuna hobetzen duelako antenaren polarizazio angelua edozein dela ere. Bestalde, iturri anitzeko eskurapenean, batez ere ingurune-iturrietatik, guztiz polarizatutako antenenek harrera orokorra hobea eta eramangarritasun handiena lor dezakete; portu anitzeko/zuzentzaile anitzeko arkitekturak behar dira guztiz polarizatutako potentzia RF edo DC-n konbinatzeko.
Laburpena
Artikulu honek RFEH eta WPTrako antenen diseinuaren azken aurrerapena berrikusten du, eta aurreko literaturan proposatu ez den RFEH eta WPTrako antenen diseinuaren sailkapen estandarra proposatzen du. RF-to-DC eraginkortasun handia lortzeko antenen oinarrizko hiru eskakizun identifikatu dira:
1. Antena zuzentzailearen inpedantzia banda-zabalera intereseko RFEH eta WPT bandeetarako;
2. Igorlearen eta hargailuaren arteko lobulu nagusia lerrokatzea WPTn, jario dedikatu batetik;
3. Errektenaren eta uhin gorabeheratsuaren arteko polarizazioa parekatzea angelua eta posizioa edozein izanda ere.
Inpedantzian oinarrituta, rectennak 50Ω eta zuzentzaile konjokatu errektennetan sailkatzen dira, banda eta karga ezberdinen arteko inpedantzia parekatzean eta bat datozen metodo bakoitzaren eraginkortasunari arreta jarriz.
SoA rectennen erradiazio-ezaugarriak zuzentasunaren eta polarizazioaren ikuspegitik berrikusi dira. Beamforming bidez irabazia hobetzeko metodoak eta habe zabalera estua gainditzeko ontziratzeak eztabaidatzen dira. Azkenik, WPTrako CP rectennas berrikusten dira, WPT eta RFEH-ren polarizaziotik independenteko harrera lortzeko hainbat inplementaziorekin batera.
Antenei buruz gehiago jakiteko, bisitatu:
Argitalpenaren ordua: 2024-abuztuaren 16a
