การออกแบบร่วมกันของเสาอากาศและวงจรเรียงกระแส
ลักษณะเฉพาะของเรกเทนนาที่ปฏิบัติตามโทโพโลยี EG ในรูปที่ 2 คือเสาอากาศจะจับคู่โดยตรงกับเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า แทนที่จะเป็นมาตรฐาน 50Ω ซึ่งต้องลดหรือกำจัดวงจรจับคู่เพื่อจ่ายไฟให้กับเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า ในส่วนนี้จะทบทวนข้อดีของเรกเทนนา SoA ที่มีเสาอากาศที่ไม่ใช่ 50Ω และเรกเทนนาที่ไม่มีเครือข่ายจับคู่
1. เสาอากาศไฟฟ้าขนาดเล็ก
เสาอากาศแบบเรโซแนนซ์ริง LC ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในแอปพลิเคชันที่ขนาดของระบบมีความสำคัญ ที่ความถี่ต่ำกว่า 1 GHz ความยาวคลื่นอาจทำให้เสาอากาศแบบกระจายมาตรฐานใช้พื้นที่มากกว่าขนาดโดยรวมของระบบ และแอปพลิเคชัน เช่น เครื่องส่งสัญญาณแบบรวมสำหรับการปลูกถ่ายร่างกายโดยเฉพาะจะได้รับประโยชน์จากการใช้เสาอากาศขนาดเล็กสำหรับ WPT
ค่าอิมพีแดนซ์เหนี่ยวนำสูงของเสาอากาศขนาดเล็ก (ใกล้เรโซแนนซ์) สามารถใช้เพื่อเชื่อมต่อเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าโดยตรงหรือกับเครือข่ายการจับคู่ความจุบนชิปเพิ่มเติมได้ มีรายงานการใช้เสาอากาศขนาดเล็กทางไฟฟ้าใน WPT ที่มี LP และ CP ต่ำกว่า 1 GHz โดยใช้เสาอากาศไดโพลของ Huygens โดยมีค่า ka=0.645 ในขณะที่ค่า ka=5.91 ในไดโพลปกติ (ka=2πr/λ0)
2. เสาอากาศคอนจูเกตเรกติไฟเออร์
ค่าอิมพีแดนซ์อินพุตทั่วไปของไดโอดมีค่าความจุสูง ดังนั้นจึงต้องใช้เสาอากาศเหนี่ยวนำเพื่อให้ได้ค่าอิมพีแดนซ์คอนจูเกต เนื่องจากค่าอิมพีแดนซ์ของชิปมีค่าความจุสูง เสาอากาศเหนี่ยวนำที่มีค่าอิมพีแดนซ์สูงจึงถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในแท็ก RFID เสาอากาศไดโพลได้กลายมาเป็นกระแสในเสาอากาศ RFID ที่มีค่าอิมพีแดนซ์ที่ซับซ้อนในช่วงไม่นานมานี้ โดยมีค่าอิมพีแดนซ์สูง (ความต้านทานและรีแอคแทนซ์) ใกล้กับความถี่เรโซแนนซ์
เสาอากาศไดโพลเหนี่ยวนำถูกนำมาใช้เพื่อให้ตรงกับความจุสูงของเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าในย่านความถี่ที่ต้องการ ในเสาอากาศไดโพลแบบพับ สายสั้นคู่ (ไดโพลแบบพับ) ทำหน้าที่เป็นหม้อแปลงอิมพีแดนซ์ ซึ่งช่วยให้สามารถออกแบบเสาอากาศที่มีอิมพีแดนซ์สูงมากได้ นอกจากนี้ การป้อนไบอัสยังทำหน้าที่เพิ่มรีแอคแตนซ์เหนี่ยวนำและอิมพีแดนซ์จริงอีกด้วย การรวมองค์ประกอบไดโพลแบบไบอัสหลายองค์ประกอบเข้ากับโครงยึดแบบโบว์ไทที่ไม่สมดุลจะสร้างเสาอากาศแบบแบนด์วิดท์คู่ที่มีอิมพีแดนซ์สูง รูปที่ 4 แสดงเสาอากาศคอนจูเกตของเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าบางส่วนที่รายงาน
รูปที่ 4
ลักษณะการแผ่รังสีใน RFEH และ WPT
ในแบบจำลอง Friis กำลัง PRX ที่รับโดยเสาอากาศที่ระยะทาง d จากเครื่องส่งสัญญาณจะเป็นฟังก์ชันโดยตรงของค่าเกนของตัวรับและเครื่องส่งสัญญาณ (GRX, GTX)
ทิศทางและโพลาไรเซชันของกลีบหลักของเสาอากาศส่งผลโดยตรงต่อปริมาณพลังงานที่รวบรวมได้จากคลื่นตกกระทบ ลักษณะการแผ่รังสีของเสาอากาศเป็นพารามิเตอร์หลักที่แยกความแตกต่างระหว่าง RFEH โดยรอบและ WPT (รูปที่ 5) แม้ว่าในทั้งสองแอปพลิเคชัน ตัวกลางการแพร่กระจายอาจไม่เป็นที่รู้จักและจำเป็นต้องพิจารณาถึงผลกระทบที่มีต่อคลื่นที่รับได้ แต่ความรู้เกี่ยวกับเสาอากาศส่งสัญญาณสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ ตารางที่ 3 ระบุพารามิเตอร์หลักที่กล่าวถึงในหัวข้อนี้และการนำไปใช้กับ RFEH และ WPT
รูปที่ 5
1. การกำหนดทิศทางและอัตราขยาย
ในแอปพลิเคชัน RFEH และ WPT ส่วนใหญ่ จะถือว่าตัวรวบรวมไม่ทราบทิศทางของรังสีตกกระทบ และไม่มีเส้นทางสายตา (LoS) ในงานนี้ มีการศึกษาการออกแบบและการวางเสาอากาศหลายแบบเพื่อเพิ่มพลังงานที่ได้รับจากแหล่งที่ไม่รู้จักให้สูงสุด โดยไม่ขึ้นอยู่กับการจัดตำแหน่งของกลีบหลักระหว่างเครื่องส่งและเครื่องรับ
เสาอากาศรอบทิศทางถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในเสาอากาศ RFEH ด้านสิ่งแวดล้อม ในเอกสารอ้างอิง PSD จะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับทิศทางของเสาอากาศ อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงของพลังงานยังไม่ได้รับการอธิบาย ดังนั้นจึงไม่สามารถระบุได้ว่าการเปลี่ยนแปลงนั้นเกิดจากรูปแบบการแผ่รังสีของเสาอากาศหรือเกิดจากความไม่ตรงกันของโพลาไรเซชัน
นอกเหนือจากการใช้งาน RFEH แล้ว ยังมีรายงานการใช้เสาอากาศและอาร์เรย์ทิศทางที่มีอัตราขยายสูงอย่างแพร่หลายสำหรับ WPT ไมโครเวฟเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการรวบรวมความหนาแน่นของพลังงาน RF ต่ำหรือเอาชนะการสูญเสียการแพร่กระจาย อาร์เรย์เรกเทนนา Yagi-Uda อาร์เรย์โบว์ไท อาร์เรย์เกลียว อาร์เรย์ Vivaldi ที่เชื่อมต่อกันอย่างแน่นหนา อาร์เรย์ CPW CP และอาร์เรย์แพทช์ เป็นส่วนหนึ่งของการใช้งานเรกเทนนาที่ปรับขนาดได้ซึ่งสามารถเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานตกกระทบให้สูงสุดภายใต้พื้นที่ที่กำหนด แนวทางอื่นๆ ในการปรับปรุงอัตราขยายของเสาอากาศ ได้แก่ เทคโนโลยีท่อนำคลื่นแบบรวมพื้นผิว (SIW) ในแถบไมโครเวฟและคลื่นมิลลิเมตร ซึ่งเฉพาะสำหรับ WPT อย่างไรก็ตาม เรกเทนนาที่มีอัตราขยายสูงมีลักษณะเฉพาะคือความกว้างของลำแสงที่แคบ ทำให้การรับคลื่นในทิศทางใดก็ได้ไม่มีประสิทธิภาพ การตรวจสอบจำนวนองค์ประกอบและพอร์ตของเสาอากาศสรุปได้ว่าทิศทางที่สูงขึ้นไม่สอดคล้องกับพลังงานที่เก็บเกี่ยวได้มากขึ้นใน RFEH โดยรอบโดยสันนิษฐานถึงเหตุการณ์ตกกระทบแบบสามมิติ ซึ่งได้รับการยืนยันโดยการวัดภาคสนามในสภาพแวดล้อมในเมือง อาร์เรย์อัตราขยายสูงสามารถจำกัดได้เฉพาะแอปพลิเคชัน WPT
เพื่อถ่ายโอนประโยชน์ของเสาอากาศรับสัญญาณสูงไปยัง RFEH ที่กำหนดเอง โซลูชันด้านบรรจุภัณฑ์หรือเค้าโครงจะถูกใช้เพื่อเอาชนะปัญหาการกำหนดทิศทาง มีการเสนอให้ใช้แถบรัดเสาอากาศแบบแพทช์คู่เพื่อเก็บเกี่ยวพลังงานจาก RFEH Wi-Fi โดยรอบในสองทิศทาง เสาอากาศ RFEH เซลลูลาร์โดยรอบยังได้รับการออกแบบเป็นกล่อง 3 มิติและพิมพ์หรือยึดติดกับพื้นผิวภายนอกเพื่อลดพื้นที่ระบบและเปิดใช้งานการเก็บเกี่ยวหลายทิศทาง โครงสร้างเรกเทนนาลูกบาศก์แสดงให้เห็นถึงความน่าจะเป็นในการรับพลังงานที่สูงขึ้นใน RFEH โดยรอบ
มีการปรับปรุงการออกแบบเสาอากาศเพื่อเพิ่มความกว้างของลำแสง รวมถึงองค์ประกอบแพตช์ปรสิตเสริม เพื่อปรับปรุง WPT ที่ 2.4 GHz, 4 × 1 arrays นอกจากนี้ ยังมีการเสนอเสาอากาศแบบตาข่าย 6 GHz ที่มีบริเวณลำแสงหลายส่วน ซึ่งแสดงให้เห็นลำแสงหลายลำต่อพอร์ต มีการเสนอเรกเทนนาพื้นผิวแบบหลายพอร์ต หลายเรกติไฟเออร์ และเสาอากาศเก็บเกี่ยวพลังงานที่มีรูปแบบการแผ่รังสีรอบทิศทางสำหรับ RFEH แบบหลายทิศทางและหลายโพลาไรซ์ มีการเสนอเรกติไฟเออร์แบบหลายเรกติไฟเออร์พร้อมเมทริกซ์การสร้างลำแสงและเสาอากาศอาร์เรย์หลายพอร์ตสำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงานแบบหลายทิศทางที่มีอัตราขยายสูง
โดยสรุป แม้ว่าจะนิยมใช้เสาอากาศอัตราขยายสูงเพื่อปรับปรุงพลังงานที่เก็บเกี่ยวได้จากความหนาแน่น RF ต่ำ แต่เครื่องรับที่มีทิศทางสูงอาจไม่เหมาะสำหรับการใช้งานที่ไม่ทราบทิศทางของเครื่องส่งสัญญาณ (เช่น RFEH หรือ WPT โดยรอบผ่านช่องสัญญาณการแพร่กระจายที่ไม่ทราบ) ในงานนี้ มีการเสนอแนวทางมัลติบีมหลายวิธีสำหรับ WPT และ RFEH ที่มีอัตราขยายสูงแบบหลายทิศทาง
2. โพลาไรเซชั่นของเสาอากาศ
โพลาไรเซชันของเสาอากาศอธิบายถึงการเคลื่อนที่ของเวกเตอร์สนามไฟฟ้าที่สัมพันธ์กับทิศทางการแพร่กระจายของเสาอากาศ ความไม่ตรงกันของโพลาไรเซชันอาจส่งผลให้การส่ง/รับระหว่างเสาอากาศลดลงแม้ว่าทิศทางของกลีบหลักจะตรงกันก็ตาม ตัวอย่างเช่น หากใช้เสาอากาศ LP แนวตั้งในการส่งและใช้เสาอากาศ LP แนวนอนในการรับสัญญาณ ก็จะไม่ได้รับพลังงาน ในส่วนนี้ จะมีการทบทวนวิธีการที่รายงานไว้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการรับสัญญาณไร้สายให้สูงสุดและหลีกเลี่ยงการสูญเสียจากความไม่ตรงกันของโพลาไรเซชัน สรุปสถาปัตยกรรมเรกเทนนาที่เสนอเกี่ยวกับโพลาไรเซชันจะแสดงไว้ในรูปที่ 6 และตัวอย่าง SoA จะแสดงไว้ในตารางที่ 4
รูปที่ 6
ในการสื่อสารแบบเซลลูลาร์ การจัดตำแหน่งโพลาไรเซชันเชิงเส้นระหว่างสถานีฐานและโทรศัพท์มือถือไม่น่าจะทำได้ ดังนั้นเสาอากาศของสถานีฐานจึงได้รับการออกแบบให้เป็นแบบโพลาไรเซชันคู่หรือหลายโพลาไรเซชันเพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียจากความไม่ตรงกันของโพลาไรเซชัน อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงของโพลาไรเซชันของคลื่น LP อันเนื่องมาจากผลกระทบของมัลติพาธยังคงเป็นปัญหาที่ยังไม่ได้รับการแก้ไข โดยอิงตามสมมติฐานของสถานีฐานมือถือแบบโพลาไรเซชันหลายโพลาไรเซชัน เสาอากาศเซลลูลาร์ RFEH จึงได้รับการออกแบบเป็นเสาอากาศ LP
โดยทั่วไปแล้ว เสาอากาศ CP จะใช้ใน WPT เนื่องจากค่อนข้างทนทานต่อความไม่ตรงกัน เสาอากาศ CP สามารถรับคลื่น CP ที่มีทิศทางการหมุนเดียวกัน (CP ซ้ายหรือขวา) นอกเหนือจากคลื่น LP ทั้งหมดโดยไม่สูญเสียพลังงาน ไม่ว่าในกรณีใด เสาอากาศ CP จะส่งสัญญาณและเสาอากาศ LP จะรับสัญญาณด้วยการสูญเสียพลังงาน 3 เดซิเบล (สูญเสียพลังงาน 50%) เสาอากาศ CP มีรายงานว่าเหมาะสำหรับย่านความถี่ 900 MHz และ 2.4 GHz และ 5.8 GHz ของอุตสาหกรรม วิทยาศาสตร์ และการแพทย์ รวมถึงคลื่นมิลลิเมตร ใน RFEH ของคลื่นที่มีโพลาไรซ์โดยพลการ ความหลากหลายของโพลาไรซ์ถือเป็นวิธีแก้ปัญหาการสูญเสียจากความไม่ตรงกันของโพลาไรซ์ที่อาจเกิดขึ้นได้
มีการเสนอว่าโพลาไรเซชันแบบเต็ม หรือที่เรียกว่าโพลาไรเซชันหลายโพลาไรเซชัน จะช่วยเอาชนะการสูญเสียความไม่ตรงกันของโพลาไรเซชันได้อย่างสมบูรณ์ ทำให้สามารถรวบรวมคลื่น CP และ LP ได้ โดยที่องค์ประกอบ LP โพลาไรเซชันสองขั้วสององค์ประกอบจะรับคลื่น LP และ CP ทั้งหมดได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อแสดงให้เห็นสิ่งนี้ แรงดันไฟฟ้าสุทธิในแนวตั้งและแนวนอน (VV และ VH) ยังคงที่ไม่ว่ามุมของโพลาไรเซชันจะเป็นเท่าใด:
สนามไฟฟ้าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า CP “E” ซึ่งพลังงานจะถูกเก็บรวบรวมสองครั้ง (ครั้งละหนึ่งหน่วย) จึงได้รับองค์ประกอบ CP อย่างสมบูรณ์และเอาชนะการสูญเสียความไม่ตรงกันของโพลาไรเซชัน 3 เดซิเบลได้:
ในที่สุด เมื่อใช้การรวม DC ก็สามารถรับสัญญาณคลื่นตกกระทบของโพลาไรเซชันตามอำเภอใจได้ รูปที่ 7 แสดงรูปทรงเรขาคณิตของเรกเทนนาโพลาไรเซชันเต็มที่ที่รายงานไว้
รูปที่ 7
โดยสรุป ในการใช้งาน WPT ที่มีแหล่งจ่ายไฟเฉพาะ CP เป็นที่นิยมมากกว่าเนื่องจากช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของ WPT โดยไม่คำนึงถึงมุมโพลาไรเซชันของเสาอากาศ ในทางกลับกัน ในการรับสัญญาณจากหลายแหล่ง โดยเฉพาะจากแหล่งแวดล้อม เสาอากาศที่มีโพลาไรซ์เต็มที่สามารถรับสัญญาณโดยรวมได้ดีขึ้นและพกพาได้สะดวกสูงสุด จำเป็นต้องมีสถาปัตยกรรมพอร์ตหลายพอร์ต/เรกติไฟเออร์หลายตัวเพื่อรวมพลังงานที่มีโพลาไรซ์เต็มที่ที่ RF หรือ DC
สรุป
เอกสารนี้ทบทวนความคืบหน้าล่าสุดในการออกแบบเสาอากาศสำหรับ RFEH และ WPT และเสนอการจำแนกประเภทมาตรฐานของการออกแบบเสาอากาศสำหรับ RFEH และ WPT ที่ไม่ได้รับการเสนอในเอกสารก่อนหน้านี้ ข้อกำหนดพื้นฐานสามประการของเสาอากาศสำหรับการบรรลุประสิทธิภาพ RF-to-DC สูงได้รับการระบุดังนี้:
1. แบนด์วิดท์อิมพีแดนซ์ของวงจรเรียงกระแสเสาอากาศสำหรับแบนด์ RFEH และ WPT ที่สนใจ
2. การจัดตำแหน่งกลีบหลักระหว่างเครื่องส่งและเครื่องรับใน WPT จากฟีดเฉพาะ
3. การจับคู่โพลาไรเซชันระหว่างเรกเทนนาและคลื่นตกกระทบโดยไม่คำนึงถึงมุมและตำแหน่ง
เรกเทนนาจะถูกจำแนกตามค่าอิมพีแดนซ์เป็นเรกเทนนา 50Ω และเรกเทนนาคอนจูเกตของตัวปรับกระแสไฟฟ้า โดยเน้นที่การจับคู่ค่าอิมพีแดนซ์ระหว่างแบนด์และโหลดที่แตกต่างกัน และประสิทธิภาพของวิธีการจับคู่แต่ละวิธี
ลักษณะการแผ่รังสีของเรกเทนนา SoA ได้รับการทบทวนจากมุมมองของการกำหนดทิศทางและโพลาไรเซชัน มีการหารือถึงวิธีการปรับปรุงอัตราขยายโดยการสร้างลำแสงและการบรรจุหีบห่อเพื่อเอาชนะความกว้างลำแสงที่แคบ ในที่สุด เรกเทนนา CP สำหรับ WPT ได้รับการทบทวนพร้อมกับการใช้งานต่างๆ เพื่อให้ได้การรับสัญญาณอิสระจากโพลาไรเซชันสำหรับ WPT และ RFEH
หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเสาอากาศ โปรดไปที่:
เวลาโพสต์ : 16 ส.ค. 2567
