Projeto conjunto de antena e retificador
A característica das rectennas que seguem a topologia EG da Figura 2 é que a antena é diretamente casada com o retificador, em vez do padrão de 50 Ω, que exige a minimização ou eliminação do circuito de casamento de impedância para alimentar o retificador. Esta seção analisa as vantagens das rectennas SoA com antenas que não sejam de 50 Ω e das rectennas sem redes de casamento de impedância.
1. Antenas eletricamente pequenas
As 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 as antenas de elementos distribuídos 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 (transferência de energia sem fio).
A alta impedância indutiva da pequena antena (próxima à ressonância) pode ser usada para acoplar diretamente o retificador ou com uma rede capacitiva de adaptação integrada. Antenas eletricamente pequenas foram relatadas em WPT com LP e CP abaixo de 1 GHz usando antenas dipolo de 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 obter 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) próxima à sua frequência de ressonância.
Antenas dipolo indutivas têm sido utilizadas para adaptar a alta capacitância do retificador na faixa de frequência de interesse. Em uma antena dipolo dobrada, a linha curta dupla (dobramento do dipolo) atua como um transformador de impedância, permitindo o projeto de uma antena de impedância extremamente alta. Alternativamente, a alimentação por polarização é responsável por aumentar tanto a reatância indutiva quanto a impedância real. A combinação de múltiplos elementos dipolo polarizados com ressonadores radiais bow-tie desbalanceados forma uma antena de alta impedância de banda larga dupla. A Figura 4 mostra algumas antenas conjugadas de retificador relatadas na literatura.
Figura 4
Características da radiação em RFEH e WPT
No modelo de 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 energia coletada da onda incidente. As características de radiação da antena são parâmetros-chave que diferenciam a coleta de energia por radiofrequência (RFEH) em ambiente ambiente da transferência de energia sem fio (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 à RFEH e à WPT.
Figura 5
1. Diretividade e Ganho
Na maioria das aplicações de RFEH e WPT, assume-se que o coletor desconhece a direção da radiação incidente e que não existe um caminho de visada direta (LoS). Neste trabalho, foram investigados diversos projetos e posicionamentos de antenas 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 retificadores de RFEH (radiofrequência e calorimetria de bombeamento) ambientais. Na literatura, a densidade espectral de potência (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 em coleta de energia de radiofrequência (RFEH), antenas e arranjos direcionais de alto ganho têm sido amplamente relatados para transferência de energia sem fio (WPT) em micro-ondas, visando melhorar a eficiência de coleta de baixa densidade de potência de radiofrequência ou superar perdas de propagação. Arranjos de rectennas Yagi-Uda, arranjos bowtie, arranjos espirais, arranjos Vivaldi acoplados, arranjos CPW CP e arranjos de patch estão entre as implementações escaláveis de rectennas 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 onda integrado ao substrato (SIW) nas bandas de micro-ondas e ondas milimétricas, específica para WPT. No entanto, rectennas de alto ganho são caracterizadas por feixes estreitos, tornando a recepção de ondas em direções arbitrárias ineficiente. Investigações sobre o número de elementos e portas da antena concluíram que maior diretividade não corresponde a maior potência coletada em RFEH ambiental, assumindo incidência arbitrária tridimensional; isso foi verificado por medições de campo em ambientes urbanos. Arranjos de alto ganho podem ser limitados a aplicações de WPT.
Para transferir os benefícios de antenas de alto ganho para RFEHs (dispositivos de coleta de energia de radiofrequência) arbitrários, soluções de encapsulamento ou layout são utilizadas para superar o problema de diretividade. Uma pulseira com antena de duplo patch é proposta para coletar energia de RFEHs Wi-Fi ambientais em duas direções. Antenas de RFEH celular ambientais também são projetadas como caixas 3D e impressas ou aderidas a superfícies externas para reduzir a área do sistema e permitir a coleta multidirecional. Estruturas de retificadoras cúbicas exibem 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 a transferência de energia sem fio (WPT) em arranjos 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. Retificadores de superfície multiportas e multi-retificadores, bem como antenas de coleta de energia com padrões de radiação omnidirecionais, foram propostos para coleta de energia por ressonância de radiofrequência (RFEH) multidirecional e multipolarizada. Multi-retificadores com matrizes de formação de feixe e arranjos 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 coletada de baixas densidades de RF, receptores altamente direcionais podem não ser ideais em aplicações onde a direção do transmissor é desconhecida (por exemplo, coleta de energia de radiofrequência ambiente ou transferência de energia sem fio através de canais de propagação desconhecidos). Neste trabalho, são propostas múltiplas abordagens de múltiplos feixes para transferência de energia sem fio e coleta de energia de radiofrequência 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. Desajustes 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 potência será recebida. Nesta seção, são revisados os métodos relatados para maximizar a eficiência da recepção sem fio e evitar perdas por desajuste de polarização. Um resumo da arquitetura de rectenna 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, o alinhamento de polarização linear entre estações base e telefones celulares é improvável, portanto, as antenas das estações base são projetadas para serem de dupla ou multipolarização a fim de evitar perdas por incompatibilidade de polarização. No entanto, a variação de polarização das ondas LP devido a efeitos de multicaminho permanece um problema não resolvido. Com base na premissa de estações base móveis multipolarizadas, as antenas RFEH celulares são projetadas como antenas LP.
As antenas retificadoras de polarização circular (CP) são usadas principalmente em transferência de energia sem fio (WPT) devido à sua relativa resistência a desajustes de polarização. Elas são capazes de receber radiação CP com a mesma direção de rotação (CP dextrógira ou levógira), além de todas as ondas lineares (LP), sem perda de potência. Em qualquer caso, a antena CP transmite e a antena LP recebe com uma perda de 3 dB (50% de perda de potência). As antenas retificadoras de CP são consideradas adequadas para as bandas industriais, científicas e médicas de 900 MHz, 2,4 GHz e 5,8 GHz, bem como para ondas milimétricas. Na coleta de energia por ressonância de campo (RFEH) de ondas polarizadas arbitrariamente, a diversidade de polarização representa uma solução potencial para as perdas por desajuste 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 dupla polarização recebem efetivamente todas as ondas LP e CP. Para ilustrar isso, as tensões líquidas vertical e horizontal (VV e VH) permanecem constantes independentemente do ângulo de polarização:
A onda eletromagnética CP, campo elétrico “E”, onde a energia é coletada duas vezes (uma vez por unidade), recebendo assim totalmente o componente CP e superando a perda de 3 dB por incompatibilidade de polarização:
Finalmente, por meio da combinação CC, é possível receber ondas incidentes de polarização arbitrária. A Figura 7 mostra a geometria da rectenna totalmente polarizada relatada.
Figura 7
Em resumo, em aplicações de transferência de energia sem fio (WPT) com fontes de alimentação dedicadas, a polarização circular (CP) é preferida porque melhora a eficiência da WPT independentemente do ângulo de polarização da antena. Por outro lado, na aquisição de múltiplas fontes, especialmente de fontes ambientais, antenas totalmente polarizadas podem alcançar melhor recepção geral e máxima portabilidade; arquiteturas multiportas/multiretificadores são necessárias para combinar a potência totalmente polarizada em RF ou CC.
Resumo
Este artigo revisa os avanços recentes no projeto de antenas para RFEH e WPT e propõe uma classificação padrão para o projeto de antenas para RFEH e WPT que não foi proposta na literatura anterior. Três requisitos básicos para antenas, visando alcançar alta eficiência de conversão de RF para CC, foram identificados como:
1. Largura de banda da impedância do retificador de antena para as bandas RFEH e WPT de interesse;
2. Alinhamento do lóbulo principal entre o transmissor e o receptor na WPT a partir de uma alimentação dedicada;
3. Correspondência de polarização entre a rectenna e a onda incidente, independentemente do ângulo e da posição.
Com base na impedância, as rectennas são classificadas em rectennas de 50Ω e rectennas conjugadas de retificador, com foco na adaptação de impedância entre diferentes bandas e cargas e na eficiência de cada método de adaptação.
As características de radiação das retificadoras SoA foram analisadas sob a perspectiva da diretividade e da polarização. Métodos para melhorar o ganho por meio de formação de feixe e encapsulamento para superar a estreita largura do feixe são discutidos. Finalmente, retificadoras CP para WPT são analisadas, juntamente com várias implementações para alcançar recepção independente de polarização para WPT e RFEH.
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Data da publicação: 16 de agosto de 2024
