การออกแบบร่วมกันระหว่างเสาอากาศและวงจรเรียงกระแส
ลักษณะเฉพาะของเร็กเทนนาที่ใช้โครงสร้าง EG ในรูปที่ 2 คือ เสาอากาศจะจับคู่กับตัวเรียงกระแสโดยตรง แทนที่จะใช้มาตรฐาน 50Ω ซึ่งจำเป็นต้องลดหรือกำจัดวงจรจับคู่เพื่อจ่ายไฟให้กับตัวเรียงกระแส ส่วนนี้จะทบทวนข้อดีของเร็กเทนนา SoA ที่ใช้เสาอากาศที่ไม่ใช่ 50Ω และเร็กเทนนาที่ไม่มีเครือข่ายจับคู่
1. เสาอากาศขนาดเล็กทางไฟฟ้า
เสาอากาศแบบวงแหวนเรโซแนนซ์ LC ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในแอปพลิเคชันที่ขนาดของระบบมีความสำคัญ ที่ความถี่ต่ำกว่า 1 GHz ความยาวคลื่นอาจทำให้เสาอากาศแบบกระจายองค์ประกอบมาตรฐานใช้พื้นที่มากกว่าขนาดโดยรวมของระบบ และแอปพลิเคชันเช่นตัวรับส่งสัญญาณแบบรวมในตัวสำหรับอุปกรณ์ฝังในร่างกายจะได้รับประโยชน์เป็นพิเศษจากการใช้เสาอากาศขนาดเล็กทางไฟฟ้าสำหรับ WPT
อิมพีแดนซ์เหนี่ยวนำสูงของเสาอากาศขนาดเล็ก (ใกล้เรโซแนนซ์) สามารถนำมาใช้เชื่อมต่อโดยตรงกับวงจรเรียงกระแส หรือใช้ร่วมกับเครือข่ายจับคู่ความจุเพิ่มเติมบนชิปได้ มีรายงานการใช้เสาอากาศขนาดเล็กทางไฟฟ้าในระบบส่งผ่านไร้สาย (WPT) ที่มี LP และ CP ต่ำกว่า 1 GHz โดยใช้เสาอากาศไดโพลของ Huygens ซึ่งมีค่า ka=0.645 ในขณะที่ค่า ka=5.91 ในไดโพลปกติ (ka=2πr/λ0)
2. เสาอากาศคอนจูเกตแบบเร็กติไฟเออร์
โดยทั่วไปแล้ว อิมพีแดนซ์อินพุตของไดโอดจะมีค่าเป็นคาปาซิทีฟสูง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้เสาอากาศแบบเหนี่ยวนำเพื่อให้ได้อิมพีแดนซ์ที่สมดุล เนื่องจากอิมพีแดนซ์แบบคาปาซิทีฟของชิป เสาอากาศแบบเหนี่ยวนำที่มีอิมพีแดนซ์สูงจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในแท็ก RFID เสาอากาศแบบไดโพลกำลังเป็นที่นิยมในปัจจุบันในกลุ่มเสาอากาศ RFID ที่มีอิมพีแดนซ์ซับซ้อน โดยมีค่าอิมพีแดนซ์ (ความต้านทานและรีแอกแทนซ์) สูงใกล้กับความถี่เรโซแนนซ์
เสาอากาศไดโพลแบบเหนี่ยวนำถูกนำมาใช้เพื่อปรับให้เข้ากับค่าความจุสูงของวงจรเรียงกระแสในช่วงความถี่ที่สนใจ ในเสาอากาศไดโพลแบบพับ เส้นสั้นสองเส้น (การพับไดโพล) ทำหน้าที่เป็นตัวแปลงอิมพีแดนซ์ ทำให้สามารถออกแบบเสาอากาศที่มีอิมพีแดนซ์สูงมากได้ อีกทางเลือกหนึ่ง การป้อนไบแอสจะช่วยเพิ่มค่ารีแอกแทนซ์แบบเหนี่ยวนำรวมถึงอิมพีแดนซ์จริงด้วย การรวมองค์ประกอบไดโพลแบบไบแอสหลายตัวเข้ากับสตับรัศมีรูปโบว์ไทที่ไม่สมดุล จะสร้างเสาอากาศที่มีอิมพีแดนซ์สูงแบบบรอดแบนด์คู่ รูปที่ 4 แสดงเสาอากาศคอนจูเกตวงจรเรียงกระแสที่ได้รับการรายงานบางส่วน
รูปที่ 4
ลักษณะการแผ่รังสีใน RFEH และ WPT
ในแบบจำลองของ Friis กำลังส่ง PRX ที่เสาอากาศรับได้ ณ ระยะ d จากตัวส่งสัญญาณ เป็นฟังก์ชันโดยตรงของอัตราขยายของตัวรับและตัวส่ง (GRX, GTX)
ทิศทางและโพลาไรเซชันของลำแสงหลักของเสาอากาศส่งผลโดยตรงต่อปริมาณพลังงานที่รวบรวมได้จากคลื่นตกกระทบ คุณลักษณะการแผ่รังสีของเสาอากาศเป็นพารามิเตอร์สำคัญที่แยกความแตกต่างระหว่าง RFEH ในสภาพแวดล้อมปกติและ WPT (รูปที่ 5) ในขณะที่ในทั้งสองแอปพลิเคชัน สื่อกลางการแพร่กระจายอาจไม่เป็นที่รู้จักและจำเป็นต้องพิจารณาผลกระทบต่อคลื่นที่ได้รับ ความรู้เกี่ยวกับเสาอากาศส่งสัญญาณสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ ตารางที่ 3 ระบุพารามิเตอร์สำคัญที่กล่าวถึงในส่วนนี้และความเหมาะสมในการใช้งานกับ RFEH และ WPT
รูปที่ 5
1. ทิศทางและการขยายสัญญาณ
ในแอปพลิเคชัน RFEH และ WPT ส่วนใหญ่ มักสันนิษฐานว่าตัวรับสัญญาณไม่ทราบทิศทางของรังสีที่ตกกระทบ และไม่มีเส้นทางมองเห็นโดยตรง (LoS) ในงานวิจัยนี้ ได้มีการศึกษาการออกแบบและการจัดวางเสาอากาศหลายแบบ เพื่อเพิ่มกำลังรับสัญญาณจากแหล่งกำเนิดที่ไม่ทราบทิศทางให้สูงสุด โดยไม่ขึ้นอยู่กับการจัดเรียงลำแสงหลักระหว่างตัวส่งและตัวรับ
เสาอากาศแบบรอบทิศทางถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเร็กเทนนาคลื่นวิทยุความถี่สูง (RFEH) สำหรับสิ่งแวดล้อม ในเอกสารทางวิชาการระบุว่า ค่า PSD จะแปรผันไปตามทิศทางของเสาอากาศ อย่างไรก็ตาม ไม่มีการอธิบายถึงความแปรผันของกำลังไฟฟ้า ดังนั้นจึงไม่สามารถระบุได้ว่าความแปรผันนั้นเกิดจากรูปแบบการแผ่รังสีของเสาอากาศหรือเกิดจากความไม่ตรงกันของโพลาไรเซชัน
นอกเหนือจากการใช้งาน RFEH แล้ว เสาอากาศและอาร์เรย์ทิศทางที่มีอัตราขยายสูงยังได้รับการรายงานอย่างกว้างขวางสำหรับ WPT ไมโครเวฟ เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการรวบรวมพลังงาน RF ที่มีความหนาแน่นต่ำ หรือเอาชนะการสูญเสียการแพร่กระจาย อาร์เรย์เร็กเทนนาแบบ Yagi-Uda, อาร์เรย์แบบโบว์ไท, อาร์เรย์แบบเกลียว, อาร์เรย์ Vivaldi ที่เชื่อมต่อแน่น, อาร์เรย์ CPW CP และอาร์เรย์แบบแพทช์ เป็นตัวอย่างของการใช้งานเร็กเทนนาที่ปรับขนาดได้ ซึ่งสามารถเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานที่ตกกระทบให้สูงสุดภายใต้พื้นที่ที่กำหนด แนวทางอื่นๆ ในการปรับปรุงอัตราขยายของเสาอากาศ ได้แก่ เทคโนโลยีท่อนำคลื่นแบบรวมในวัสดุรองรับ (SIW) ในย่านไมโครเวฟและมิลลิเมตรเวฟ ซึ่งเฉพาะเจาะจงสำหรับ WPT อย่างไรก็ตาม เร็กเทนนาที่มีอัตราขยายสูงมีลักษณะเฉพาะคือความกว้างของลำแสงแคบ ทำให้การรับคลื่นในทิศทางใดๆ ไม่มีประสิทธิภาพ การตรวจสอบจำนวนองค์ประกอบเสาอากาศและพอร์ตสรุปได้ว่า ทิศทางที่สูงขึ้นไม่ได้สอดคล้องกับพลังงานที่เก็บเกี่ยวได้สูงขึ้นใน RFEH แวดล้อม โดยสมมติว่าการตกกระทบแบบสามมิติใดๆ ซึ่งได้รับการยืนยันโดยการวัดภาคสนามในสภาพแวดล้อมในเมือง อาร์เรย์ที่มีอัตราขยายสูงอาจมีข้อจำกัดในการใช้งาน WPT
เพื่อถ่ายทอดประโยชน์ของเสาอากาศกำลังขยายสูงไปยังแหล่งกำเนิดพลังงานคลื่นวิทยุ (RFEH) ใดๆ จึงมีการใช้โซลูชันด้านบรรจุภัณฑ์หรือการจัดวางเพื่อเอาชนะปัญหาเรื่องทิศทาง มีการเสนอสายรัดข้อมือเสาอากาศแบบสองแผ่นเพื่อเก็บเกี่ยวพลังงานจากแหล่งกำเนิดพลังงานคลื่นวิทยุ Wi-Fi ในสภาพแวดล้อมในสองทิศทาง นอกจากนี้ยังมีการออกแบบเสาอากาศแหล่งกำเนิดพลังงานคลื่นวิทยุจากเครือข่ายเซลลูลาร์ในสภาพแวดล้อมให้เป็นกล่อง 3 มิติ และพิมพ์หรือติดลงบนพื้นผิวภายนอกเพื่อลดพื้นที่ของระบบและช่วยให้สามารถเก็บเกี่ยวพลังงานได้หลายทิศทาง โครงสร้างเร็กเทนนาทรงลูกบาศก์แสดงให้เห็นถึงโอกาสในการรับพลังงานจากแหล่งกำเนิดพลังงานคลื่นวิทยุในสภาพแวดล้อมได้สูงกว่า
มีการปรับปรุงการออกแบบเสาอากาศเพื่อเพิ่มความกว้างของลำแสง รวมถึงองค์ประกอบแพทช์ปรสิตเสริม เพื่อปรับปรุง WPT ที่ 2.4 GHz สำหรับอาร์เรย์ 4 × 1 นอกจากนี้ยังมีการเสนอเสาอากาศแบบตาข่าย 6 GHz ที่มีหลายบริเวณลำแสง ซึ่งแสดงให้เห็นถึงลำแสงหลายลำต่อพอร์ต มีการเสนอเร็กเทนนาพื้นผิวแบบหลายพอร์ต หลายตัวเรียงกระแส และเสาอากาศเก็บเกี่ยวพลังงานที่มีรูปแบบการแผ่รังสีแบบรอบทิศทางสำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงานแบบหลายทิศทางและหลายโพลาไรซ์ นอกจากนี้ยังมีการเสนอตัวเรียงกระแสหลายตัวที่มีเมทริกซ์การสร้างลำแสงและอาร์เรย์เสาอากาศแบบหลายพอร์ตสำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงานแบบหลายทิศทางที่มีอัตราขยายสูง
โดยสรุปแล้ว แม้ว่าเสาอากาศที่มีอัตราขยายสูงจะเหมาะสมกว่าสำหรับการเพิ่มกำลังไฟฟ้าที่เก็บเกี่ยวได้จากความหนาแน่นของคลื่นวิทยุต่ำ แต่ตัวรับสัญญาณแบบกำหนดทิศทางสูงอาจไม่เหมาะสมในแอปพลิเคชันที่ไม่ทราบทิศทางของตัวส่งสัญญาณ (เช่น การเก็บเกี่ยวพลังงานจากคลื่นวิทยุในสภาพแวดล้อมโดยรอบ หรือการส่งพลังงานไร้สายผ่านช่องทางการแพร่กระจายที่ไม่ทราบ) ในงานวิจัยนี้ จึงได้เสนอแนวทางแบบหลายลำแสงหลายวิธีสำหรับการส่งพลังงานไร้สายและการเก็บเกี่ยวพลังงานจากคลื่นวิทยุในสภาพแวดล้อมโดยรอบที่มีอัตราขยายสูงแบบหลายทิศทาง
2. การโพลาไรซ์ของเสาอากาศ
การโพลาไรเซชันของเสาอากาศอธิบายถึงการเคลื่อนที่ของเวกเตอร์สนามไฟฟ้าเทียบกับทิศทางการแพร่กระจายของเสาอากาศ ความไม่ตรงกันของโพลาไรเซชันอาจนำไปสู่การลดประสิทธิภาพการส่ง/รับสัญญาณระหว่างเสาอากาศ แม้ว่าทิศทางของกลีบหลักจะตรงกันก็ตาม ตัวอย่างเช่น หากใช้เสาอากาศ LP แนวตั้งสำหรับการส่งสัญญาณและใช้เสาอากาศ LP แนวนอนสำหรับการรับสัญญาณ จะไม่สามารถรับพลังงานได้ ในส่วนนี้ จะมีการทบทวนวิธีการต่างๆ ที่รายงานไว้สำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพการรับสัญญาณไร้สายและหลีกเลี่ยงการสูญเสียเนื่องจากความไม่ตรงกันของโพลาไรเซชัน สรุปสถาปัตยกรรมเร็กเทนนาที่เสนอโดยคำนึงถึงโพลาไรเซชันแสดงในรูปที่ 6 และตัวอย่าง SoA แสดงในตารางที่ 4
รูปที่ 6
ในการสื่อสารเคลื่อนที่ การจัดเรียงโพลาไรเซชันเชิงเส้นระหว่างสถานีฐานและโทรศัพท์มือถือเป็นไปได้ยาก ดังนั้นเสาอากาศของสถานีฐานจึงถูกออกแบบให้เป็นแบบสองโพลาไรซ์หรือหลายโพลาไรซ์เพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียเนื่องจากความไม่ตรงกันของโพลาไรเซชัน อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงโพลาไรเซชันของคลื่น LP เนื่องมาจากผลกระทบของมัลติพาธยังคงเป็นปัญหาที่ยังแก้ไม่ตก บนพื้นฐานของสมมติฐานที่ว่าสถานีฐานเคลื่อนที่ใช้หลายโพลาไรเซชัน เสาอากาศ RFEH สำหรับการสื่อสารเคลื่อนที่จึงถูกออกแบบให้เป็นเสาอากาศ LP
เร็กเทนนาแบบ CP ส่วนใหญ่ใช้ในระบบส่งผ่านไร้สาย (WPT) เนื่องจากมีความทนทานต่อความไม่ตรงกันของโพลาไรเซชันค่อนข้างสูง เสาอากาศ CP สามารถรับรังสี CP ที่มีทิศทางการหมุนเดียวกัน (CP ซ้ายหรือขวา) รวมถึงคลื่น LP ทั้งหมดได้โดยไม่สูญเสียพลังงาน ในทุกกรณี เสาอากาศ CP จะส่งสัญญาณและเสาอากาศ LP จะรับสัญญาณโดยมีการสูญเสีย 3 dB (สูญเสียพลังงาน 50%) มีรายงานว่าเร็กเทนนาแบบ CP เหมาะสำหรับย่านความถี่ 900 MHz, 2.4 GHz และ 5.8 GHz สำหรับงานอุตสาหกรรม วิทยาศาสตร์ และการแพทย์ รวมถึงคลื่นมิลลิเมตร ในระบบส่งผ่านคลื่นความถี่วิทยุ (RFEH) ของคลื่นโพลาไรซ์แบบใดก็ได้ ความหลากหลายของโพลาไรเซชันแสดงถึงวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้สำหรับการสูญเสียจากความไม่ตรงกันของโพลาไรเซชัน
การโพลาไรซ์แบบเต็มรูปแบบ หรือที่เรียกว่าการโพลาไรซ์หลายขั้ว ได้รับการเสนอเพื่อเอาชนะการสูญเสียจากการไม่ตรงกันของโพลาไรซ์อย่างสมบูรณ์ ทำให้สามารถรวบรวมคลื่น CP และ LP ได้ โดยที่องค์ประกอบ LP แบบตั้งฉากสองขั้วคู่จะรับคลื่น LP และ CP ทั้งหมดได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อแสดงให้เห็นภาพนี้ แรงดันสุทธิในแนวตั้งและแนวนอน (VV และ VH) จะคงที่โดยไม่ขึ้นอยู่กับมุมโพลาไรซ์:
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า CP “E” สนามไฟฟ้า ซึ่งมีการรวบรวมพลังงานสองครั้ง (ครั้งละหนึ่งหน่วย) จึงรับส่วนประกอบ CP ได้อย่างสมบูรณ์และเอาชนะการสูญเสียจากการไม่ตรงกันของโพลาไรเซชัน 3 dB ได้:
สุดท้ายนี้ ด้วยการรวมสัญญาณกระแสตรง ทำให้สามารถรับคลื่นตกกระทบที่มีโพลาไรเซชันใดๆ ก็ได้ รูปที่ 7 แสดงรูปทรงเรขาคณิตของเร็กเทนนาแบบโพลาไรซ์สมบูรณ์ที่รายงานไว้
รูปที่ 7
โดยสรุปแล้ว ในแอปพลิเคชัน WPT ที่ใช้แหล่งจ่ายไฟเฉพาะ CP เป็นที่นิยมมากกว่า เนื่องจากช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของ WPT โดยไม่ขึ้นอยู่กับมุมโพลาไรเซชันของเสาอากาศ ในทางกลับกัน ในการรับสัญญาณจากหลายแหล่ง โดยเฉพาะจากแหล่งสัญญาณแวดล้อม เสาอากาศแบบโพลาไรซ์เต็มรูปแบบสามารถให้การรับสัญญาณโดยรวมที่ดีกว่าและพกพาสะดวกสูงสุด สถาปัตยกรรมแบบหลายพอร์ต/หลายตัวเรียงกระแสจึงจำเป็นสำหรับการรวมพลังงานแบบโพลาไรซ์เต็มรูปแบบที่ความถี่วิทยุหรือกระแสตรง
สรุป
บทความนี้ทบทวนความก้าวหน้าล่าสุดในการออกแบบเสาอากาศสำหรับ RFEH และ WPT และเสนอการจำแนกประเภทมาตรฐานของการออกแบบเสาอากาศสำหรับ RFEH และ WPT ซึ่งยังไม่เคยมีการเสนอในเอกสารก่อนหน้านี้ ได้ระบุข้อกำหนดพื้นฐานสามประการของเสาอากาศเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพ RF-to-DC สูง ดังนี้:
1. แบนด์วิดท์ของอิมพีแดนซ์ตัวเรียงกระแสเสาอากาศสำหรับย่านความถี่ RFEH และ WPT ที่สนใจ;
2. การจัดแนวลำแสงหลักระหว่างตัวส่งและตัวรับในระบบ WPT จากแหล่งป้อนสัญญาณเฉพาะ
3. การจับคู่โพลาไรเซชันระหว่างเร็กเทนนาและคลื่นตกกระทบโดยไม่คำนึงถึงมุมและตำแหน่ง
โดยพิจารณาจากค่าอิมพีแดนซ์ เร็กเทนนาจะถูกจำแนกออกเป็นเร็กเทนนา 50 โอห์ม และเร็กเทนนาแบบคอนจูเกตเรคติไฟเออร์ โดยเน้นที่การจับคู่ค่าอิมพีแดนซ์ระหว่างย่านความถี่และโหลดต่างๆ และประสิทธิภาพของวิธีการจับคู่แต่ละวิธี
บทความนี้ได้ทบทวนลักษณะการแผ่รังสีของเร็กเทนนา SoA จากมุมมองของทิศทางและการโพลาไรเซชัน นอกจากนี้ยังได้กล่าวถึงวิธีการปรับปรุงอัตราขยายโดยการสร้างลำแสงและการบรรจุภัณฑ์เพื่อเอาชนะปัญหาลำแสงแคบ สุดท้ายนี้ บทความนี้ได้ทบทวนเร็กเทนนา CP สำหรับ WPT พร้อมกับการนำไปใช้ในรูปแบบต่างๆ เพื่อให้ได้การรับสัญญาณที่ไม่ขึ้นกับโพลาไรเซชันสำหรับ WPT และ RFEH
หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเสาอากาศ โปรดไปที่:
วันที่เผยแพร่: 16 สิงหาคม 2567
