Desain Bersama Antena-Penyearah
Karakteristik rectena yang mengikuti topologi EG pada Gambar 2 adalah antenanya terhubung langsung dengan penyearah, alih-alih standar 50Ω, yang mengharuskan meminimalkan atau menghilangkan rangkaian pencocokan untuk memberi daya pada penyearah. Bagian ini mengulas keunggulan rectena SoA dengan antena non-50Ω dan rectena tanpa jaringan pencocokan.
1. Antena Kecil Secara Elektrik
Antena cincin resonansi LC telah banyak digunakan dalam aplikasi yang membutuhkan ukuran sistem yang kritis. Pada frekuensi di bawah 1 GHz, panjang gelombang dapat menyebabkan antena elemen terdistribusi standar menempati ruang yang lebih besar daripada ukuran keseluruhan sistem, dan aplikasi seperti transceiver terintegrasi penuh untuk implan tubuh khususnya diuntungkan oleh penggunaan antena berukuran kecil secara elektrik untuk WPT.
Impedansi induktif yang tinggi dari antena kecil (mendekati resonansi) dapat digunakan untuk menggandengkan penyearah secara langsung atau dengan jaringan pencocokan kapasitif on-chip tambahan. Antena yang secara elektrik kecil telah dilaporkan dalam WPT dengan LP dan CP di bawah 1 GHz menggunakan antena dipol Huygens, dengan ka=0,645, sementara ka=5,91 pada dipol normal (ka=2πr/λ0).
2. Antena konjugat penyearah
Impedansi masukan tipikal dioda sangat kapasitif, sehingga diperlukan antena induktif 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) mendekati frekuensi resonansinya.
Antena dipol induktif telah digunakan untuk menyesuaikan kapasitansi penyearah yang tinggi pada pita frekuensi yang diinginkan. Pada antena dipol terlipat, saluran pendek ganda (pelipatan dipol) bertindak sebagai transformator impedansi, yang memungkinkan perancangan antena dengan impedansi yang sangat tinggi. Sebagai alternatif, pemberian bias berperan dalam meningkatkan reaktansi induktif serta impedansi aktual. Penggabungan beberapa elemen dipol yang dibias dengan stub radial bow-tie yang tidak seimbang menghasilkan antena impedansi tinggi pita lebar ganda. Gambar 4 menunjukkan beberapa antena konjugat penyearah yang telah dilaporkan.
Gambar 4
Karakteristik radiasi dalam 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 datang. Karakteristik radiasi antena merupakan parameter kunci yang membedakan antara RFEH ambien dan WPT (Gambar 5). Meskipun pada kedua aplikasi tersebut, media propagasi mungkin tidak diketahui dan pengaruhnya terhadap gelombang yang diterima perlu dipertimbangkan, pengetahuan tentang antena pemancar dapat dimanfaatkan. Tabel 3 mengidentifikasi parameter kunci yang dibahas di 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 line-of-sight (LoS). Dalam penelitian ini, beberapa desain dan penempatan antena telah diteliti untuk memaksimalkan daya terima dari sumber yang tidak diketahui, terlepas dari kesejajaran lobus utama antara pemancar dan penerima.
Antena omnidirectional telah banyak digunakan dalam antena rectenna RFEH lingkungan. Dalam literatur, PSD bervariasi tergantung pada orientasi antena. Namun, variasi daya ini belum dijelaskan, sehingga tidak mungkin untuk menentukan apakah variasi tersebut disebabkan oleh pola radiasi antena atau karena ketidaksesuaian polarisasi.
Selain aplikasi RFEH, antena dan larik terarah bergain tinggi telah banyak dilaporkan untuk WPT gelombang mikro guna meningkatkan efisiensi pengumpulan data dengan kerapatan daya RF rendah atau mengatasi rugi-rugi propagasi. Larik rectenna Yagi-Uda, larik bowtie, larik spiral, larik Vivaldi yang terkopling erat, larik CPW (Cortex-Wide Wavefront), dan larik patch merupakan beberapa implementasi rectenna skalabel yang dapat memaksimalkan kerapatan daya insiden pada area tertentu. Pendekatan lain untuk meningkatkan penguatan antena meliputi teknologi pandu gelombang terintegrasi substrat (SIW) pada pita gelombang mikro dan gelombang milimeter, yang khusus untuk WPT. Namun, rectenna bergain tinggi dicirikan oleh lebar berkas yang sempit, sehingga penerimaan gelombang pada arah sembarang menjadi tidak efisien. Penelitian terhadap jumlah elemen dan port antena menyimpulkan bahwa direktivitas yang lebih tinggi tidak berbanding lurus dengan daya panen yang lebih tinggi pada RFEH ambien dengan asumsi insidensi sembarang tiga dimensi; hal ini diverifikasi melalui pengukuran lapangan di lingkungan perkotaan. Larik bergain tinggi dapat dibatasi hanya untuk aplikasi WPT.
Untuk mentransfer manfaat antena bergain tinggi ke RFEH arbitrer, solusi pengemasan atau tata letak digunakan untuk mengatasi masalah direktivitas. Gelang antena dual-patch diusulkan untuk memanen energi dari RFEH Wi-Fi ambien dalam dua arah. Antena RFEH seluler ambien juga dirancang sebagai kotak 3D dan dicetak atau direkatkan pada permukaan luar untuk mengurangi area sistem dan memungkinkan pemanenan multi-arah. Struktur rectenna kubik menunjukkan probabilitas penerimaan energi yang lebih tinggi di RFEH ambien.
Peningkatan desain antena untuk meningkatkan lebar berkas, termasuk elemen patch parasit tambahan, telah 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. Antena rectenna permukaan multi-port, multi-penyearah, dan pemanenan energi dengan pola radiasi omnidirectional telah diusulkan untuk RFEH multi-arah dan multi-polarisasi. Multi-penyearah dengan matriks pembentuk berkas dan susunan antena multi-port juga telah diusulkan untuk pemanenan energi multi-arah dengan penguatan tinggi.
Singkatnya, meskipun antena bergain tinggi lebih disukai untuk meningkatkan daya yang dihasilkan dari kepadatan RF rendah, penerima yang sangat terarah mungkin tidak ideal dalam aplikasi dengan arah pemancar yang tidak diketahui (misalnya, RFEH ambien atau WPT melalui kanal propagasi yang tidak diketahui). Dalam penelitian ini, beberapa pendekatan multi-beam diusulkan untuk WPT dan RFEH bergain 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. Pada bagian ini, metode yang dilaporkan untuk memaksimalkan efisiensi penerimaan nirkabel dan menghindari kerugian ketidaksesuaian polarisasi akan diulas. 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 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 akibat efek multipath masih menjadi masalah yang belum terpecahkan. Berdasarkan asumsi stasiun pangkalan seluler multipolarisasi, antena RFEH seluler dirancang sebagai antena LP.
Rectena CP terutama digunakan dalam WPT karena relatif tahan terhadap ketidakcocokan. Antena CP mampu menerima radiasi CP dengan arah rotasi yang sama (CP tangan kiri atau tangan kanan) di samping semua gelombang LP tanpa kehilangan daya. Bagaimanapun, antena CP memancarkan dan antena LP menerima dengan kehilangan daya 3 dB (kehilangan daya 50%). Rectena CP dilaporkan cocok untuk pita frekuensi industri, ilmiah, dan medis 900 MHz dan 2,4 GHz dan 5,8 GHz serta gelombang milimeter. Dalam RFEH gelombang terpolarisasi sembarang, diversitas polarisasi merupakan solusi potensial untuk kerugian ketidakcocokan 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 (satu kali per unit), sehingga sepenuhnya menerima komponen CP dan mengatasi kerugian ketidaksesuaian polarisasi 3 dB:
Akhirnya, melalui kombinasi DC, gelombang datang dengan polarisasi acak 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 pernah diusulkan dalam literatur sebelumnya. Tiga persyaratan dasar antena untuk mencapai efisiensi RF-ke-DC yang tinggi telah diidentifikasi, yaitu:
1. Lebar pita impedansi penyearah antena untuk pita RFEH dan WPT yang diminati;
2. Penjajaran lobus utama antara pemancar dan penerima di WPT dari umpan khusus;
3. Pencocokan polarisasi antara gelombang datang dan gelombang rectenna tanpa memperhatikan 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 melalui beamforming dan pengemasan untuk mengatasi lebar berkas yang sempit juga dibahas. Terakhir, rectenna CP untuk WPT ditinjau, beserta berbagai implementasinya untuk mencapai penerimaan yang independen polarisasi untuk WPT dan RFEH.
Untuk mempelajari lebih lanjut tentang antena, silakan kunjungi:
Waktu posting: 16-Agu-2024
