Co-design de antena-retificador
A característica das retenas que seguem a topologia EG na Figura 2 é que a antena é diretamente conectada ao retificador, em vez do padrão de 50 Ω, o que requer a minimização ou eliminação do circuito de acoplamento para alimentar o retificador. Esta seção analisa as vantagens das retenas SoA com antenas que não sejam de 50 Ω e das retenas sem redes de acoplamento.
1. Antenas eletricamente pequenas
Antenas ressonantes de anel 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 elemento distribuído padrão ocupem mais espaço do que o tamanho total 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 casamento capacitivo 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, uma antena indutiva é necessária para atingir a impedância conjugada. Devido à impedância capacitiva do chip, antenas indutivas de alta impedância têm sido amplamente utilizadas em etiquetas RFID. 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 dupla curta (dobramento dipolo) atua como um transformador de impedância, permitindo o projeto de uma antena de impedância extremamente alta. Alternativamente, a alimentação de polarização é responsável por aumentar a reatância indutiva, bem como a impedância real. A combinação de múltiplos elementos dipolo polarizados com stubs radiais desbalanceados do tipo bow-tie 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 uma função direta dos ganhos do receptor e do transmissor (GRX, GTX).
A diretividade e a polarização do lóbulo principal da antena impactam diretamente a quantidade de potência 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 seu efeito na onda recebida precise ser considerado, o conhecimento da antena transmissora pode ser explorado. A Tabela 3 identifica os principais parâmetros discutidos nesta seção e sua aplicabilidade a RFEH e WPT.
Figura 5
1. Diretividade e Ganho
Na maioria das aplicações de RFEH e WPT, presume-se que o coletor não conhece a direção da radiação incidente e que não há caminho de linha de visada (LoS). Neste trabalho, múltiplos projetos e posicionamentos de antenas foram investigados para maximizar a potência recebida de uma fonte desconhecida, independentemente 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. No entanto, 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 direcionais de alto ganho e arranjos têm sido amplamente relatados para WPT de micro-ondas para melhorar a eficiência de coleta de baixa densidade de potência de RF ou superar perdas de propagação. Arranjos de retena Yagi-Uda, arranjos bowtie, arranjos espirais, arranjos Vivaldi fortemente acoplados, arranjos CPW CP e arranjos patch estão entre as implementações de retena escaláveis que podem maximizar a densidade de potência incidente sob uma determinada área. Outras abordagens para melhorar o ganho da antena incluem a tecnologia de guia de onda integrado ao substrato (SIW) em bandas de micro-ondas e ondas milimétricas, específica para WPT. No entanto, retenas de alto ganho são caracterizadas por larguras de feixe estreitas, tornando a recepção de ondas em direções arbitrárias ineficiente. Investigações sobre o número de elementos e portas de antena concluíram que maior diretividade não corresponde a maior potência coletada em RFEH ambiente assumindo incidência arbitrária tridimensional; isso foi verificado por medições de campo em ambientes urbanos. Arranjos de alto ganho podem ser limitados a aplicações WPT.
Para transferir os benefícios das antenas de alto ganho para RFEHs arbitrários, soluções de encapsulamento ou layout são utilizadas para superar o problema da diretividade. Uma pulseira de antena de patch duplo é proposta para coletar energia de RFEHs Wi-Fi ambientais em duas direções. Antenas RFEH celulares ambientais também são projetadas como caixas 3D e impressas ou coladas em superfícies externas para reduzir a área do sistema e permitir a coleta multidirecional. Estruturas retangulares cúbicas apresentam maior probabilidade de recepção de energia em RFEHs ambientais.
Melhorias no projeto da antena para aumentar a largura do feixe, incluindo elementos de patch parasitas auxiliares, foram implementadas para aprimorar o WPT em matrizes 4x1 de 2,4 GHz. Uma antena mesh de 6 GHz com múltiplas regiões de feixe também foi proposta, demonstrando múltiplos feixes por porta. Retennas de superfície multiportas e multirretificadoras e antenas de coleta de energia com padrões de radiação omnidirecionais foram propostas para RFEH multidirecional e multipolarizada. Multirretificadores com matrizes de formação de feixe e matrizes de antenas multiportas também foram propostos para coleta de energia multidirecional de alto ganho.
Em resumo, embora antenas de alto ganho sejam preferíveis para melhorar a potência obtida de baixas densidades de RF, receptores altamente direcionais podem não ser ideais em aplicações onde a direção do transmissor é desconhecida (por exemplo, RFEH ou WPT ambiente 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. Descasamentos de polarização podem levar à redução da transmissão/recepção entre as 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 para recepção, nenhuma potência será recebida. Nesta seção, são revisados métodos relatados para maximizar a eficiência da recepção sem fio e evitar perdas por descasamento de polarização. Um resumo da arquitetura de retena proposta em relação à polarização é apresentado na Figura 6 e um exemplo de SoA é apresentado na Tabela 4.
Figura 6
Em comunicações celulares, é improvável que o alinhamento de polarização linear entre estações rádio-base e telefones celulares seja alcançado, portanto, as antenas das estações rádio-base são projetadas para serem polarizadas duplamente ou multipolarizadas para evitar perdas por incompatibilidade de polarização. No entanto, a variação de polarização das ondas LP devido aos efeitos de multipercurso permanece um problema sem solução. Com base na premissa de estações rádio-base móveis multipolarizadas, as antenas RFEH celulares são projetadas como antenas LP.
Retennas CP são usadas principalmente em WPT por serem relativamente resistentes a incompatibilidades. As antenas CP são capazes de receber radiação CP com a mesma direção de rotação (CP para a esquerda ou para a direita), além de todas as ondas LP, sem perda de potência. Em qualquer caso, a antena CP transmite e a antena LP recebe com uma perda de 3 dB (perda de 50% de potência). As retennas CP são consideradas adequadas para as bandas industriais, científicas e médicas de 900 MHz e 2,4 GHz e 5,8 GHz, bem como para ondas milimétricas. Em RFEH de ondas arbitrariamente polarizadas, a diversidade de polarização representa uma solução potencial para perdas por incompatibilidade de polarização.
A polarização completa, também conhecida como multipolarização, foi proposta para superar completamente as perdas por incompatibilidade de polarização, permitindo a coleta de ondas CP e LP, onde dois elementos LP ortogonais de polarização dupla 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:
Onda eletromagnética CP “E” campo elétrico, onde a potência é coletada duas vezes (uma vez por unidade), recebendo assim totalmente o componente CP e superando a perda de incompatibilidade de polarização de 3 dB:
Finalmente, por meio da combinação de corrente contínua, ondas incidentes de polarização arbitrária podem ser recebidas. A Figura 7 mostra a geometria da retângulo totalmente polarizado relatado.
Figura 7
Em resumo, em aplicações WPT com fontes de alimentação dedicadas, a CP é preferível porque melhora a eficiência da WPT independentemente do ângulo de polarização da antena. Por outro lado, na aquisição de múltiplas fontes, especialmente de fontes ambientes, antenas totalmente polarizadas podem alcançar melhor recepção geral e máxima portabilidade; arquiteturas multiporta/multiretificador são necessárias para combinar potência totalmente polarizada em RF ou CC.
Resumo
Este artigo analisa os progressos recentes no projeto de antenas para RFEH e WPT e propõe uma classificação padrão para o projeto de antenas para RFEH e WPT, ainda não proposta na literatura anterior. Foram identificados três requisitos básicos para antenas que permitam alcançar alta eficiência de RF para CC:
1. Largura de banda de impedância do retificador de antena para as bandas RFEH e WPT de interesse;
2. Alinhamento do lóbulo principal entre o transmissor e o receptor no WPT a partir de um feed dedicado;
3. Correspondência de polarização entre a retângulo e a onda incidente, independentemente do ângulo e da posição.
Com base na impedância, as retificadoras são classificadas em retificadoras conjugadas de 50Ω e retificadoras, com foco na correspondência de impedância entre diferentes bandas e cargas e na eficiência de cada método de correspondência.
As características de radiação das retenas SoA foram revisadas sob a perspectiva de diretividade e polarização. Métodos para melhorar o ganho por formação de feixe e empacotamento para superar larguras de feixe estreitas são discutidos. Por fim, retenas CP para WPT são revisadas, juntamente com várias implementações para alcançar recepção independente de polarização para WPT e RFEH.
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Horário da publicação: 16/08/2024
