การออกแบบร่วมกันระหว่างเสาอากาศ-วงจรเรียงกระแส
คุณลักษณะของวงจรเรียงกระแสตามโทโพโลยี EG ในรูปที่ 2 คือ เสาอากาศถูกจับคู่โดยตรงกับวงจรเรียงกระแส แทนที่จะเป็นมาตรฐาน 50Ω ซึ่งจำเป็นต้องลดหรือกำจัดวงจรที่ตรงกันเพื่อจ่ายไฟให้กับวงจรเรียงกระแส ในส่วนนี้จะทบทวนข้อดีของวงจรเรียงกระแส SoA ที่มีเสาอากาศที่ไม่ใช่ 50Ω และวงจรเรียงกระแสที่ไม่มีเครือข่ายที่ตรงกัน
1. เสาอากาศไฟฟ้าขนาดเล็ก
เสาอากาศวงแหวนเรโซแนนซ์ LC ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการใช้งานที่ขนาดของระบบมีความสำคัญ ที่ความถี่ต่ำกว่า 1 GHz ความยาวคลื่นอาจทำให้เสาอากาศแบบกระจายองค์ประกอบมาตรฐานใช้พื้นที่มากกว่าขนาดโดยรวมของระบบ และการใช้งาน เช่น เครื่องรับส่งสัญญาณแบบครบวงจรสำหรับการปลูกถ่ายร่างกายจะได้รับประโยชน์เป็นพิเศษจากการใช้เสาอากาศขนาดเล็กแบบไฟฟ้าสำหรับ WPT
อิมพีแดนซ์อุปนัยสูงของเสาอากาศขนาดเล็ก (ใกล้เรโซแนนซ์) สามารถใช้เชื่อมต่อกับวงจรเรียงกระแสโดยตรงหรือกับเครือข่ายการจับคู่แบบคาปาซิทีฟบนชิปเพิ่มเติม มีการรายงานเสาอากาศขนาดเล็กทางไฟฟ้าใน WPT โดยมี LP และ CP ต่ำกว่า 1 GHz โดยใช้เสาอากาศไดโพล Huygens โดยมี ka = 0.645 ในขณะที่ ka = 5.91 ในไดโพลปกติ ( ka = 2 πr / แล 0 )
2. เสาอากาศคอนจูเกตวงจรเรียงกระแส
อิมพีแดนซ์อินพุตทั่วไปของไดโอดนั้นมีความจุสูง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้เสาอากาศแบบเหนี่ยวนำเพื่อให้ได้อิมพีแดนซ์คอนจูเกต เนื่องจากความต้านทานแบบคาปาซิทีฟของชิป จึงมีการใช้เสาอากาศอุปนัยที่มีความต้านทานสูงในแท็ก RFID เมื่อเร็ว ๆ นี้ เสาอากาศแบบไดโพลได้กลายเป็นเทรนด์ของเสาอากาศ RFID อิมพีแดนซ์เชิงซ้อน ซึ่งมีอิมพีแดนซ์สูง (ความต้านทานและรีแอกแตนซ์) ใกล้กับความถี่เรโซแนนซ์
เสาอากาศไดโพลแบบเหนี่ยวนำถูกนำมาใช้เพื่อให้ตรงกับความจุสูงของวงจรเรียงกระแสในย่านความถี่ที่สนใจ ในเสาอากาศไดโพลแบบพับ เส้นสั้นคู่ (การพับไดโพล) ทำหน้าที่เป็นหม้อแปลงอิมพีแดนซ์ ทำให้สามารถออกแบบเสาอากาศอิมพีแดนซ์ที่สูงมากได้ อีกทางหนึ่ง การให้อาหารแบบอคติมีหน้าที่เพิ่มปฏิกิริยาอินดัคทีฟและอิมพีแดนซ์ตามจริง การรวมองค์ประกอบไดโพลเอนเอียงหลายตัวเข้ากับสตับเรเดียลผูกโบว์ที่ไม่สมดุลทำให้เกิดเสาอากาศอิมพีแดนซ์สูงบรอดแบนด์คู่ รูปที่ 4 แสดงเสาอากาศคอนจูเกตแบบคอนจูเกตที่รายงานบางส่วน
รูปที่ 4
ลักษณะการแผ่รังสีใน RFEH และ WPT
ในแบบจำลอง Friis กำลัง PRX ที่ได้รับจากเสาอากาศที่ระยะห่าง d จากตัวส่งเป็นฟังก์ชันโดยตรงของตัวรับและตัวส่งที่ได้รับ (GRX, GTX)
ทิศทางและโพลาไรเซชันของกลีบหลักของเสาอากาศส่งผลกระทบโดยตรงต่อปริมาณพลังงานที่รวบรวมจากคลื่นตกกระทบ ลักษณะการแผ่รังสีของเสาอากาศเป็นพารามิเตอร์สำคัญที่สร้างความแตกต่างระหว่าง RFEH โดยรอบและ WPT (รูปที่ 5) แม้ว่าในการใช้งานทั้งสองแบบ สื่อการแพร่กระจายอาจไม่เป็นที่รู้จัก และจำเป็นต้องพิจารณาถึงผลกระทบต่อคลื่นที่ได้รับ ความรู้เกี่ยวกับเสาอากาศส่งสัญญาณสามารถใช้ประโยชน์ได้ ตารางที่ 3 ระบุพารามิเตอร์หลักที่กล่าวถึงในส่วนนี้และการบังคับใช้กับ RFEH และ WPT
รูปที่ 5
1. ทิศทางและกำไร
ในการใช้งาน RFEH และ WPT ส่วนใหญ่ สันนิษฐานว่าตัวรวบรวมไม่ทราบทิศทางของการแผ่รังสีที่ตกกระทบ และไม่มีเส้นทางแนวสายตา (LoS) ในงานนี้ มีการตรวจสอบการออกแบบและการวางตำแหน่งเสาอากาศหลายตำแหน่งเพื่อเพิ่มกำลังรับที่ได้รับจากแหล่งที่ไม่รู้จัก โดยไม่ขึ้นอยู่กับการจัดตำแหน่งกลีบหลักระหว่างเครื่องส่งและเครื่องรับ
เสาอากาศแบบรอบทิศทางถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในวงจรเรียงกระแส RFEH ด้านสิ่งแวดล้อม ในวรรณคดี PSD จะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับการวางแนวของเสาอากาศ อย่างไรก็ตาม ยังไม่สามารถอธิบายความแปรผันของพลังงานได้ ดังนั้นจึงไม่สามารถระบุได้ว่าความแปรผันนั้นเกิดจากรูปแบบการแผ่รังสีของเสาอากาศหรือเนื่องจากโพลาไรเซชันไม่ตรงกัน
นอกเหนือจากการใช้งาน RFEH แล้ว ยังมีการรายงานเสาอากาศและอาร์เรย์ที่มีทิศทางกำลังขยายสูงสำหรับไมโครเวฟ WPT เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการรวบรวมความหนาแน่นของพลังงาน RF ต่ำหรือเอาชนะการสูญเสียการแพร่กระจาย อาร์เรย์เรียงกระแส Yagi-Uda อาร์เรย์ Bowtie อาร์เรย์เกลียว อาร์เรย์ Vivaldi ที่เชื่อมต่อกันอย่างแน่นหนา อาร์เรย์ CPW CP และอาร์เรย์แพตช์ เป็นหนึ่งในการใช้งานวงจรเรียงกระแสที่ปรับขนาดได้ ซึ่งสามารถเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานตกกระทบสูงสุดภายใต้พื้นที่ที่กำหนดได้ วิธีอื่นๆ ในการปรับปรุงอัตราขยายของเสาอากาศ ได้แก่ เทคโนโลยีท่อนำคลื่นแบบรวมซับสเตรต (SIW) ในคลื่นไมโครเวฟและคลื่นมิลลิเมตร เฉพาะสำหรับ WPT อย่างไรก็ตาม วงจรเรียงกระแสกำลังสูงมีลักษณะพิเศษคือมีความกว้างของลำคลื่นแคบ ส่งผลให้การรับคลื่นในทิศทางต่างๆ ไม่มีประสิทธิภาพ การตรวจสอบจำนวนองค์ประกอบเสาอากาศและพอร์ตต่างๆ สรุปได้ว่าทิศทางที่สูงขึ้นไม่สอดคล้องกับกำลังที่เก็บเกี่ยวได้สูงกว่าใน RFEH โดยรอบ โดยสมมติว่ามีอุบัติการณ์ตามอำเภอใจสามมิติ สิ่งนี้ได้รับการตรวจสอบโดยการวัดภาคสนามในสภาพแวดล้อมในเมือง อาร์เรย์เกนสูงสามารถจำกัดเฉพาะแอปพลิเคชัน WPT
ในการถ่ายโอนประโยชน์ของเสาอากาศกำลังสูงไปยัง RFEH ที่กำหนดเอง โซลูชันบรรจุภัณฑ์หรือเค้าโครงจะถูกนำมาใช้เพื่อแก้ไขปัญหาทิศทาง มีการเสนอสายรัดข้อมือเสาอากาศแบบแพตช์คู่เพื่อเก็บเกี่ยวพลังงานจาก Wi-Fi RFEH โดยรอบในสองทิศทาง เสาอากาศ RFEH เซลลูลาร์โดยรอบยังได้รับการออกแบบให้เป็นกล่อง 3D และพิมพ์หรือยึดติดกับพื้นผิวภายนอกเพื่อลดพื้นที่ของระบบและทำให้สามารถเก็บเกี่ยวได้หลายทิศทาง โครงสร้างลูกบาศก์เรกเทนนามีความน่าจะเป็นสูงกว่าที่จะรับพลังงานใน RFEH โดยรอบ
การปรับปรุงการออกแบบเสาอากาศเพื่อเพิ่มความกว้างของลำคลื่น รวมถึงองค์ประกอบแพทช์กาฝากเสริม ถูกสร้างขึ้นเพื่อปรับปรุง WPT ที่ 2.4 GHz, อาร์เรย์ 4 × 1 มีการเสนอเสาอากาศแบบตาข่าย 6 GHz พร้อมบริเวณลำแสงหลายจุด แสดงให้เห็นหลายลำแสงต่อพอร์ต มีการเสนอวงจรเรียงกระแสพื้นผิวหลายพอร์ต หลายวงจรเรียงกระแส และเสาอากาศเก็บพลังงานพร้อมรูปแบบการแผ่รังสีรอบทิศทางสำหรับ RFEH แบบหลายทิศทางและหลายโพลาไรซ์ นอกจากนี้ ยังมีการเสนอวงจรเรียงกระแสหลายตัวที่มีเมทริกซ์บีมฟอร์มมิ่งและอาร์เรย์เสาอากาศแบบหลายพอร์ตเพื่อการเก็บเกี่ยวพลังงานแบบหลายทิศทางที่มีอัตราขยายสูง
โดยสรุป แม้ว่าเสาอากาศกำลังขยายสูงจะเป็นที่ต้องการในการปรับปรุงกำลังงานที่ได้รับจากความหนาแน่นของ RF ต่ำ แต่เครื่องรับที่มีทิศทางสูงอาจไม่เหมาะในการใช้งานที่ไม่ทราบทิศทางของเครื่องส่งสัญญาณ (เช่น RFEH โดยรอบหรือ WPT ผ่านช่องทางการแพร่กระจายที่ไม่รู้จัก) ในงานนี้ มีการเสนอแนวทางหลายลำแสงหลายแนวทางสำหรับ WPT และ RFEH ที่ได้รับสูงหลายทิศทาง
2. โพลาไรซ์เสาอากาศ
โพลาไรเซชันของเสาอากาศอธิบายการเคลื่อนที่ของเวกเตอร์สนามไฟฟ้าที่สัมพันธ์กับทิศทางการแพร่กระจายของเสาอากาศ โพลาไรซ์ที่ไม่ตรงกันอาจทำให้การส่ง/รับสัญญาณระหว่างเสาอากาศลดลง แม้ว่าทิศทางของกลีบหลักจะอยู่ในแนวเดียวกันก็ตาม ตัวอย่างเช่น หากใช้เสาอากาศ LP แนวตั้งในการส่งสัญญาณ และใช้เสาอากาศ LP แนวนอนในการรับสัญญาณ จะไม่ได้รับพลังงาน ในส่วนนี้ มีการทบทวนวิธีการรายงานในการเพิ่มประสิทธิภาพการรับสัญญาณไร้สายให้สูงสุด และการหลีกเลี่ยงการสูญเสียโพลาไรเซชันที่ไม่ตรงกัน บทสรุปของสถาปัตยกรรมเรกเทนนาที่เสนอที่เกี่ยวข้องกับโพลาไรเซชันแสดงไว้ในรูปที่ 6 และตัวอย่าง SoA แสดงไว้ในตารางที่ 4
รูปที่ 6
ในการสื่อสารเคลื่อนที่ การวางแนวโพลาไรซ์เชิงเส้นระหว่างสถานีฐานและโทรศัพท์มือถือไม่น่าจะเป็นไปได้ ดังนั้นเสาอากาศของสถานีฐานจึงได้รับการออกแบบให้เป็นโพลาไรซ์แบบสองขั้วหรือหลายโพลาไรซ์เพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียโพลาไรซ์ที่ไม่ตรงกัน อย่างไรก็ตาม ความแปรผันของโพลาไรเซชันของคลื่น LP เนื่องจากเอฟเฟกต์แบบหลายเส้นทางยังคงเป็นปัญหาที่ยังไม่ได้รับการแก้ไข ตามสมมติฐานของสถานีฐานเคลื่อนที่แบบหลายโพลาไรซ์ เสาอากาศ RFEH แบบเซลลูลาร์ได้รับการออกแบบให้เป็นเสาอากาศ LP
วงจรเรียงกระแส CP ส่วนใหญ่จะใช้ใน WPT เนื่องจากค่อนข้างต้านทานต่อความไม่ตรงกัน เสาอากาศ CP สามารถรับรังสี CP ด้วยทิศทางการหมุนเดียวกัน (CP ซ้ายหรือขวา) นอกเหนือจากคลื่น LP ทั้งหมดโดยไม่สูญเสียพลังงาน ไม่ว่าในกรณีใด เสาอากาศ CP จะส่งสัญญาณและเสาอากาศ LP จะรับสัญญาณโดยสูญเสีย 3 dB (สูญเสียพลังงาน 50%) วงจรเรียงกระแส CP ได้รับการรายงานว่าเหมาะสำหรับคลื่นความถี่อุตสาหกรรม วิทยาศาสตร์ และการแพทย์ 900 MHz และ 2.4 GHz และ 5.8 GHz รวมถึงคลื่นมิลลิเมตร ใน RFEH ของคลื่นโพลาไรซ์ตามอำเภอใจ ความหลากหลายของโพลาไรเซชันแสดงถึงวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้สำหรับการสูญเสียโพลาไรซ์ที่ไม่ตรงกัน
ได้รับการเสนอเพื่อเอาชนะการสูญเสียที่ไม่ตรงกันของโพลาไรเซชันอย่างสมบูรณ์ ทำให้สามารถรวบรวมทั้งคลื่น CP และ LP โดยที่องค์ประกอบ LP มุมฉากแบบโพลาไรซ์สองขั้วสองตัวรับคลื่น LP และ CP ทั้งหมดได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อแสดงให้เห็นสิ่งนี้ แรงดันไฟฟ้าสุทธิในแนวตั้งและแนวนอน (VV และ VH) ยังคงคงที่โดยไม่คำนึงถึงมุมโพลาไรเซชัน:
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า CP สนามไฟฟ้า “E” ซึ่งกำลังถูกรวบรวมสองครั้ง (หนึ่งครั้งต่อหน่วย) ดังนั้นจึงได้รับส่วนประกอบ CP อย่างสมบูรณ์และเอาชนะการสูญเสียโพลาไรเซชันที่ไม่ตรงกัน 3 dB:
ในที่สุด สามารถรับคลื่นตกกระทบของโพลาไรเซชันตามอำเภอใจได้ด้วยการใช้ DC รวมกัน รูปที่ 7 แสดงรูปทรงของเรกเทนนาแบบโพลาไรซ์เต็มที่ที่รายงาน
รูปที่ 7
โดยสรุป ในแอปพลิเคชัน WPT ที่มีแหล่งจ่ายไฟเฉพาะ CP เป็นที่ต้องการ เนื่องจากจะปรับปรุงประสิทธิภาพของ WPT โดยไม่คำนึงถึงมุมโพลาไรเซชันของเสาอากาศ ในทางกลับกัน ในการได้มาซึ่งสัญญาณจากหลายแหล่ง โดยเฉพาะจากแหล่งโดยรอบ เสาอากาศโพลาไรซ์แบบเต็มสามารถให้การรับสัญญาณโดยรวมดีขึ้นและพกพาสะดวกสูงสุด สถาปัตยกรรมหลายพอร์ต/หลายวงจรเรียงกระแสจำเป็นต้องรวมพลังงานโพลาไรซ์เต็มที่ที่ RF หรือ DC
สรุป
บทความนี้จะทบทวนความคืบหน้าล่าสุดในการออกแบบเสาอากาศสำหรับ RFEH และ WPT และเสนอการจำแนกประเภทมาตรฐานของการออกแบบเสาอากาศสำหรับ RFEH และ WPT ที่ยังไม่ได้เสนอในวรรณกรรมก่อนหน้านี้ ข้อกำหนดเสาอากาศพื้นฐานสามประการเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพ RF-to-DC สูงได้รับการระบุดังนี้:
1. แบนด์วิดท์ความต้านทานของตัวเรียงกระแสเสาอากาศสำหรับย่านความถี่ RFEH และ WPT ที่น่าสนใจ
2. การจัดตำแหน่งกลีบหลักระหว่างตัวส่งและตัวรับใน WPT จากฟีดเฉพาะ
3. การจับคู่โพลาไรเซชันระหว่างวงจรเรียงกระแสและคลื่นตกกระทบ โดยไม่คำนึงถึงมุมและตำแหน่ง
ขึ้นอยู่กับอิมพีแดนซ์ เรกเทนนาจะถูกแบ่งออกเป็น 50Ω และเรกเทนนาคอนจูเกตแบบคอนจูเกต โดยเน้นที่การจับคู่อิมพีแดนซ์ระหว่างแบนด์และโหลดที่แตกต่างกัน และประสิทธิภาพของวิธีการจับคู่แต่ละวิธี
ลักษณะการแผ่รังสีของวงจรเรียงกระแส SoA ได้รับการตรวจสอบจากมุมมองของทิศทางและโพลาไรเซชัน มีการพูดคุยถึงวิธีการปรับปรุงอัตราขยายโดยการสร้างบีมฟอร์มมิ่งและการบรรจุหีบห่อเพื่อเอาชนะความกว้างของลำแสงแคบ ในที่สุด CP Rectennas สำหรับ WPT จะได้รับการตรวจสอบ พร้อมกับการใช้งานต่างๆ เพื่อให้เกิดการรับสัญญาณที่ไม่ขึ้นกับโพลาไรเซชันสำหรับ WPT และ RFEH
หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเสาอากาศ โปรดไปที่:
เวลาโพสต์: 16 ส.ค.-2024
