Desain Bersama Antena-Penyearah
Karakteristik rectenna yang mengikuti topologi EG pada Gambar 2 adalah antena tersebut secara langsung dicocokkan dengan penyearah, bukan standar 50Ω, yang mengharuskan meminimalkan atau menghilangkan rangkaian pencocokan untuk memberi daya pada penyearah. Bagian ini mengulas keuntungan rectenna SoA dengan antena non-50Ω dan rectenna tanpa jaringan pencocokan.
1. Antena Kecil Secara Elektrik
Antena cincin resonansi LC telah banyak digunakan dalam aplikasi yang ukuran sistemnya 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 yang terintegrasi penuh untuk implan tubuh khususnya mendapat manfaat dari penggunaan antena kecil secara elektrik untuk WPT.
Impedansi induktif yang tinggi dari antena kecil (dekat resonansi) dapat digunakan untuk langsung menggandeng penyearah atau dengan jaringan pencocokan kapasitif tambahan pada chip. Antena kecil secara elektrik telah dilaporkan dalam WPT dengan LP dan CP di bawah 1 GHz menggunakan antena dipol Huygens, dengan ka=0,645, sedangkan ka=5,91 dalam dipol normal (ka=2πr/λ0).
2. Antena konjugat penyearah
Impedansi masukan khas dioda sangat kapasitif, sehingga antena induktif diperlukan untuk mencapai impedansi konjugat. Karena impedansi kapasitif chip, antena induktif impedansi tinggi telah banyak digunakan dalam tag RFID. Antena dipol baru-baru ini menjadi tren dalam antena RFID impedansi kompleks, yang menunjukkan impedansi tinggi (resistansi dan reaktansi) di dekat frekuensi resonansinya.
Antena dipol induktif telah digunakan untuk menyamakan kapasitansi penyearah yang tinggi pada pita frekuensi yang diinginkan. Pada antena dipol terlipat, saluran pendek ganda (lipatan dipol) bertindak sebagai transformator impedansi, yang memungkinkan desain antena impedansi yang sangat tinggi. Sebagai alternatif, pengumpanan bias bertanggung jawab untuk meningkatkan reaktansi induktif serta impedansi aktual. Menggabungkan beberapa elemen dipol bias dengan stub radial bow-tie yang tidak seimbang membentuk antena impedansi tinggi pita lebar ganda. Gambar 4 menunjukkan beberapa antena konjugat penyearah yang dilaporkan.
Gambar 4
Karakteristik radiasi di RFEH dan WPT
Dalam model Friis, daya PRX yang diterima antena pada jarak d dari pemancar merupakan fungsi langsung dari penguatan penerima dan pemancar (GRX, GTX).
Direktivitas dan polarisasi lobus utama antena secara langsung memengaruhi jumlah daya yang dikumpulkan dari gelombang insiden. Karakteristik radiasi antena merupakan parameter utama yang membedakan antara RFEH ambien dan WPT (Gambar 5). Meskipun dalam kedua aplikasi tersebut media perambatan mungkin tidak diketahui dan pengaruhnya terhadap gelombang yang diterima perlu dipertimbangkan, pengetahuan tentang antena pemancar dapat dimanfaatkan. Tabel 3 mengidentifikasi parameter utama yang dibahas dalam bagian ini dan penerapannya pada RFEH dan WPT.
Gambar 5
1. Direktivitas dan Penguatan
Pada sebagian besar aplikasi RFEH dan WPT, diasumsikan bahwa kolektor tidak mengetahui arah radiasi insiden dan tidak ada jalur garis pandang (LoS). Dalam karya ini, beberapa desain dan penempatan antena telah diteliti untuk memaksimalkan daya yang diterima dari sumber yang tidak diketahui, terlepas dari penyelarasan lobus utama antara pemancar dan penerima.
Antena omnidirectional telah banyak digunakan dalam antena RFEH lingkungan. Dalam literatur, PSD bervariasi tergantung pada orientasi antena. Namun, variasi daya belum dijelaskan, sehingga tidak mungkin untuk menentukan apakah variasi tersebut disebabkan oleh pola radiasi antena atau karena ketidaksesuaian polarisasi.
Selain aplikasi RFEH, antena dan susunan terarah dengan penguatan tinggi telah banyak dilaporkan untuk WPT gelombang mikro guna meningkatkan efisiensi pengumpulan kepadatan daya RF rendah atau mengatasi kerugian perambatan. Susunan rectenna Yagi-Uda, susunan bowtie, susunan spiral, susunan Vivaldi yang terhubung erat, susunan CPW CP, dan susunan patch termasuk di antara implementasi rectenna yang dapat diskalakan yang dapat memaksimalkan kepadatan daya insiden di bawah area tertentu. Pendekatan lain untuk meningkatkan penguatan antena mencakup teknologi pemandu gelombang terintegrasi substrat (SIW) dalam pita gelombang mikro dan gelombang milimeter, khusus untuk WPT. Namun, rectenna dengan penguatan tinggi dicirikan oleh lebar berkas yang sempit, yang membuat penerimaan gelombang dalam arah yang sembarang menjadi tidak efisien. Investigasi terhadap jumlah elemen dan port antena menyimpulkan bahwa direktivitas yang lebih tinggi tidak sesuai dengan daya panen yang lebih tinggi dalam RFEH ambien dengan asumsi insiden sembarang tiga dimensi; hal ini diverifikasi oleh pengukuran lapangan di lingkungan perkotaan. Susunan penguatan tinggi dapat dibatasi pada aplikasi WPT.
Untuk mentransfer manfaat antena dengan penguatan tinggi ke RFEH yang berubah-ubah, solusi pengemasan atau tata letak digunakan untuk mengatasi masalah direktivitas. Gelang antena dengan dua patch diusulkan untuk memanen energi dari RFEH Wi-Fi sekitar dalam dua arah. Antena RFEH seluler sekitar juga dirancang sebagai kotak 3D dan dicetak atau ditempelkan ke permukaan eksternal untuk mengurangi area sistem dan memungkinkan pemanenan multi arah. Struktur rectenna kubik menunjukkan kemungkinan penerimaan energi yang lebih tinggi di RFEH sekitar.
Peningkatan desain antena untuk meningkatkan lebar berkas, termasuk elemen patch parasit tambahan, dilakukan untuk meningkatkan WPT pada 2,4 GHz, 4 × 1 array. Antena mesh 6 GHz dengan beberapa wilayah berkas juga diusulkan, yang menunjukkan beberapa berkas per port. Rectenna permukaan multi-port, multi-rectifier, dan antena pemanenan energi dengan pola radiasi omnidirectional telah diusulkan untuk RFEH multi-directional dan multi-polarisasi. Multi-rectifier dengan matriks pembentuk berkas dan array antena multi-port juga telah diusulkan untuk pemanenan energi multi-directional dengan penguatan tinggi.
Singkatnya, meskipun antena dengan penguatan tinggi lebih disukai untuk meningkatkan daya yang diperoleh dari kepadatan RF rendah, penerima dengan arah 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-beam diusulkan untuk WPT dan RFEH dengan penguatan tinggi multi-arah.
2. Polarisasi Antena
Polarisasi antena menggambarkan pergerakan vektor medan listrik relatif terhadap arah perambatan 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 akan ada daya yang diterima. Di bagian ini, metode yang dilaporkan untuk memaksimalkan efisiensi penerimaan nirkabel dan menghindari kerugian ketidaksesuaian polarisasi ditinjau. Ringkasan arsitektur rectenna yang diusulkan sehubungan dengan polarisasi diberikan dalam Gambar 6 dan contoh SoA diberikan dalam Tabel 4.
Gambar 6
Dalam komunikasi seluler, penyelarasan polarisasi linear antara stasiun pangkalan dan telepon seluler tidak mungkin tercapai, sehingga antena stasiun pangkalan dirancang untuk terpolarisasi ganda atau terpolarisasi ganda untuk menghindari kerugian ketidaksesuaian polarisasi. Namun, variasi polarisasi gelombang LP karena efek multipath masih menjadi masalah yang belum terpecahkan. Berdasarkan asumsi stasiun pangkalan seluler terpolarisasi ganda, antena RFEH seluler dirancang sebagai antena LP.
Rectenna CP terutama digunakan dalam WPT karena relatif tahan terhadap ketidakcocokan. Antena CP mampu menerima radiasi CP dengan arah putaran yang sama (CP tangan kiri atau tangan kanan) selain semua gelombang LP tanpa kehilangan daya. Dalam kasus apa pun, antena CP mentransmisikan dan antena LP menerima dengan kehilangan 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 sembarangan, keragaman polarisasi merupakan solusi potensial untuk kehilangan ketidakcocokan polarisasi.
Polarisasi penuh, yang juga dikenal sebagai multipolarisasi, telah diusulkan untuk sepenuhnya mengatasi kerugian ketidaksesuaian polarisasi, yang 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 terlepas dari sudut polarisasi:
Gelombang elektromagnetik CP “E” medan listrik, di mana daya dikumpulkan dua kali (satu kali per unit), sehingga sepenuhnya menerima komponen CP dan mengatasi kerugian ketidaksesuaian polarisasi 3 dB:
Akhirnya, melalui kombinasi DC, gelombang insiden dengan polarisasi sembarang 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 multisumber, terutama dari sumber sekitar, antena yang sepenuhnya terpolarisasi dapat mencapai penerimaan keseluruhan yang lebih baik dan portabilitas maksimum; arsitektur multiport/multipenyearah diperlukan untuk menggabungkan daya yang sepenuhnya terpolarisasi 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 pernah diusulkan dalam literatur sebelumnya. Tiga persyaratan dasar antena untuk mencapai efisiensi RF-ke-DC yang tinggi telah diidentifikasi sebagai:
1. Lebar pita impedansi penyearah antena untuk pita RFEH dan WPT yang diinginkan;
2. Penjajaran lobus utama antara pemancar dan penerima di WPT dari umpan khusus;
3. Pencocokan polarisasi antara rectenna dan gelombang datang tanpa memandang sudut dan posisi.
Berdasarkan impedansinya, rectena diklasifikasikan menjadi rectena 50Ω dan rectena konjugat penyearah, dengan fokus pada pencocokan impedansi antara pita dan beban yang berbeda serta efisiensi setiap metode pencocokan.
Karakteristik radiasi rectenna SoA telah ditinjau dari perspektif direktivitas dan polarisasi. Metode untuk meningkatkan penguatan dengan beamforming dan pengemasan untuk mengatasi lebar berkas 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-Agu-2024
