Desain Bersama Penyearah Antena
Karakteristik rectenna yang mengikuti topologi EG pada Gambar 2 adalah antenanya langsung disesuaikan dengan penyearah, bukan standar 50Ω, yang memerlukan minimalisasi atau penghapusan rangkaian pencocokan untuk memberi daya pada penyearah. Bagian ini mengulas keunggulan rectenna SoA dengan antena non-50Ω dan rectenna tanpa jaringan yang cocok.
1. Antena Listrik Kecil
Antena cincin resonansi LC telah banyak digunakan dalam aplikasi di mana ukuran sistem sangat penting. Pada frekuensi di bawah 1 GHz, panjang gelombang dapat menyebabkan antena elemen terdistribusi standar menempati lebih banyak ruang daripada ukuran keseluruhan sistem, dan aplikasi seperti transceiver terintegrasi penuh untuk implan tubuh khususnya mendapat manfaat dari penggunaan antena elektrik kecil untuk WPT.
Impedansi induktif tinggi dari antena kecil (mendekati resonansi) dapat digunakan untuk memasangkan penyearah secara langsung atau dengan jaringan pencocokan kapasitif on-chip tambahan. Antena kecil secara elektrik telah dilaporkan di WPT dengan LP dan CP di bawah 1 GHz menggunakan antena dipol Huygens, dengan ka=0,645, sedangkan ka=5,91 pada dipol normal (ka=2πr/λ0).
2. Antena konjugasi penyearah
Impedansi masukan khas dioda sangat kapasitif, sehingga diperlukan antena induktif untuk mencapai impedansi konjugasi. Karena impedansi kapasitif chip, antena induktif impedansi tinggi telah banyak digunakan dalam tag RFID. Antena dipol baru-baru ini menjadi tren antena RFID impedansi kompleks, menunjukkan impedansi tinggi (resistansi dan reaktansi) di dekat frekuensi resonansinya.
Antena dipol induktif telah digunakan untuk menyesuaikan kapasitansi penyearah yang tinggi pada pita frekuensi yang diinginkan. Dalam antena dipol terlipat, garis pendek ganda (dipol lipat) bertindak sebagai transformator impedansi, memungkinkan desain antena impedansi sangat tinggi. Alternatifnya, pemberian bias bertanggung jawab untuk meningkatkan reaktansi induktif serta impedansi sebenarnya. Menggabungkan beberapa elemen dipol bias dengan stub radial dasi kupu-kupu yang tidak seimbang membentuk antena impedansi tinggi broadband ganda. Gambar 4 menunjukkan beberapa antena konjugasi penyearah yang dilaporkan.
Gambar 4
Karakteristik radiasi pada RFEH dan WPT
Dalam model Friis, daya PRX yang diterima oleh antena pada jarak d dari pemancar merupakan fungsi langsung dari penguatan penerima dan pemancar (GRX, GTX).
Pengarahan dan polarisasi lobus utama antena berdampak langsung pada jumlah daya yang dikumpulkan dari gelombang datang. Karakteristik radiasi antena adalah parameter utama yang membedakan antara RFEH ambien dan WPT (Gambar 5). Meskipun dalam kedua aplikasi media propagasi mungkin tidak diketahui dan pengaruhnya terhadap gelombang yang diterima perlu dipertimbangkan, pengetahuan tentang antena pemancar dapat dimanfaatkan. Tabel 3 mengidentifikasi parameter utama yang dibahas di bagian ini dan penerapannya pada RFEH dan WPT.
Gambar 5
1. Direktivitas dan Keuntungan
Pada sebagian besar aplikasi RFEH dan WPT, diasumsikan bahwa kolektor tidak mengetahui arah datangnya radiasi dan tidak terdapat jalur line-of-sight (LoS). Dalam penelitian ini, beberapa desain dan penempatan antena telah diselidiki untuk memaksimalkan daya yang diterima dari sumber yang tidak diketahui, terlepas dari penyelarasan lobus utama antara pemancar dan penerima.
Antena segala arah telah banyak digunakan dalam rectenna RFEH lingkungan. Dalam literatur, PSD bervariasi tergantung pada orientasi antena. Namun variasi daya tersebut belum dapat dijelaskan, sehingga tidak dapat ditentukan apakah variasi tersebut disebabkan oleh pola radiasi antena atau karena ketidaksesuaian polarisasi.
Selain aplikasi RFEH, antena dan susunan terarah dengan gain tinggi telah dilaporkan secara luas untuk WPT gelombang mikro untuk meningkatkan efisiensi pengumpulan kepadatan daya RF yang rendah atau mengatasi kerugian propagasi. Array rectenna Yagi-Uda, array bowtie, array spiral, array Vivaldi yang dipasangkan erat, array CPW CP, dan array patch adalah beberapa implementasi rectenna yang dapat diskalakan yang dapat memaksimalkan kepadatan daya yang terjadi pada area tertentu. Pendekatan lain untuk meningkatkan penguatan antena mencakup teknologi pemandu gelombang terintegrasi substrat (SIW) dalam gelombang mikro dan pita gelombang milimeter, khusus untuk WPT. Namun, rectenna dengan gain tinggi dicirikan oleh beamwidth yang sempit, sehingga penerimaan gelombang dalam arah yang berubah-ubah menjadi tidak efisien. Investigasi terhadap jumlah elemen antena dan port menyimpulkan bahwa directivity yang lebih tinggi tidak berhubungan dengan daya yang dipanen lebih tinggi di RFEH ambien dengan asumsi kejadian sewenang-wenang tiga dimensi; ini diverifikasi oleh pengukuran lapangan di lingkungan perkotaan. Array gain tinggi dapat dibatasi pada aplikasi WPT.
Untuk mentransfer manfaat antena gain tinggi ke RFEH yang berubah-ubah, solusi pengemasan atau tata letak digunakan untuk mengatasi masalah pengarahan. Gelang antena patch ganda diusulkan untuk memanen energi dari RFEH Wi-Fi sekitar dalam dua arah. Antena RFEH seluler ambien juga dirancang sebagai kotak 3D dan dicetak atau ditempelkan pada permukaan eksternal untuk mengurangi area sistem dan memungkinkan pemanenan multi-arah. Struktur rectenna kubik menunjukkan kemungkinan penerimaan energi yang lebih tinggi di RFEH ambien.
Perbaikan desain antena untuk meningkatkan beamwidth, termasuk elemen patch parasit tambahan, dilakukan untuk meningkatkan WPT pada 2,4 GHz, array 4 × 1. Antena mesh 6 GHz dengan beberapa wilayah pancaran juga diusulkan, menunjukkan banyak pancaran per port. Rectenna permukaan multi-port, multi-penyearah, dan antena pemanen energi dengan pola radiasi omnidireksional telah diusulkan untuk RFEH multi-arah dan multi-polarisasi. Multi-penyearah dengan matriks beamforming dan susunan antena multi-port juga telah diusulkan untuk pemanenan energi multi-arah dengan gain tinggi.
Ringkasnya, meskipun antena dengan gain tinggi lebih disukai untuk meningkatkan daya yang diperoleh dari kepadatan RF yang rendah, penerima yang sangat terarah mungkin tidak ideal dalam aplikasi yang arah pemancarnya tidak diketahui (misalnya, RFEH ambien atau WPT melalui saluran propagasi yang tidak diketahui). Dalam karya ini, beberapa pendekatan multi-balok diusulkan untuk WPT dan RFEH gain tinggi multi-arah.
2. Polarisasi Antena
Polarisasi antena menggambarkan pergerakan vektor medan listrik relatif terhadap arah rambat antena. Ketidaksesuaian polarisasi dapat menyebabkan berkurangnya transmisi/penerimaan antar antena bahkan ketika arah lobus utama sejajar. Misalnya, jika antena LP vertikal digunakan untuk transmisi dan antena LP horizontal digunakan untuk penerimaan, tidak ada daya yang diterima. Pada bagian ini, metode yang dilaporkan untuk memaksimalkan efisiensi penerimaan nirkabel dan menghindari kerugian ketidakcocokan polarisasi akan ditinjau. Ringkasan arsitektur rectenna yang diusulkan sehubungan dengan polarisasi diberikan pada Gambar 6 dan contoh SoA diberikan pada Tabel 4.
Gambar 6
Dalam komunikasi seluler, penyelarasan polarisasi linier antara stasiun pangkalan dan telepon seluler tidak mungkin tercapai, sehingga antena stasiun pangkalan dirancang untuk menjadi terpolarisasi ganda atau multi-terpolarisasi untuk menghindari kerugian ketidaksesuaian polarisasi. Namun, variasi polarisasi gelombang LP akibat efek multipath masih menjadi masalah yang belum terpecahkan. Berdasarkan asumsi stasiun pangkalan seluler multi-polarisasi, antena RFEH seluler dirancang sebagai antena LP.
CP rectennas terutama digunakan di WPT karena relatif tahan terhadap ketidakcocokan. Antena CP mampu menerima radiasi CP dengan arah putaran yang sama (CP kidal atau CP tangan kanan) selain semua gelombang LP tanpa kehilangan daya. Bagaimanapun, antena CP memancarkan dan antena LP menerima dengan kerugian 3 dB (kehilangan daya 50%). Rectenna CP dilaporkan cocok untuk pita industri, ilmiah, dan medis 900 MHz dan 2,4 GHz dan 5,8 GHz serta gelombang milimeter. Dalam RFEH gelombang terpolarisasi sewenang-wenang, keragaman polarisasi mewakili solusi potensial terhadap kerugian ketidaksesuaian polarisasi.
Polarisasi penuh, juga dikenal sebagai multi-polarisasi, telah diusulkan untuk sepenuhnya mengatasi kerugian ketidaksesuaian polarisasi, memungkinkan pengumpulan gelombang CP dan LP, di mana dua elemen LP ortogonal terpolarisasi ganda secara efektif menerima semua gelombang LP dan CP. Untuk mengilustrasikan hal ini, tegangan bersih vertikal dan horizontal (VV dan VH) tetap konstan berapa pun sudut polarisasinya:
Medan listrik gelombang elektromagnetik CP “E”, di mana daya dikumpulkan dua kali (satu kali per unit), sehingga sepenuhnya menerima komponen CP dan mengatasi kehilangan ketidakcocokan polarisasi 3 dB:
Akhirnya, melalui kombinasi DC, gelombang datang dengan polarisasi sewenang-wenang dapat diterima. Gambar 7 menunjukkan geometri rectenna terpolarisasi penuh yang dilaporkan.
Gambar 7
Singkatnya, dalam aplikasi WPT dengan catu daya khusus, CP lebih disukai karena meningkatkan efisiensi WPT terlepas dari sudut polarisasi antena. Di sisi lain, dalam akuisisi multi-sumber, terutama dari sumber sekitar, antena terpolarisasi penuh dapat mencapai penerimaan keseluruhan yang lebih baik dan portabilitas maksimum; arsitektur multi-port/multi-penyearah diperlukan untuk menggabungkan daya terpolarisasi penuh pada RF atau DC.
Ringkasan
Makalah ini mengulas kemajuan terkini dalam desain antena untuk RFEH dan WPT, dan mengusulkan klasifikasi standar desain antena untuk RFEH dan WPT yang belum diusulkan dalam literatur sebelumnya. Tiga persyaratan antena dasar untuk mencapai efisiensi RF-ke-DC yang tinggi telah diidentifikasi sebagai:
1. Bandwidth impedansi penyearah antena untuk pita RFEH dan WPT yang diinginkan;
2. Penyelarasan lobus utama antara pemancar dan penerima di WPT dari feed khusus;
3. Pencocokan polarisasi antara rectenna dan gelombang datang tanpa memandang sudut dan posisinya.
Berdasarkan impedansi, rectenna diklasifikasikan menjadi 50Ω dan rectifier conjugate rectennas, dengan fokus pada pencocokan impedansi antara pita dan beban yang berbeda serta efisiensi setiap metode pencocokan.
Karakteristik radiasi rectenna SoA telah ditinjau dari perspektif directivity dan polarisasi. Metode untuk meningkatkan penguatan dengan beamforming dan pengemasan untuk mengatasi beamwidth yang sempit dibahas. Terakhir, rectenna CP untuk WPT ditinjau, bersama dengan berbagai implementasi untuk mencapai penerimaan yang tidak bergantung pada polarisasi untuk WPT dan RFEH.
Untuk mempelajari lebih lanjut tentang antena, silakan kunjungi:
Waktu posting: 16 Agustus-2024
