Antenna-Rectifier Co-design
Ang kinaiya sa mga rectenna nga nagsunod sa EG topology sa Figure 2 mao nga ang antenna direkta nga gipares sa rectifier, kaysa sa 50Ω standard, nga nanginahanglan pagminus o pagwagtang sa katugbang nga circuit aron magamit ang rectifier. Kini nga seksyon nagrepaso sa mga bentaha sa SoA rectennas nga adunay non-50Ω antennas ug rectennas nga walay katugbang nga mga network.
1. Mga Gagmay nga Antenna sa Elektrisidad
Ang LC resonant ring antenna kay kaylap nga gigamit sa mga aplikasyon diin ang gidak-on sa sistema kritikal. Sa mga frequency nga ubos sa 1 GHz, ang wavelength mahimong hinungdan sa standard distributed element antennas nga mag-okupar ug mas daghang luna kay sa kinatibuk-ang gidak-on sa system, ug ang mga aplikasyon sama sa fully integrated transceiver para sa body implants ilabinang makabenepisyo sa paggamit sa electrically small antennas para sa WPT.
Ang taas nga inductive impedance sa gamay nga antenna (duol sa resonance) mahimong magamit aron direkta nga mag-uban sa rectifier o adunay dugang nga on-chip capacitive matching network. Ang gagmay nga mga antenna sa elektrisidad gitaho sa WPT nga adunay LP ug CP ubos sa 1 GHz gamit ang Huygens dipole antennas, nga adunay ka = 0.645, samtang ang ka = 5.91 sa normal nga dipoles (ka = 2πr / λ0).
2. Rectifier conjugate antenna
Ang kasagaran nga input impedance sa usa ka diode kay capacitive kaayo, mao nga gikinahanglan ang inductive antenna aron makab-ot ang conjugate impedance. Tungod sa capacitive impedance sa chip, ang taas nga impedance inductive antenna kay kaylap nga gigamit sa RFID tags. Ang mga dipole antenna bag-o lang nahimong uso sa komplikadong impedance RFID antennas, nga nagpakita sa taas nga impedance (pagbatok ug reactance) duol sa ilang resonant frequency.
Ang mga inductive dipole antenna gigamit aron ipahiangay ang taas nga kapasidad sa rectifier sa frequency band sa interes. Sa usa ka napilo nga dipole antenna, ang doble nga mubu nga linya (dipole folding) naglihok ingon usa ka impedance transformer, nga gitugotan ang disenyo sa usa ka labi ka taas nga impedance antenna. Sa laing bahin, ang bias feeding maoy responsable sa pagdugang sa inductive reactance ingon man sa aktuwal nga impedance. Ang paghiusa sa daghang biased dipole nga mga elemento nga adunay dili balanse nga bow-tie radial stubs nagporma og dual broadband high impedance antenna. Ang Figure 4 nagpakita sa pipila ka gitaho nga rectifier conjugate antenna.
Hulagway 4
Mga kinaiya sa radyasyon sa RFEH ug WPT
Sa Friis nga modelo, ang gahum nga PRX nga nadawat sa usa ka antenna sa layo d gikan sa transmitter usa ka direkta nga function sa receiver ug transmitter gains (GRX, GTX).
Ang panguna nga lobe directivity ug polarization sa antenna direktang makaapekto sa gidaghanon sa gahum nga nakolekta gikan sa insidente nga balud. Ang mga kinaiya sa radiation sa antena mao ang mga yawe nga mga parameter nga nagpalahi sa taliwala sa ambient RFEH ug WPT (Figure 5). Samtang sa duha ka aplikasyon ang propagation medium mahimong dili mahibal-an ug ang epekto niini sa nadawat nga balud kinahanglan nga tagdon, ang kahibalo sa pagpasa sa antenna mahimong mapahimuslan. Ang talaan 3 nag-ila sa mahinungdanong mga parametro nga gihisgutan niini nga seksyon ug ang ilang pagkaaplikar sa RFEH ug WPT.
Hulagway 5
1. Direktiba ug Gain
Sa kadaghanan sa mga aplikasyon sa RFEH ug WPT, gituohan nga ang kolektor wala mahibal-an ang direksyon sa radiation sa insidente ug wala’y linya sa panan-aw (LoS) nga agianan. Sa kini nga trabaho, daghang mga disenyo sa antenna ug mga pagbutang ang giimbestigahan aron mapadako ang nadawat nga gahum gikan sa usa ka wala mailhi nga gigikanan, nga independente sa panguna nga pag-align sa lobe tali sa transmitter ug sa tigdawat.
Ang omnidirectional antenna kay kaylap nga gigamit sa environmental RFEH rectennas. Sa literatura, ang PSD managlahi depende sa oryentasyon sa antenna. Bisan pa, ang kalainan sa gahum wala gipatin-aw, mao nga dili posible nga mahibal-an kung ang pagkalainlain tungod sa pattern sa radiation sa antenna o tungod sa polarization mismatch.
Dugang pa sa mga aplikasyon sa RFEH, ang mga high-gain nga direksyon nga antenna ug array kay kaylap nga gitaho para sa microwave WPT aron mapausbaw ang kahusayan sa pagkolekta sa ubos nga RF power density o mabuntog ang mga pagkawala sa pagpadaghan. Ang Yagi-Uda rectenna arrays, bowtie arrays, spiral arrays, hugot nga gidugtong nga Vivaldi arrays, CPW CP arrays, ug patch arrays usa sa mga scalable rectenna nga pagpatuman nga makapadako sa insidente sa power density ubos sa usa ka lugar. Ang ubang mga pamaagi aron mapaayo ang ganansya sa antenna naglakip sa substrate integrated waveguide (SIW) nga teknolohiya sa microwave ug millimeter wave bands, espesipiko sa WPT. Bisan pa, ang mga high-gain nga rectenna gihulagway sa hiktin nga mga beamwidth, nga naghimo sa pagdawat sa mga balud sa arbitraryong direksyon nga dili epektibo. Ang mga imbestigasyon sa gidaghanon sa mga elemento sa antenna ug mga pantalan nakahinapos nga ang mas taas nga directivity dili katumbas sa mas taas nga harvested power sa ambient RFEH nga nagtuo nga ang three-dimensional nga arbitraryong insidente; gipamatud-an kini pinaagi sa mga pagsukod sa uma sa mga palibot sa kasyudaran. Ang high-gain arrays mahimong limitado sa mga aplikasyon sa WPT.
Aron mabalhin ang mga benepisyo sa mga high-gain nga antenna sa mga arbitraryong RFEH, ang mga solusyon sa pagputos o layout gigamit aron mabuntog ang isyu sa pagkadirekta. Usa ka dual-patch antenna wristband ang gisugyot nga mag-ani og kusog gikan sa ambient Wi-Fi RFEHs sa duha ka direksyon. Ang ambient cellular RFEH antennas gidesinyo usab isip 3D boxes ug giimprinta o gisunod sa gawas nga mga ibabaw aron makunhuran ang system area ug makahimo sa multi-directional harvesting. Ang mga istruktura sa cubic rectenna nagpakita sa mas taas nga posibilidad sa pagdawat sa enerhiya sa ambient RFEHs.
Ang mga pag-ayo sa disenyo sa antenna aron madugangan ang beamwidth, lakip ang auxiliary parasitic patch nga mga elemento, gihimo aron mapaayo ang WPT sa 2.4 GHz, 4 × 1 arrays. Gisugyot usab ang usa ka 6 GHz mesh antenna nga adunay daghang rehiyon sa beam, nga nagpakita sa daghang mga beam matag pantalan. Ang multi-port, multi-rectifier surface rectennas ug energy harvesting antennas nga adunay omnidirectional radiation patterns gisugyot alang sa multi-directional ug multi-polarized RFEH. Ang mga multi-rectifier nga adunay beamforming matrice ug multi-port antenna arrays gisugyot usab alang sa high-gain, multi-directional energy harvesting.
Sa katingbanan, samtang ang mga high-gain nga antenna gipalabi aron mapaayo ang gahum nga nakuha gikan sa ubos nga mga densidad sa RF, ang labi ka direksyon nga mga tigdawat mahimo’g dili maayo sa mga aplikasyon diin ang direksyon sa transmitter wala mahibal-an (pananglitan, ambient RFEH o WPT pinaagi sa wala mailhi nga mga channel sa pagpalaganap). Niini nga trabaho, daghang multi-beam approach ang gisugyot alang sa multi-directional high-gain WPT ug RFEH.
2. Antenna Polarization
Ang polarization sa antena naghulagway sa paglihok sa electric field vector nga may kalabotan sa direksyon sa pagpadaghan sa antenna. Ang polarization mismatches mahimong mosangpot sa pagkunhod sa transmission/pagdawat tali sa mga antenna bisan kung ang mga nag-unang direksyon sa lobe nahiuyon. Pananglitan, kung ang usa ka bertikal nga LP antenna gigamit alang sa transmission ug usa ka pinahigda nga LP antenna ang gigamit alang sa pagdawat, wala’y gahum nga madawat. Niini nga seksyon, ang gitaho nga mga pamaagi alang sa pag-maximize sa wireless nga pagdawat nga kahusayan ug paglikay sa polarization mismatch nga mga pagkawala girepaso. Usa ka summary sa gisugyot nga rectenna nga arkitektura kalabot sa polarization gihatag sa Figure 6 ug usa ka pananglitan nga SoA gihatag sa Table 4.
Hulagway 6
Sa cellular communications, ang linear polarization alignment tali sa base stations ug mobile phones lagmit dili makab-ot, mao nga ang base station antennas gidisenyo nga dual-polarized o multi-polarized aron malikayan ang polarization mismatch losses. Bisan pa, ang pagkalainlain sa polarization sa mga balud sa LP tungod sa mga epekto sa multipath nagpabilin nga wala masulbad nga problema. Base sa pangagpas sa multi-polarized mobile base stations, ang cellular RFEH antennas gidisenyo isip LP antennas.
Ang mga rectenna sa CP kasagarang gigamit sa WPT tungod kay kini medyo makasugakod sa mismatch. Ang mga antenna sa CP makahimo sa pagdawat sa radyasyon sa CP nga adunay parehas nga direksyon sa rotation (wala nga kamot o tuo nga kamot nga CP) dugang sa tanan nga mga balud sa LP nga wala’y pagkawala sa kuryente. Sa bisan unsa nga kaso, ang CP antenna nagpadala ug ang LP antenna makadawat og 3 dB nga pagkawala (50% nga pagkawala sa kuryente). Ang CP rectennas gikataho nga angayan alang sa 900 MHz ug 2.4 GHz ug 5.8 GHz nga industriyal, siyentipiko, ug medikal nga mga banda ingon man sa milimetro nga mga balod. Sa RFEH sa arbitraryong polarized waves, polarization diversity nagrepresentar sa usa ka potensyal nga solusyon sa polarization mismatch pagkawala.
Ang bug-os nga polarization, nailhan usab nga multi-polarization, gisugyot aron hingpit nga mabuntog ang polarization mismatch losses, nga makapahimo sa pagkolekta sa pareho nga CP ug LP waves, diin ang duha ka dual-polarized orthogonal LP nga mga elemento epektibo nga makadawat sa tanan nga LP ug CP waves. Sa pag-ilustrar niini, ang vertical ug horizontal net voltages (VV ug VH) nagpabiling makanunayon bisan unsa pa ang polarization angle:
CP electromagnetic wave "E" electric field, diin ang gahum makolekta kaduha (kausa matag yunit), sa ingon hingpit nga makadawat sa CP component ug mabuntog ang 3 dB polarization mismatch loss:
Sa katapusan, pinaagi sa kombinasyon sa DC, ang mga balud sa insidente sa arbitraryong polarisasyon mahimong madawat. Gipakita sa Figure 7 ang geometry sa gitaho nga hingpit nga polarized rectenna.
Hulagway 7
Sa katingbanan, sa mga aplikasyon sa WPT nga adunay gipahinungod nga mga suplay sa kuryente, gipalabi ang CP tungod kay gipauswag niini ang kahusayan sa WPT bisan unsa pa ang anggulo sa polarization sa antenna. Sa laing bahin, sa multi-source acquisition, ilabi na gikan sa ambient sources, ang bug-os nga polarized antennas makab-ot ang mas maayo nga kinatibuk-ang pagdawat ug maximum portability; Ang multi-port/multi-rectifier nga mga arkitektura gikinahanglan aron makombinar ang hingpit nga polarized nga gahum sa RF o DC.
Summary
Kini nga papel nagrepaso sa bag-o nga pag-uswag sa disenyo sa antenna alang sa RFEH ug WPT, ug nagsugyot og usa ka sumbanan nga klasipikasyon sa disenyo sa antenna alang sa RFEH ug WPT nga wala pa gisugyot sa miaging literatura. Tulo ka sukaranan nga mga kinahanglanon sa antenna alang sa pagkab-ot sa taas nga kahusayan sa RF-to-DC nga giila ingon:
1. Antenna rectifier impedance bandwidth alang sa RFEH ug WPT bands sa interes;
2. Panguna nga lobe alignment tali sa transmitter ug receiver sa WPT gikan sa gipahinungod nga feed;
3. Polarization matching tali sa rectenna ug sa incident wave bisan unsa pa ang anggulo ug posisyon.
Base sa impedance, rectennas giklasipikar ngadto sa 50Ω ug rectifier conjugate rectennas, uban sa usa ka focus sa impedance matching tali sa lain-laing mga banda ug mga load ug ang efficiency sa matag matching pamaagi.
Ang mga kinaiya sa radiation sa SoA rectennas gisusi gikan sa panan-aw sa pagkadirekta ug polarisasyon. Gihisgutan ang mga pamaagi aron mapalambo ang ganansya pinaagi sa beamforming ug packaging aron mabuntog ang pig-ot nga beamwidth. Sa katapusan, ang CP rectennas para sa WPT girepaso, kauban ang lainlaing mga pagpatuman aron makab-ot ang polarization-independent nga pagdawat alang sa WPT ug RFEH.
Aron makakat-on pa bahin sa mga antenna, palihog bisitaha ang:
Oras sa pag-post: Ago-16-2024
