Desain Bersama Antena-Penyearah
Karakteristik rectenna yang mengikuti topologi EG pada Gambar 2 adalah antena 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 Berukuran Kecil Secara Elektrik
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 sangat diuntungkan dari penggunaan antena berukuran kecil secara elektrik untuk WPT.
Impedansi induktif tinggi dari antena kecil (mendekati resonansi) dapat digunakan untuk menghubungkan langsung penyearah atau dengan jaringan pencocokan kapasitif on-chip tambahan. Antena berukuran 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 pada dipol normal (ka=2πr/λ0).
2. Antena konjugasi penyearah
Impedansi input tipikal dioda sangat kapasitif, sehingga diperlukan antena induktif untuk mencapai impedansi konjugat. Karena impedansi kapasitif chip, antena induktif impedansi tinggi telah banyak digunakan pada 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 mencocokkan kapasitansi tinggi penyearah pada pita frekuensi yang diinginkan. Pada antena dipol lipat, garis pendek ganda (lipatan dipol) bertindak sebagai transformator impedansi, memungkinkan desain antena dengan impedansi sangat tinggi. Alternatifnya, pemberian 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 konjugasi penyearah yang telah dilaporkan.
Gambar 4
Karakteristik radiasi di 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).
Direktivitas dan polarisasi lobus utama antena secara langsung memengaruhi jumlah daya yang dikumpulkan dari gelombang datang. Karakteristik radiasi antena adalah parameter kunci yang membedakan antara RFEH ambien dan WPT (Gambar 5). Meskipun dalam kedua aplikasi tersebut medium perambatan mungkin tidak diketahui dan pengaruhnya terhadap gelombang yang diterima perlu dipertimbangkan, pengetahuan tentang antena pemancar dapat dimanfaatkan. Tabel 3 mengidentifikasi parameter kunci yang dibahas dalam bagian ini dan penerapannya pada RFEH dan WPT.
Gambar 5
1. Arah Pancaran dan Penguatan
Dalam sebagian besar aplikasi RFEH dan WPT, diasumsikan bahwa kolektor tidak mengetahui arah radiasi yang datang dan tidak ada jalur garis pandang (LoS). Dalam penelitian ini, berbagai desain dan penempatan antena telah diselidiki untuk memaksimalkan daya yang diterima dari sumber yang tidak diketahui, terlepas dari keselarasan lobus utama antara pemancar dan penerima.
Antena omnidirectional telah banyak digunakan dalam rectenna 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 antena pengarah dengan penguatan tinggi telah banyak dilaporkan untuk WPT gelombang mikro guna meningkatkan efisiensi pengumpulan daya RF dengan kepadatan rendah atau mengatasi kerugian propagasi. Susunan antena rectenna Yagi-Uda, susunan antena bowtie, susunan antena spiral, susunan antena Vivaldi yang terkopel rapat, susunan antena CPW CP, dan susunan antena 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 termasuk teknologi pandu 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, sehingga penerimaan gelombang dalam arah sembarang menjadi tidak efisien. Investigasi terhadap jumlah elemen antena dan port menyimpulkan bahwa direktivitas yang lebih tinggi tidak sesuai dengan daya yang dipanen lebih tinggi dalam RFEH ambien dengan asumsi insiden sembarang tiga dimensi; hal ini diverifikasi oleh pengukuran lapangan di lingkungan perkotaan. Susunan antena dengan penguatan tinggi dapat dibatasi untuk aplikasi WPT.
Untuk mentransfer manfaat antena gain tinggi ke RFEH (Radio Frequency Energy Harvesting) sembarangan, solusi pengemasan atau tata letak digunakan untuk mengatasi masalah pengarahan. Gelang antena patch ganda diusulkan untuk memanen energi dari RFEH Wi-Fi ambien dalam dua arah. Antena RFEH seluler ambien juga dirancang sebagai kotak 3D dan dicetak atau ditempelkan ke permukaan luar untuk mengurangi area sistem dan memungkinkan pemanenan multi-arah. Struktur rectenna kubik menunjukkan probabilitas penerimaan energi yang lebih tinggi pada RFEH ambien.
Perbaikan pada desain antena untuk meningkatkan lebar berkas, termasuk elemen patch parasit tambahan, dilakukan untuk meningkatkan WPT pada 2,4 GHz, susunan 4 × 1. Antena mesh 6 GHz dengan beberapa wilayah berkas juga diusulkan, yang menunjukkan beberapa berkas per port. Rectenna permukaan multi-port, multi-rectifier dan antena pemanen energi dengan pola radiasi omnidirectional telah diusulkan untuk RFEH multi-arah dan multi-polarisasi. Multi-rectifier dengan matriks pembentuk berkas dan susunan antena multi-port juga telah diusulkan untuk pemanenan energi multi-arah dengan penguatan tinggi.
Singkatnya, meskipun antena gain tinggi lebih disukai untuk meningkatkan daya yang dipanen dari kepadatan RF rendah, penerima yang sangat terarah mungkin tidak ideal dalam aplikasi di mana arah pemancar tidak diketahui (misalnya, RFEH ambien atau WPT melalui saluran propagasi yang tidak diketahui). Dalam karya ini, beberapa pendekatan multi-berkas diusulkan untuk WPT dan RFEH gain tinggi multi-arah.
2. Polarisasi Antena
Polarisasi antena menggambarkan pergerakan vektor medan listrik relatif terhadap arah perambatan antena. Ketidaksesuaian polarisasi dapat menyebabkan penurunan 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. Pada bagian ini, metode yang dilaporkan untuk memaksimalkan efisiensi penerimaan nirkabel dan menghindari kerugian akibat ketidaksesuaian polarisasi ditinjau. Ringkasan arsitektur rectenna yang diusulkan terkait 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 kemungkinan besar tidak akan tercapai, sehingga antena stasiun pangkalan dirancang agar terpolarisasi ganda atau multi-polarisasi untuk menghindari kerugian akibat 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.
Rectenna CP terutama digunakan dalam WPT karena relatif tahan terhadap ketidaksesuaian polarisasi. Antena CP mampu menerima radiasi CP dengan arah rotasi yang sama (CP tangan kiri atau tangan kanan) selain semua gelombang LP tanpa kehilangan daya. Dalam hal apa pun, antena CP mengirimkan dan antena LP menerima dengan kerugian 3 dB (kehilangan daya 50%). Rectenna CP dilaporkan cocok untuk pita frekuensi industri, ilmiah, dan medis 900 MHz, 2,4 GHz, dan 5,8 GHz, serta gelombang milimeter. Dalam RFEH gelombang terpolarisasi sembarang, keragaman polarisasi merupakan solusi potensial untuk kerugian ketidaksesuaian polarisasi.
Polarisasi penuh, juga dikenal sebagai multipolarisasi, 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 terlepas dari sudut polarisasi:
Gelombang elektromagnetik CP “E” medan listrik, di mana daya dikumpulkan dua kali (sekali per unit), sehingga komponen CP diterima sepenuhnya dan kerugian ketidaksesuaian polarisasi 3 dB teratasi:
Terakhir, melalui kombinasi DC, gelombang datang dengan polarisasi sembarang dapat diterima. Gambar 7 menunjukkan geometri dari rectenna terpolarisasi penuh yang dilaporkan.
Gambar 7
Singkatnya, dalam aplikasi WPT dengan catu daya khusus, CP lebih disukai karena meningkatkan efisiensi WPT tanpa memperhatikan sudut polarisasi antena. Di sisi lain, dalam akuisisi multi-sumber, terutama dari sumber ambien, antena yang terpolarisasi penuh dapat mencapai penerimaan keseluruhan yang lebih baik dan portabilitas maksimum; arsitektur multi-port/multi-penyearah diperlukan untuk menggabungkan daya yang 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 pernah diusulkan dalam literatur sebelumnya. Tiga persyaratan antena dasar untuk mencapai efisiensi RF-ke-DC yang tinggi telah diidentifikasi sebagai:
1. Lebar pita impedansi penyearah antena untuk pita RFEH dan WPT yang relevan;
2. Penyelarasan lobus utama antara pemancar dan penerima di WPT dari umpan khusus;
3. Pencocokan polarisasi antara rektenna dan gelombang datang tanpa memperhatikan sudut dan posisi.
Berdasarkan impedansi, rectenna diklasifikasikan menjadi rectenna 50Ω dan rectenna konjugasi penyearah, dengan fokus pada pencocokan impedansi antara pita dan beban yang berbeda serta efisiensi setiap metode pencocokan.
Karakteristik radiasi dari rectenna SoA telah ditinjau dari perspektif direktivitas dan polarisasi. Metode untuk meningkatkan gain dengan beamforming dan pengemasan untuk mengatasi lebar beam yang sempit dibahas. Terakhir, rectenna CP untuk WPT ditinjau, bersama dengan berbagai implementasi untuk mencapai penerimaan yang independen terhadap polarisasi untuk WPT dan RFEH.
Untuk mempelajari lebih lanjut tentang antena, silakan kunjungi:
Waktu posting: 16 Agustus 2024
