Antenna-rektifikator qo'shma dizayni
2-rasmdagi EG topologiyasiga amal qiluvchi rektennalarning o'ziga xos xususiyati shundaki, antenna 50Ω standartiga emas, balki to'g'ridan-to'g'ri rektifikatorga mos keladi, bu esa rektifikatorni quvvatlantirish uchun mos keladigan sxemani minimallashtirish yoki olib tashlashni talab qiladi. Ushbu bo'limda 50Ω bo'lmagan antennalarga ega SoA rektennalarining va mos keladigan tarmoqlarga ega bo'lmagan rektennalarning afzalliklari ko'rib chiqiladi.
1. Elektr jihatidan kichik antennalar
LC rezonansli halqa antennalari tizim hajmi juda muhim bo'lgan ilovalarda keng qo'llanilgan. 1 gigagertsdan past chastotalarda to'lqin uzunligi standart taqsimlangan element antennalarining tizimning umumiy hajmidan ko'proq joy egallashiga olib kelishi mumkin va tana implantlari uchun to'liq integratsiyalashgan transversiyalar kabi ilovalar WPT uchun elektr jihatdan kichik antennalardan foydalanishdan ayniqsa foyda ko'radi.
Kichik antennaning yuqori induktiv impedansi (yaqin rezonans) to'g'ridan-to'g'ri rektifikatorni ulash yoki qo'shimcha chip ichidagi sig'imli moslashtirish tarmog'i bilan foydalanish mumkin. Gyuygens dipol antennalari yordamida 1 gigagertsdan past LP va CP bilan WPTda elektr jihatidan kichik antennalar haqida xabar berilgan, ka=0,645, normal dipollarda esa ka=5,91 (ka=2πr/λ0).
2. Rektifikator konjugat antennasi
Diodning odatiy kirish empedansi yuqori sig'imli, shuning uchun konjugat empedansga erishish uchun induktiv antenna talab qilinadi. Chipning sig'imli empedansi tufayli yuqori impedansli induktiv antennalar RFID teglarida keng qo'llanilgan. Dipol antennalari yaqinda murakkab impedansli RFID antennalarida trendga aylandi, ular rezonans chastotasiga yaqin joyda yuqori impedans (qarshilik va reaktivlik) ko'rsatadi.
Induktiv dipol antennalari qiziqish chastotasi diapazonidagi rektifikatorning yuqori sig'imiga mos kelish uchun ishlatilgan. Buklangan dipol antennasida qo'shaloq qisqa chiziq (dipol katlama) impedans transformatori vazifasini bajaradi, bu esa juda yuqori impedansli antennani loyihalash imkonini beradi. Shu bilan bir qatorda, tarafkashlik bilan oziqlantirish induktiv reaktansni, shuningdek, haqiqiy impedansni oshirish uchun javobgardir. Bir nechta tarafkash dipol elementlarini muvozanatsiz kamon bog'ichli radial stublar bilan birlashtirish ikki tomonlama keng polosali yuqori impedansli antennani hosil qiladi. 4-rasmda ba'zi xabar qilingan rektifikator konjugat antennalari ko'rsatilgan.
4-rasm
RFEH va WPTdagi radiatsiya xususiyatlari
Friis modelida, uzatgichdan d masofada joylashgan antenna tomonidan qabul qilingan PRX quvvati qabul qilgich va uzatgich kuchaytirgichlarining (GRX, GTX) bevosita funksiyasi hisoblanadi.
Antennaning asosiy lob yo'nalishi va qutblanishi tushayotgan to'lqindan to'plangan quvvat miqdoriga bevosita ta'sir qiladi. Antenna nurlanish xususiyatlari atrof-muhit RFH va WPT o'rtasidagi farqni ko'rsatadigan asosiy parametrlardir (5-rasm). Ikkala qo'llanilishda ham tarqalish muhiti noma'lum bo'lishi mumkin va uning qabul qilingan to'lqinga ta'sirini hisobga olish kerak bo'lsa-da, uzatuvchi antenna haqidagi bilimlardan foydalanish mumkin. 3-jadvalda ushbu bo'limda muhokama qilingan asosiy parametrlar va ularning RFH va WPTga qo'llanilishi ko'rsatilgan.
5-rasm
1. Yo'naltirish va foyda
Ko'pgina RFEH va WPT ilovalarida, kollektor tushayotgan nurlanish yo'nalishini bilmaydi va ko'rish chizig'i (LoS) yo'li yo'q deb taxmin qilinadi. Ushbu ishda, uzatgich va qabul qilgich o'rtasidagi asosiy lobning hizalanishidan qat'i nazar, noma'lum manbadan qabul qilingan quvvatni maksimal darajada oshirish uchun bir nechta antenna dizaynlari va joylashuvi o'rganildi.
Ko'p yo'nalishli antennalar atrof-muhit RFEH rektennalarida keng qo'llanilgan. Adabiyotlarda PSD antennaning yo'nalishiga qarab o'zgaradi. Biroq, quvvatning o'zgarishi tushuntirilmagan, shuning uchun o'zgarish antennaning nurlanish naqshiga bog'liqmi yoki polyarizatsiya nomuvofiqligidanmi, aniqlashning iloji yo'q.
RFEH qo'llanmalaridan tashqari, past RF quvvat zichligining yig'ish samaradorligini oshirish yoki tarqalish yo'qotishlarini bartaraf etish uchun mikroto'lqinli WPT uchun yuqori daromadli yo'nalishli antennalar va massivlar keng tarqalgan. Yagi-Uda rektenna massivlari, kamonli massivlar, spiral massivlar, mahkam bog'langan Vivaldi massivlari, CPW CP massivlari va yamoq massivlari ma'lum bir hududda tushish quvvat zichligini maksimal darajada oshirishi mumkin bo'lgan kengaytiriladigan rektenna implementatsiyalari qatoriga kiradi. Antenna kuchaytirishni yaxshilashning boshqa yondashuvlari WPTga xos bo'lgan mikroto'lqinli va millimetr to'lqin diapazonlarida substrat integratsiyalashgan to'lqin yo'riqnomasi (SIW) texnologiyasini o'z ichiga oladi. Biroq, yuqori daromadli rektennalar tor nur kengligi bilan tavsiflanadi, bu esa to'lqinlarni ixtiyoriy yo'nalishlarda qabul qilishni samarasiz qiladi. Antenna elementlari va portlari sonini o'rganish shuni ko'rsatdiki, uch o'lchovli ixtiyoriy tushishni hisobga olgan holda yuqori yo'nalishlilik atrof-muhit RFEHda yuqori yig'ilgan quvvatga mos kelmaydi; bu shahar muhitida dala o'lchovlari bilan tasdiqlangan. Yuqori daromadli massivlar WPT qo'llanmalari bilan cheklanishi mumkin.
Yuqori daromadli antennalarning afzalliklarini ixtiyoriy RFHlarga o'tkazish uchun yo'naltirish muammosini hal qilish uchun qadoqlash yoki joylashtirish yechimlaridan foydalaniladi. Atrofdagi Wi-Fi RFHlardan energiyani ikki yo'nalishda yig'ish uchun ikki tomonlama antenna bilaguzuk taklif qilinadi. Atrofdagi uyali RFH antennalari ham 3D qutilar sifatida ishlab chiqilgan va tizim maydonini kamaytirish va ko'p yo'nalishli yig'ishni ta'minlash uchun tashqi sirtlarga bosilgan yoki yopishtirilgan. Kub shaklidagi rektenna tuzilmalari atrofdagi RFHlarda energiya qabul qilish ehtimoli yuqori ekanligini ko'rsatadi.
2,4 gigagertsli, 4 × 1 massivlarda WPT ni yaxshilash uchun nur kengligini oshirish uchun antenna dizayniga yaxshilanishlar kiritildi, jumladan, yordamchi parazit yamoq elementlari. Shuningdek, har bir port uchun bir nechta nurlarni namoyish etuvchi bir nechta nurlanish mintaqalariga ega 6 gigagertsli to'rli antenna taklif qilindi. Ko'p yo'nalishli va ko'p qutbli RFEH uchun ko'p yo'nalishli nurlanish naqshlariga ega ko'p portli, ko'p rektifikatorli sirt rektennalari va energiya yig'ish antennalari taklif qilindi. Yuqori daromadli, ko'p yo'nalishli energiya yig'ish uchun nur hosil qiluvchi matritsalarga ega ko'p rektifikatorlar va ko'p portli antenna massivlari ham taklif qilindi.
Xulosa qilib aytganda, past chastotali zichlikdan olinadigan quvvatni yaxshilash uchun yuqori kuchaytirgichli antennalar afzal ko'rilsa-da, yuqori yo'nalishli qabul qilgichlar uzatgich yo'nalishi noma'lum bo'lgan ilovalarda (masalan, noma'lum tarqalish kanallari orqali atrof-muhit RFH yoki WPT) ideal bo'lmasligi mumkin. Ushbu ishda ko'p yo'nalishli yuqori kuchaytirgichli WPT va RFH uchun bir nechta ko'p nurli yondashuvlar taklif qilingan.
2. Antenna qutblanishi
Antenna qutblanishi elektr maydon vektorining antenna tarqalish yo'nalishiga nisbatan harakatini tavsiflaydi. Qutblanish nomuvofiqligi, hatto asosiy lob yo'nalishlari bir-biriga mos kelganda ham, antennalar orasidagi uzatish/qabul qilishning pasayishiga olib kelishi mumkin. Masalan, agar uzatish uchun vertikal LP antennasi va qabul qilish uchun gorizontal LP antennasi ishlatilsa, quvvat olinmaydi. Ushbu bo'limda simsiz qabul qilish samaradorligini maksimal darajada oshirish va qutblanish nomuvofiqligi yo'qotishlarining oldini olish bo'yicha xabar qilingan usullar ko'rib chiqiladi. Qutblanishga nisbatan taklif qilingan rektenna arxitekturasining qisqacha mazmuni 6-rasmda va SoA misoli 4-jadvalda keltirilgan.
6-rasm
Uyali aloqada tayanch stansiyalar va mobil telefonlar o'rtasida chiziqli polyarizatsiya moslashuviga erishish ehtimoli kam, shuning uchun tayanch stansiya antennalari polyarizatsiya mos kelmasligi yo'qotishlarining oldini olish uchun ikki qutblangan yoki ko'p qutblangan bo'lishi uchun mo'ljallangan. Biroq, ko'p yo'lli effektlar tufayli LP to'lqinlarining polyarizatsiya o'zgarishi hal qilinmagan muammo bo'lib qolmoqda. Ko'p qutblangan mobil tayanch stansiyalar haqidagi taxminga asoslanib, uyali RFEH antennalari LP antennalari sifatida mo'ljallangan.
CP rektennalari asosan WPTda ishlatiladi, chunki ular mos kelmaslikka nisbatan chidamli. CP antennalari barcha LP to'lqinlariga qo'shimcha ravishda bir xil aylanish yo'nalishi (chap qo'lli yoki o'ng qo'lli CP) bilan CP nurlanishini quvvat yo'qotmasdan qabul qila oladi. Qanday bo'lmasin, CP antennasi uzatadi va LP antennasi 3 dB yo'qotish (50% quvvat yo'qotilishi) bilan qabul qiladi. CP rektennalari 900 MGts va 2,4 gigagertsli va 5,8 gigagertsli sanoat, ilmiy va tibbiy diapazonlar, shuningdek, millimetr to'lqinlari uchun mos ekanligi xabar qilingan. O'zboshimchalik bilan qutblangan to'lqinlarning RFHda qutblanish xilma-xilligi qutblanish mos kelmaslik yo'qotishlariga potentsial yechimni ifodalaydi.
To'liq polyarizatsiya, shuningdek, ko'p polyarizatsiya deb ham ataladi, polyarizatsiya mos kelmasligi yo'qotishlarini to'liq bartaraf etish uchun taklif qilingan bo'lib, bu ikkala CP va LP to'lqinlarini to'plash imkonini beradi, bunda ikkita ikki polyarizatsiyalangan ortogonal LP elementlari barcha LP va CP to'lqinlarini samarali qabul qiladi. Buni ko'rsatish uchun vertikal va gorizontal sof kuchlanishlar (VV va VH) polyarizatsiya burchagidan qat'i nazar, doimiy bo'lib qoladi:
CP elektromagnit to'lqinining "E" elektr maydoni, bu yerda quvvat ikki marta (birlik uchun bir marta) yig'iladi, shu bilan CP komponentini to'liq qabul qiladi va 3 dB polyarizatsiya mos kelmasligi yo'qotilishini bartaraf etadi:
Nihoyat, doimiy tok kombinatsiyasi orqali ixtiyoriy qutblanishning tushayotgan to'lqinlarini olish mumkin. 7-rasmda xabar qilingan to'liq qutblangan rektennaning geometriyasi ko'rsatilgan.
7-rasm
Xulosa qilib aytganda, maxsus quvvat manbalariga ega WPT ilovalarida CP afzalroqdir, chunki u antennaning qutblanish burchagidan qat'i nazar, WPT samaradorligini oshiradi. Boshqa tomondan, ko'p manbali olishda, ayniqsa atrof-muhit manbalaridan, to'liq qutblangan antennalar umumiy qabul qilishni va maksimal portativlikni yaxshilashi mumkin; RF yoki DC da to'liq qutblangan quvvatni birlashtirish uchun ko'p portli/ko'p rektifikatorli arxitekturalar talab qilinadi.
Xulosa
Ushbu maqolada RFEH va WPT uchun antenna dizaynidagi so'nggi yutuqlar ko'rib chiqiladi va avvalgi adabiyotlarda taklif qilinmagan RFEH va WPT uchun antenna dizaynining standart tasnifi taklif qilinadi. Yuqori RF-DC samaradorligiga erishish uchun antennaning uchta asosiy talabi quyidagicha aniqlangan:
1. Qiziqish bildirayotgan RFEH va WPT diapazonlari uchun antenna rektifikatorining impedans o'tkazuvchanligi;
2. WPT da maxsus uzatmadan uzatuvchi va qabul qilgich o'rtasidagi asosiy lobning hizalanishi;
3. Burchak va pozitsiyadan qat'i nazar, rektena va tushayotgan to'lqin o'rtasidagi qutblanishning mos kelishi.
Impedansga asoslanib, rektennalar 50Ω va rektifikatorli konjugat rektennalarga bo'linadi, bunda turli diapazonlar va yuklar orasidagi impedansni moslashtirishga va har bir moslashtirish usulining samaradorligiga e'tibor qaratiladi.
SoA rektennalarining nurlanish xususiyatlari yo'nalish va qutblanish nuqtai nazaridan ko'rib chiqildi. Tor nur kengligini yengish uchun nur hosil qilish va qadoqlash orqali kuchaytirishni oshirish usullari muhokama qilinadi. Nihoyat, WPT uchun CP rektennalari, shuningdek, WPT va RFEH uchun qutblanishdan mustaqil qabul qilishga erishish uchun turli xil implementatsiyalar ko'rib chiqiladi.
Antennalar haqida ko'proq bilish uchun quyidagi manzilga tashrif buyuring:
Nashr vaqti: 2024-yil 16-avgust
