การออกแบบเสาอากาศ-วงจรเรียงกระแสร่วมกัน
ลักษณะเฉพาะของเรกเทนนาที่เป็นไปตามโทโพโลยี EG ในรูปที่ 2 คือ เสาอากาศจะจับคู่โดยตรงกับวงจรเรียงกระแส แทนที่จะเป็นมาตรฐาน 50Ω ซึ่งจำเป็นต้องลดหรือตัดวงจรจับคู่เพื่อจ่ายไฟให้กับวงจรเรียงกระแส หัวข้อนี้จะทบทวนข้อดีของเรกเทนนาแบบ SoA ที่มีเสาอากาศที่ไม่ใช่ 50Ω และเรกเทนนาที่ไม่มีเครือข่ายจับคู่
1. เสาอากาศไฟฟ้าขนาดเล็ก
เสาอากาศแบบวงแหวนเรโซแนนซ์ LC ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในแอปพลิเคชันที่ขนาดของระบบมีความสำคัญอย่างยิ่ง ที่ความถี่ต่ำกว่า 1 GHz ความยาวคลื่นอาจทำให้เสาอากาศแบบกระจายมาตรฐานกินพื้นที่มากกว่าขนาดโดยรวมของระบบ และแอปพลิเคชันต่างๆ เช่น ตัวรับสัญญาณแบบบูรณาการเต็มรูปแบบสำหรับการปลูกถ่ายร่างกาย จะได้รับประโยชน์เป็นพิเศษจากการใช้เสาอากาศขนาดเล็กทางไฟฟ้าสำหรับ WPT
ความต้านทานเหนี่ยวนำสูงของเสาอากาศขนาดเล็ก (ใกล้เรโซแนนซ์) สามารถนำมาใช้เชื่อมต่อวงจรเรียงกระแสโดยตรง หรือเชื่อมต่อกับเครือข่ายจับคู่แบบคาปาซิทีฟบนชิปเพิ่มเติมได้ มีรายงานการใช้เสาอากาศขนาดเล็กทางไฟฟ้าใน WPT ที่มีความถี่ LP และ CP ต่ำกว่า 1 GHz โดยใช้เสาอากาศไดโพลของ Huygens โดยมีค่า ka=0.645 ในขณะที่ค่า ka=5.91 ในไดโพลปกติ (ka=2πr/λ0)
2. เสาอากาศคอนจูเกตแบบเรกติไฟเออร์
อิมพีแดนซ์อินพุตทั่วไปของไดโอดมีค่าความจุสูง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้เสาอากาศแบบเหนี่ยวนำเพื่อให้ได้อิมพีแดนซ์คอนจูเกต เนื่องจากอิมพีแดนซ์แบบความจุของชิป เสาอากาศแบบเหนี่ยวนำที่มีอิมพีแดนซ์สูงจึงถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในแท็ก RFID เสาอากาศไดโพลกำลังได้รับความนิยมในเสาอากาศ RFID ที่มีอิมพีแดนซ์เชิงซ้อน โดยแสดงค่าอิมพีแดนซ์สูง (ความต้านทานและรีแอคแทนซ์) ใกล้ความถี่เรโซแนนซ์
เสาอากาศไดโพลแบบเหนี่ยวนำถูกนำมาใช้เพื่อให้สอดคล้องกับความจุสูงของวงจรเรียงกระแสในย่านความถี่ที่ต้องการ ในเสาอากาศไดโพลแบบพับ สายสั้นคู่ (ไดโพลแบบพับ) ทำหน้าที่เป็นหม้อแปลงอิมพีแดนซ์ ทำให้สามารถออกแบบเสาอากาศที่มีอิมพีแดนซ์สูงมากได้ อีกทางเลือกหนึ่ง การป้อนไบแอส (Bias Feeding) มีหน้าที่เพิ่มค่ารีแอคแตนซ์เหนี่ยวนำและอิมพีแดนซ์จริง การรวมองค์ประกอบไดโพลแบบไบแอสหลายตัวเข้ากับโครงแบบโบว์ไทด์ที่ไม่สมดุล ทำให้เกิดเสาอากาศแบบบรอดแบนด์คู่ที่มีอิมพีแดนซ์สูง รูปที่ 4 แสดงเสาอากาศคอนจูเกตของวงจรเรียงกระแสบางรุ่นที่รายงานไว้
รูปที่ 4
ลักษณะการแผ่รังสีใน RFEH และ WPT
ในแบบจำลอง Friis กำลัง PRX ที่ได้รับจากเสาอากาศที่ระยะ d จากเครื่องส่งสัญญาณเป็นฟังก์ชันโดยตรงของค่าเกนของตัวรับและตัวส่งสัญญาณ (GRX, GTX)
ทิศทางและโพลาไรเซชันของกลีบหลักของเสาอากาศส่งผลโดยตรงต่อปริมาณพลังงานที่รวบรวมได้จากคลื่นตกกระทบ ลักษณะการแผ่รังสีของเสาอากาศเป็นพารามิเตอร์สำคัญที่แยกความแตกต่างระหว่าง RFEH โดยรอบและ WPT (รูปที่ 5) แม้ว่าในทั้งสองการใช้งาน ตัวกลางการแพร่กระจายอาจยังไม่เป็นที่รู้จัก และจำเป็นต้องพิจารณาผลกระทบที่มีต่อคลื่นที่รับได้ แต่ความรู้เกี่ยวกับเสาอากาศส่งสัญญาณสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ ตารางที่ 3 ระบุพารามิเตอร์สำคัญที่กล่าวถึงในส่วนนี้และการนำไปใช้กับ RFEH และ WPT
รูปที่ 5
1. การกำหนดทิศทางและอัตราขยาย
ในแอปพลิเคชัน RFEH และ WPT ส่วนใหญ่ สันนิษฐานว่าตัวรวบรวมไม่ทราบทิศทางของรังสีตกกระทบ และไม่มีเส้นทางที่มองเห็น (LoS) ในงานวิจัยนี้ มีการศึกษาการออกแบบและตำแหน่งของเสาอากาศหลายแบบ เพื่อให้ได้พลังงานสูงสุดจากแหล่งที่ไม่ทราบ โดยไม่ขึ้นกับตำแหน่งของกลีบหลักระหว่างเครื่องส่งและเครื่องรับ
เสาอากาศรอบทิศทางถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในเสาอากาศแบบเรกเทนนา RFEH ด้านสิ่งแวดล้อม ในเอกสารวิจัยพบว่า PSD แตกต่างกันไปตามทิศทางของเสาอากาศ อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีการอธิบายความแปรผันของกำลังส่ง ดังนั้นจึงไม่สามารถระบุได้ว่าความแปรผันนี้เกิดจากรูปแบบการแผ่รังสีของเสาอากาศหรือเกิดจากความไม่ตรงกันของโพลาไรเซชัน
นอกเหนือจากการใช้งาน RFEH แล้ว ยังมีรายงานอย่างกว้างขวางว่ามีการใช้เสาอากาศและอาร์เรย์ทิศทางกำลังขยายสูงสำหรับ WPT ไมโครเวฟ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการรวบรวมความหนาแน่นพลังงาน RF ต่ำ หรือแก้ไขปัญหาการสูญเสียจากการแพร่กระจาย อาร์เรย์เรกเทนนา Yagi-Uda, อาร์เรย์โบว์ไท, อาร์เรย์เกลียว, อาร์เรย์ Vivaldi ที่มีการเชื่อมต่อกันอย่างแน่นหนา, อาร์เรย์ CPW CP และอาร์เรย์แพตช์ ล้วนเป็นการนำเรกเทนนาที่ปรับขนาดได้มาใช้ ซึ่งสามารถเพิ่มความหนาแน่นพลังงานตกกระทบสูงสุดภายใต้พื้นที่ที่กำหนด วิธีการอื่นๆ ในการปรับปรุงอัตราขยายของเสาอากาศ ได้แก่ เทคโนโลยีท่อนำคลื่นแบบรวมซับสเตรต (SIW) ในย่านไมโครเวฟและคลื่นมิลลิเมตร ซึ่งเฉพาะเจาะจงสำหรับ WPT อย่างไรก็ตาม เรกเทนนากำลังขยายสูงมีลักษณะเฉพาะคือความกว้างของลำแสงที่แคบ ทำให้การรับคลื่นในทิศทางใดๆ ก็ตามไม่มีประสิทธิภาพ การตรวจสอบจำนวนองค์ประกอบและพอร์ตของเสาอากาศสรุปว่าค่าไดเรกติวิตีที่สูงขึ้นไม่สอดคล้องกับพลังงานที่เก็บเกี่ยวได้สูงขึ้นใน RFEH โดยรอบ โดยสมมติว่ามีอุบัติการณ์แบบสามมิติ ซึ่งได้รับการยืนยันโดยการวัดภาคสนามในสภาพแวดล้อมในเมือง อาร์เรย์กำลังขยายสูงสามารถจำกัดได้เฉพาะการใช้งาน WPT
เพื่อถ่ายโอนประโยชน์ของเสาอากาศกำลังขยายสูงไปยัง RFEH ต่างๆ เราจึงใช้โซลูชันด้านบรรจุภัณฑ์หรือเค้าโครงเพื่อแก้ปัญหาเรื่องทิศทาง มีการนำเสนอสายรัดข้อมือเสาอากาศแบบแพตช์คู่เพื่อเก็บเกี่ยวพลังงานจาก RFEH Wi-Fi โดยรอบในสองทิศทาง เสาอากาศ RFEH เซลลูลาร์โดยรอบยังได้รับการออกแบบเป็นกล่อง 3 มิติ และพิมพ์หรือยึดติดกับพื้นผิวภายนอกเพื่อลดพื้นที่ระบบและช่วยให้เก็บเกี่ยวพลังงานได้หลายทิศทาง โครงสร้างเรคเทนนาลูกบาศก์แสดงให้เห็นถึงโอกาสในการรับพลังงานที่สูงขึ้นใน RFEH โดยรอบ
มีการปรับปรุงการออกแบบเสาอากาศเพื่อเพิ่มความกว้างของลำแสง รวมถึงองค์ประกอบแพตช์เสริมแบบปรสิต เพื่อปรับปรุง WPT ที่ย่านความถี่ 2.4 GHz แบบ 4 × 1 เสาอากาศแบบตาข่ายความถี่ 6 GHz ที่มีบริเวณลำแสงหลายส่วนก็ถูกเสนอขึ้นเช่นกัน ซึ่งแสดงให้เห็นถึงลำแสงหลายลำต่อพอร์ต ได้มีการเสนอให้ใช้เสาอากาศแบบเรกเทนนาพื้นผิวแบบหลายพอร์ต หลายเรกติไฟเออร์ และเสาอากาศเก็บเกี่ยวพลังงานที่มีรูปแบบการแผ่รังสีรอบทิศทางสำหรับ RFEH แบบหลายทิศทางและหลายโพลาไรซ์ นอกจากนี้ยังมีการเสนอให้ใช้เสาอากาศแบบเรกติไฟเออร์หลายตัวพร้อมเมทริกซ์บีมฟอร์มมิงและเสาอากาศอาร์เรย์แบบหลายพอร์ตสำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงานแบบหลายทิศทางที่มีอัตราขยายสูง
โดยสรุป แม้ว่าเสาอากาศกำลังขยายสูงจะเป็นที่นิยมในการปรับปรุงกำลังที่เก็บเกี่ยวจากความหนาแน่น RF ต่ำ แต่เครื่องรับที่มีทิศทางสูงอาจไม่เหมาะสำหรับการใช้งานที่ไม่ทราบทิศทางของเครื่องส่งสัญญาณ (เช่น สัญญาณ RFEH หรือ WPT โดยรอบผ่านช่องสัญญาณการแพร่กระจายที่ไม่ทราบ) ในงานวิจัยนี้ มีการเสนอวิธีการส่งสัญญาณแบบหลายลำแสงหลายแบบสำหรับสัญญาณ WPT และ RFEH กำลังขยายสูงแบบหลายทิศทาง
2. โพลาไรเซชันของเสาอากาศ
โพลาไรเซชันของเสาอากาศอธิบายถึงการเคลื่อนที่ของเวกเตอร์สนามไฟฟ้าเทียบกับทิศทางการแพร่กระจายของเสาอากาศ ความไม่ตรงกันของโพลาไรเซชันอาจทำให้การส่ง/รับสัญญาณระหว่างเสาอากาศลดลง แม้ว่าทิศทางของกลีบหลักจะตรงกันก็ตาม ตัวอย่างเช่น หากใช้เสาอากาศ LP แนวตั้งสำหรับการส่งสัญญาณ และใช้เสาอากาศ LP แนวนอนสำหรับการรับสัญญาณ ก็จะไม่ได้รับพลังงาน ในส่วนนี้ จะทบทวนวิธีการที่รายงานไว้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการรับสัญญาณไร้สายสูงสุดและหลีกเลี่ยงการสูญเสียจากความไม่ตรงกันของโพลาไรเซชัน สรุปสถาปัตยกรรมเรกเทนนาที่นำเสนอเกี่ยวกับโพลาไรเซชันแสดงไว้ในรูปที่ 6 และตัวอย่าง SoA แสดงไว้ในตารางที่ 4
รูปที่ 6
ในการสื่อสารเคลื่อนที่ การจัดตำแหน่งโพลาไรซ์เชิงเส้นระหว่างสถานีฐานและโทรศัพท์มือถือนั้นไม่น่าจะเกิดขึ้นได้ ดังนั้นเสาอากาศของสถานีฐานจึงได้รับการออกแบบให้เป็นแบบโพลาไรซ์คู่หรือหลายโพลาไรซ์เพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียสัญญาณจากความไม่ตรงกันของโพลาไรซ์ อย่างไรก็ตาม ความแปรผันของโพลาไรซ์ของคลื่น LP อันเนื่องมาจากผลกระทบจากหลายเส้นทางยังคงเป็นปัญหาที่ยังไม่ได้รับการแก้ไข จากสมมติฐานของสถานีฐานเคลื่อนที่แบบหลายโพลาไรซ์ เสาอากาศ RFEH แบบเซลลูลาร์จึงได้รับการออกแบบให้เป็นเสาอากาศ LP
เสาอากาศเรกเทนนา CP ส่วนใหญ่ใช้ใน WPT เนื่องจากค่อนข้างทนทานต่อความไม่ตรงกัน เสาอากาศ CP สามารถรับคลื่น CP ในทิศทางการหมุนเดียวกัน (CP ซ้ายหรือขวา) นอกเหนือจากคลื่น LP ทั้งหมดโดยไม่สูญเสียพลังงาน ไม่ว่าในกรณีใด เสาอากาศ CP จะส่งสัญญาณ และเสาอากาศ LP จะรับสัญญาณโดยมีการสูญเสียพลังงาน 3 เดซิเบล (สูญเสียพลังงาน 50%) มีรายงานว่าเสาอากาศเรกเทนนา CP เหมาะสำหรับย่านความถี่ 900 MHz, 2.4 GHz และ 5.8 GHz ในอุตสาหกรรม วิทยาศาสตร์ และการแพทย์ รวมถึงคลื่นมิลลิเมตร ใน RFEH ของคลื่นที่มีโพลาไรซ์โดยพลการ ความหลากหลายของโพลาไรซ์เป็นวิธีแก้ปัญหาการสูญเสียพลังงานจากความไม่ตรงกันของโพลาไรซ์ที่อาจเกิดขึ้นได้
โพลาไรเซชันแบบเต็ม หรือที่รู้จักกันในชื่อมัลติโพลาไรเซชัน ได้รับการเสนอให้แก้ปัญหาการสูญเสียความไม่แมตช์ของโพลาไรเซชันได้อย่างสมบูรณ์ ทำให้สามารถรวบรวมคลื่น CP และ LP ได้ โดยที่องค์ประกอบ LP มุมฉากแบบโพลาไรเซชันคู่สององค์ประกอบจะรับคลื่น LP และ CP ทั้งหมดได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อแสดงให้เห็นสิ่งนี้ แรงดันไฟฟ้าสุทธิในแนวตั้งและแนวนอน (VV และ VH) จะคงที่ไม่ว่ามุมโพลาไรเซชันจะเป็นเท่าใด:
สนามไฟฟ้าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า CP “E” ซึ่งพลังงานจะถูกเก็บรวบรวมสองครั้ง (ครั้งละหนึ่งหน่วย) จึงได้รับส่วนประกอบ CP อย่างสมบูรณ์และเอาชนะการสูญเสียความไม่ตรงกันของโพลาไรเซชัน 3 dB ได้:
ในที่สุด ด้วยการรวมกันของ DC สามารถรับคลื่นตกกระทบของโพลาไรเซชันตามอำเภอใจได้ รูปที่ 7 แสดงรูปทรงเรขาคณิตของเรกเทนนาที่มีโพลาไรเซชันเต็มที่ตามที่รายงานไว้
รูปที่ 7
โดยสรุป ในการใช้งาน WPT ที่มีแหล่งจ่ายไฟเฉพาะ CP เป็นที่นิยมมากกว่าเนื่องจากช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ WPT โดยไม่คำนึงถึงมุมโพลาไรซ์ของเสาอากาศ ในทางกลับกัน ในการรับสัญญาณจากหลายแหล่ง โดยเฉพาะจากแหล่งกำเนิดภายนอก เสาอากาศที่มีโพลาไรซ์เต็มรูปแบบสามารถรับสัญญาณโดยรวมได้ดีขึ้นและพกพาได้สะดวกที่สุด จำเป็นต้องมีสถาปัตยกรรมแบบหลายพอร์ต/หลายเรกติไฟเออร์ เพื่อรวมพลังงานโพลาไรซ์เต็มรูปแบบที่ RF หรือ DC
สรุป
บทความนี้ทบทวนความก้าวหน้าล่าสุดในการออกแบบเสาอากาศสำหรับ RFEH และ WPT และเสนอการจำแนกประเภทมาตรฐานของการออกแบบเสาอากาศสำหรับ RFEH และ WPT ที่ไม่เคยมีการเสนอมาก่อนในเอกสารก่อนหน้านี้ ข้อกำหนดพื้นฐานสามประการของเสาอากาศเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพ RF-to-DC สูง ได้แก่:
1. แบนด์วิดท์อิมพีแดนซ์ของวงจรเรียงกระแสเสาอากาศสำหรับแบนด์ RFEH และ WPT ที่สนใจ
2. การจัดตำแหน่งกลีบหลักระหว่างเครื่องส่งและเครื่องรับใน WPT จากฟีดเฉพาะ
3. การจับคู่โพลาไรเซชันระหว่างเรกเทนนาและคลื่นตกกระทบโดยไม่คำนึงถึงมุมและตำแหน่ง
เรกเทนนาจะถูกจำแนกตามค่าอิมพีแดนซ์เป็นเรกเทนนา 50Ω และเรกเทนนาคอนจูเกตแบบเรียงกระแส โดยเน้นที่การจับคู่ค่าอิมพีแดนซ์ระหว่างแบนด์และโหลดที่แตกต่างกัน และประสิทธิภาพของวิธีการจับคู่แต่ละวิธี
ได้มีการทบทวนคุณลักษณะการแผ่รังสีของเรกเทนนา SoA จากมุมมองของการกำหนดทิศทางและโพลาไรเซชัน ได้มีการหารือถึงวิธีการปรับปรุงอัตราขยายโดยการสร้างลำแสงและการบรรจุสัญญาณเพื่อแก้ปัญหาความกว้างลำแสงที่แคบ สุดท้ายนี้ ได้มีการทบทวนเรกเทนนา CP สำหรับ WPT พร้อมกับการนำไปใช้งานต่างๆ เพื่อให้ได้การรับสัญญาณที่ไม่ขึ้นกับโพลาไรเซชันสำหรับ WPT และ RFEH
หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเสาอากาศ โปรดไปที่:
เวลาโพสต์: 16 ส.ค. 2567
