Co-design de antena-retificador
A característica das retenas que seguem a topologia EG na Figura 2 é que a antena é diretamente casada com o retificador, em vez do padrão 50Ω, que requer minimizar ou eliminar o circuito correspondente para alimentar o retificador. Esta seção analisa as vantagens das retenas SoA com antenas diferentes de 50Ω e retenas sem redes correspondentes.
1. Antenas eletricamente pequenas
Antenas de anel ressonante LC têm sido amplamente utilizadas em aplicações onde o tamanho do sistema é crítico. Em frequências abaixo de 1 GHz, o comprimento de onda pode fazer com que antenas de elementos distribuídos padrão ocupem mais espaço do que o tamanho geral do sistema, e aplicações como transceptores totalmente integrados para implantes corporais se beneficiam particularmente do uso de antenas eletricamente pequenas para WPT.
A alta impedância indutiva da pequena antena (próxima à ressonância) pode ser usada para acoplar diretamente o retificador ou com uma rede de correspondência capacitiva adicional no chip. Antenas eletricamente pequenas foram relatadas em WPT com LP e CP abaixo de 1 GHz usando antenas dipolo Huygens, com ka=0,645, enquanto ka=5,91 em dipolos normais (ka=2πr/λ0).
2. Antena conjugada retificadora
A impedância de entrada típica de um diodo é altamente capacitiva, portanto, é necessária uma antena indutiva para obter impedância conjugada. Devido à impedância capacitiva do chip, antenas indutivas de alta impedância têm sido amplamente utilizadas em etiquetas RFID. As antenas dipolo tornaram-se recentemente uma tendência em antenas RFID de impedância complexa, exibindo alta impedância (resistência e reatância) perto de sua frequência de ressonância.
Antenas dipolo indutivas têm sido utilizadas para corresponder à alta capacitância do retificador na banda de frequência de interesse. Em uma antena dipolo dobrada, a linha curta dupla (dobragem dipolo) atua como um transformador de impedância, permitindo o projeto de uma antena de impedância extremamente alta. Alternativamente, a alimentação polarizada é responsável por aumentar a reatância indutiva, bem como a impedância real. A combinação de vários elementos dipolo polarizados com stubs radiais de gravata borboleta desequilibrados forma uma antena dupla de banda larga de alta impedância. A Figura 4 mostra algumas antenas conjugadas retificadoras relatadas.
Figura 4
Características de radiação em RFEH e WPT
No modelo Friis, a potência PRX recebida por uma antena a uma distância d do transmissor é função direta dos ganhos do receptor e do transmissor (GRX, GTX).
A diretividade e polarização do lóbulo principal da antena impactam diretamente a quantidade de energia coletada da onda incidente. As características de radiação da antena são parâmetros-chave que diferenciam entre RFEH ambiente e WPT (Figura 5). Embora em ambas as aplicações o meio de propagação possa ser desconhecido e o seu efeito na onda recebida deva ser considerado, o conhecimento da antena transmissora pode ser explorado. A Tabela 3 identifica os principais parâmetros discutidos nesta seção e sua aplicabilidade ao RFEH e ao WPT.
Figura 5
1. Diretividade e ganho
Na maioria das aplicações RFEH e WPT, assume-se que o coletor não conhece a direção da radiação incidente e não existe um caminho de linha de visão (LoS). Neste trabalho, vários projetos e posicionamentos de antenas foram investigados para maximizar a potência recebida de uma fonte desconhecida, independente do alinhamento do lóbulo principal entre o transmissor e o receptor.
Antenas omnidirecionais têm sido amplamente utilizadas em retenas RFEH ambientais. Na literatura, o PSD varia dependendo da orientação da antena. Porém, a variação na potência não foi explicada, portanto não é possível determinar se a variação se deve ao padrão de radiação da antena ou à incompatibilidade de polarização.
Além das aplicações RFEH, antenas e arranjos direcionais de alto ganho têm sido amplamente relatados para WPT de microondas para melhorar a eficiência de coleta de baixa densidade de potência de RF ou superar perdas de propagação. Matrizes de retena Yagi-Uda, matrizes bowtie, matrizes espirais, matrizes Vivaldi fortemente acopladas, matrizes CPW CP e matrizes de patch estão entre as implementações de retena escalonáveis que podem maximizar a densidade de potência incidente em uma determinada área. Outras abordagens para melhorar o ganho da antena incluem a tecnologia de guia de ondas integrado ao substrato (SIW) em bandas de ondas de microondas e milimétricas, específicas para WPT. No entanto, rectennas de alto ganho são caracterizadas por larguras de feixe estreitas, tornando ineficiente a recepção de ondas em direções arbitrárias. Investigações sobre o número de elementos de antena e portas concluíram que maior diretividade não corresponde a maior potência colhida em RFEH ambiente, assumindo incidência arbitrária tridimensional; isso foi verificado por medições de campo em ambientes urbanos. Arrays de alto ganho podem ser limitados a aplicações WPT.
Para transferir os benefícios das antenas de alto ganho para RFEHs arbitrários, soluções de empacotamento ou layout são utilizadas para superar o problema de diretividade. Uma pulseira de antena de patch duplo é proposta para coletar energia de RFEHs Wi-Fi ambientais em duas direções. As antenas RFEH celulares ambientais também são projetadas como caixas 3D e impressas ou aderidas a superfícies externas para reduzir a área do sistema e permitir a colheita multidirecional. Estruturas de retena cúbica exibem maior probabilidade de recepção de energia em RFEHs ambientais.
Melhorias no design da antena para aumentar a largura do feixe, incluindo elementos de patch parasitas auxiliares, foram feitas para melhorar o WPT em matrizes 4 × 1 de 2,4 GHz. Uma antena mesh de 6 GHz com múltiplas regiões de feixe também foi proposta, demonstrando múltiplos feixes por porta. Retenas de superfície multiportas e multi-retificadoras e antenas de coleta de energia com padrões de radiação omnidirecionais foram propostas para RFEH multidirecional e multipolarizado. Multi-retificadores com matrizes de formação de feixe e conjuntos de antenas multiportas também foram propostos para coleta de energia multidirecional e de alto ganho.
Em resumo, embora antenas de alto ganho sejam preferidas para melhorar a potência colhida de baixas densidades de RF, receptores altamente direcionais podem não ser ideais em aplicações onde a direção do transmissor é desconhecida (por exemplo, RFEH ambiente ou WPT através de canais de propagação desconhecidos). Neste trabalho, múltiplas abordagens multifeixe são propostas para WPT e RFEH multidirecionais de alto ganho.
2. Polarização da Antena
A polarização da antena descreve o movimento do vetor do campo elétrico em relação à direção de propagação da antena. As incompatibilidades de polarização podem levar à redução da transmissão/recepção entre antenas, mesmo quando as direções dos lóbulos principais estão alinhadas. Por exemplo, se uma antena LP vertical for usada para transmissão e uma antena LP horizontal for usada para recepção, nenhuma energia será recebida. Nesta seção, são revisados os métodos relatados para maximizar a eficiência da recepção sem fio e evitar perdas por incompatibilidade de polarização. Um resumo da arquitetura rectena proposta em relação à polarização é dado na Figura 6 e um exemplo de SoA é dado na Tabela 4.
Figura 6
Nas comunicações celulares, é improvável que o alinhamento de polarização linear entre as estações base e os telefones celulares seja alcançado, portanto, as antenas das estações base são projetadas para serem duplamente polarizadas ou multipolarizadas para evitar perdas de incompatibilidade de polarização. No entanto, a variação da polarização das ondas LP devido aos efeitos de multipercurso permanece um problema não resolvido. Com base na suposição de estações base móveis multipolarizadas, as antenas RFEH celulares são projetadas como antenas LP.
As rectennas CP são usadas principalmente no WPT porque são relativamente resistentes à incompatibilidade. As antenas CP são capazes de receber radiação CP com o mesmo sentido de rotação (CP canhoto ou destro) além de todas as ondas LP sem perda de potência. Em qualquer caso, a antena CP transmite e a antena LP recebe com perda de 3 dB (50% de perda de potência). As rectennas CP são consideradas adequadas para bandas industriais, científicas e médicas de 900 MHz e 2,4 GHz e 5,8 GHz, bem como ondas milimétricas. No RFEH de ondas polarizadas arbitrariamente, a diversidade de polarização representa uma solução potencial para perdas de incompatibilidade de polarização.
A polarização total, também conhecida como multipolarização, foi proposta para superar completamente as perdas de incompatibilidade de polarização, permitindo a coleta de ondas CP e LP, onde dois elementos LP ortogonais duplamente polarizados recebem efetivamente todas as ondas LP e CP. Para ilustrar isso, as tensões líquidas verticais e horizontais (VV e VH) permanecem constantes independentemente do ângulo de polarização:
Campo elétrico de onda eletromagnética “E” do CP, onde a energia é coletada duas vezes (uma por unidade), recebendo assim totalmente o componente CP e superando a perda de incompatibilidade de polarização de 3 dB:
Finalmente, através da combinação DC, ondas incidentes de polarização arbitrária podem ser recebidas. A Figura 7 mostra a geometria da retena totalmente polarizada relatada.
Figura 7
Em resumo, em aplicações WPT com fontes de alimentação dedicadas, o CP é preferido porque melhora a eficiência do WPT independentemente do ângulo de polarização da antena. Por outro lado, na aquisição multifonte, especialmente de fontes ambientais, antenas totalmente polarizadas podem alcançar melhor recepção geral e máxima portabilidade; arquiteturas multiportas/multirretificadoras são necessárias para combinar energia totalmente polarizada em RF ou CC.
Resumo
Este artigo analisa o progresso recente no projeto de antenas para RFEH e WPT e propõe uma classificação padrão de projeto de antenas para RFEH e WPT que não foi proposta na literatura anterior. Três requisitos básicos de antena para alcançar alta eficiência de RF para DC foram identificados como:
1. Largura de banda da impedância do retificador da antena para as faixas de interesse RFEH e WPT;
2. Alinhamento do lóbulo principal entre transmissor e receptor no WPT a partir de uma alimentação dedicada;
3. Correspondência de polarização entre a retena e a onda incidente, independentemente do ângulo e da posição.
Com base na impedância, as retenas são classificadas em 50Ω e retificadoras conjugadas, com foco no casamento de impedância entre diferentes bandas e cargas e na eficiência de cada método de casamento.
As características de radiação das retenas SoA foram revisadas do ponto de vista da diretividade e polarização. São discutidos métodos para melhorar o ganho por formação de feixe e empacotamento para superar a largura de feixe estreita. Finalmente, as retenas CP para WPT são revisadas, juntamente com várias implementações para obter recepção independente de polarização para WPT e RFEH.
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Horário da postagem: 16 de agosto de 2024
