Antenos ir lygintuvo bendras projektavimas
2 paveiksle pavaizduotos EG topologijos tiesiosios antenos būdinga tai, kad ji yra tiesiogiai suderinta su lygintuvu, o ne su 50Ω standartu, kuris reikalauja sumažinti arba visiškai pašalinti derinimo grandinę, skirtą lygintuvo maitinimui. Šiame skyriuje apžvelgiami SoA tiesiosios antenos su ne 50Ω antenomis ir tiesiosios antenos be derinimo tinklų privalumai.
1. Elektriniu požiūriu mažos antenos
LC rezonansinės žiedinės antenos buvo plačiai naudojamos tais atvejais, kai sistemos dydis yra labai svarbus. Esant dažniams, mažesniems nei 1 GHz, dėl bangos ilgio standartinės paskirstyto elemento antenos gali užimti daugiau vietos nei bendras sistemos dydis, o tokiose srityse kaip visiškai integruoti siųstuvai-imtuvai kūno implantams ypač naudinga naudoti elektra mažas antenas belaidžio ryšio sistemai (WPT).
Dėl mažos antenos didelės indukcinės varžos (artimos rezonanso) galima tiesiogiai sujungti lygintuvą arba su papildomu mikroschemos talpiniu suderinimo tinklu. Buvo pranešta apie mažas elektriškai valdomas antenas, kurių LP ir CP dažnis mažesnis nei 1 GHz, naudojant Huygenso dipolines antenas, kurių ka = 0,645, o ka = 5,91 normaliuose dipoliuose (ka = 2πr/λ0).
2. Lygintuvo konjuguota antena
Įprasta diodo įėjimo varža yra labai talpinė, todėl norint pasiekti konjuguotąją varžą, reikalinga indukcinė antena. Dėl mikroschemos talpinės varžos didelės varžos indukcinės antenos buvo plačiai naudojamos RFID žymėse. Dipolinės antenos pastaruoju metu tapo tendencija kompleksinės varžos RFID antenose, pasižyminčios didele varža (varža ir reaktyvumu) netoli savo rezonansinio dažnio.
Siekiant suderinti didelę lygintuvo talpą dominančioje dažnių juostoje, buvo naudojamos indukcinės dipolinės antenos. Sulankstytoje dipolinėje antenoje dviguba trumpoji linija (dipolinis sulankstymas) veikia kaip impedanso transformatorius, leidžiantis suprojektuoti itin didelės varžos anteną. Arba poslinkio maitinimas padidina indukcinį reaktyvumą ir faktinę varžą. Sujungus kelis poslinkio dipolinius elementus su nesubalansuotais radialiniais laidininkais, sudaroma dviguba plačiajuostė didelės varžos antena. 4 paveiksle parodytos kai kurios aprašytos lygintuvo konjuguotos antenos.
4 pav.
RFEH ir WPT spinduliuotės charakteristikos
Friiso modelyje antenos, esančios atstumu d nuo siųstuvo, priimama galia PRX yra tiesioginė imtuvo ir siųstuvo stiprinimo koeficientų (GRX, GTX) funkcija.
Antenos pagrindinės skilties kryptingumas ir poliarizacija tiesiogiai veikia iš krintančios bangos surenkamos galios kiekį. Antenos spinduliuotės charakteristikos yra pagrindiniai parametrai, skiriantys aplinkos RFEH ir WPT (5 pav.). Nors abiejuose taikymuose sklidimo terpė gali būti nežinoma ir reikia atsižvelgti į jos poveikį priimamai bangai, galima pasinaudoti siunčiančios antenos žiniomis. 3 lentelėje pateikiami pagrindiniai šiame skyriuje aptarti parametrai ir jų taikymas RFEH ir WPT.
5 pav.
1. Kryptingumas ir stiprinimas
Daugumoje RFEH ir WPT taikymų daroma prielaida, kad kolektorius nežino krintančios spinduliuotės krypties ir nėra tiesioginio matomumo kelio. Šiame darbe buvo ištirti keli antenų dizainai ir išdėstymai, siekiant maksimaliai padidinti gaunamą galią iš nežinomo šaltinio, nepriklausomai nuo pagrindinės skilties išdėstymo tarp siųstuvo ir imtuvo.
Aplinkosaugos RFEH tiesiosiose antenose plačiai naudojamos įvairiakryptės antenos. Literatūroje teigiama, kad galios kitimas (PSD) kinta priklausomai nuo antenos orientacijos. Tačiau galios kitimas nebuvo paaiškintas, todėl neįmanoma nustatyti, ar šis kitimas atsiranda dėl antenos spinduliuotės modelio, ar dėl poliarizacijos neatitikimo.
Be RFEH taikymų, plačiai aprašytos didelio stiprinimo kryptinės antenos ir gardelės, skirtos mikrobangų bangų transliacijai (WPT), siekiant pagerinti mažo RF galios tankio surinkimo efektyvumą arba įveikti sklidimo nuostolius. Yagi-Uda tiesiosios bangos gardelės, peteliškės formos gardelės, spiralinės gardelės, glaudžiai sujungtos Vivaldi gardelės, CPW CP gardelės ir pataisų gardelės yra vienos iš keičiamo mastelio tiesiosios bangos įgyvendinimų, kurios gali maksimaliai padidinti krintančios galios tankį tam tikroje srityje. Kiti antenos stiprinimo gerinimo būdai apima substrato integruoto bangolaidžio (SIW) technologiją mikrobangų ir milimetrinių bangų juostose, būdingą WPT. Tačiau didelio stiprinimo tiesiosioms bangoms būdingas siauras spindulių plotis, todėl bangų priėmimas savavališkomis kryptimis yra neefektyvus. Tyrimai, susiję su antenos elementų ir prievadų skaičiumi, padarė išvadą, kad didesnis kryptingumas neatitinka didesnės surinktos galios aplinkos RFEH, darant prielaidą, kad bangų kritimas yra trimatis savavališkas; tai buvo patvirtinta lauko matavimais miesto aplinkoje. Didelio stiprinimo gardelės gali būti naudojamos tik WPT.
Siekiant perkelti didelio stiprinimo antenų privalumus į bet kokius RFEH, naudojami pakavimo arba išdėstymo sprendimai, siekiant išspręsti kryptingumo problemą. Siūloma naudoti dviejų pleistrų antenos apyrankę, skirtą energijai iš aplinkos „Wi-Fi“ RFEH rinkti dviem kryptimis. Aplinkos korinio ryšio RFEH antenos taip pat suprojektuotos kaip 3D dėžutės ir atspausdintos arba priklijuojamos prie išorinių paviršių, siekiant sumažinti sistemos plotą ir įgalinti daugiakryptį energijos rinkimą. Kubinės tiesiosios ašies struktūros pasižymi didesne energijos priėmimo tikimybe aplinkos RFEH.
Siekiant pagerinti WPT esant 2,4 GHz, 4 × 1 gardelėms, buvo patobulinta antenos konstrukcija, siekiant padidinti spindulio plotį, įskaitant pagalbinius parazitinius pleistro elementus. Taip pat buvo pasiūlyta 6 GHz tinklinė antena su keliais spindulių regionais, demonstruojanti kelis spindulius viename prievade. Daugiakryptei ir daugiapoliarizuotai RFEH buvo pasiūlytos daugiaprievadės, daugialypės paviršiaus lygintuvų antenos ir energiją kaupiančios antenos su visakrypčiais spinduliuotės modeliais. Taip pat buvo pasiūlyti daugialypiai lygintuvai su spindulio formavimo matricomis ir daugialypės antenų gardelės didelio stiprinimo, daugiakrypčiam energijos kaupimui.
Apibendrinant galima teigti, kad nors didelio stiprinimo antenos yra pageidaujamos siekiant pagerinti iš mažo radijo dažnių tankio gaunamą galią, labai kryptingi imtuvai gali būti ne idealūs tais atvejais, kai siųstuvo kryptis nežinoma (pvz., aplinkos RFEH arba WPT per nežinomus sklidimo kanalus). Šiame darbe siūlomi keli daugiaspinduliai metodai daugiakryptei didelio stiprinimo WPT ir RFEH.
2. Antenos poliarizacija
Antenos poliarizacija apibūdina elektrinio lauko vektoriaus judėjimą antenos sklidimo krypties atžvilgiu. Poliarizacijos neatitikimai gali sumažinti perdavimą / priėmimą tarp antenų, net kai pagrindinių skiltelių kryptys yra sulygiuotos. Pavyzdžiui, jei perdavimui naudojama vertikali LP antena, o priėmimui – horizontali LP antena, energija nebus priimama. Šiame skyriuje apžvelgiami aprašyti metodai, kaip maksimaliai padidinti belaidžio priėmimo efektyvumą ir išvengti poliarizacijos neatitikimo nuostolių. Siūlomos tiesiosios antenos architektūros santrauka poliarizacijos atžvilgiu pateikta 6 paveiksle, o SoA pavyzdys – 4 lentelėje.
6 pav.
Korinio ryšio sistemose mažai tikėtina, kad bus pasiektas tiesinis poliarizacijos suderinimas tarp bazinių stočių ir mobiliųjų telefonų, todėl bazinių stočių antenos yra suprojektuotos kaip dvipoliarizuotos arba daugiapoliarizuotos, kad būtų išvengta poliarizacijos neatitikimo nuostolių. Tačiau LP bangų poliarizacijos kitimas dėl daugiakanalio poveikio lieka neišspręsta problema. Remiantis prielaida, kad mobiliosios bazinės stotys yra daugiapoliarizuotos, korinio ryšio RFEH antenos yra suprojektuotos kaip LP antenos.
CP tiesiosios bangos daugiausia naudojamos WPT, nes jos yra gana atsparios neatitikimams. CP antenos gali priimti CP spinduliuotę ta pačia sukimosi kryptimi (kairėn arba dešinėn CP) ir visas LP bangas be galios nuostolių. Bet kuriuo atveju CP antena siunčia, o LP antena priima su 3 dB nuostoliais (50 % galios nuostoliai). Pranešama, kad CP tiesiosios bangos tinka 900 MHz, 2,4 GHz ir 5,8 GHz pramoninių, mokslinių ir medicininių dažnių juostoms, taip pat milimetrinių bangų priėmimui. Savavališkai poliarizuotų bangų RFEH atveju poliarizacijos įvairovė yra potencialus sprendimas poliarizacijos neatitikimo nuostoliams.
Visiška poliarizacija, dar vadinama multipoliarizacija, buvo pasiūlyta siekiant visiškai įveikti poliarizacijos neatitikimo nuostolius, leidžiant surinkti tiek CP, tiek LP bangas, kur du dvigubai poliarizuoti ortogonalūs LP elementai efektyviai priima visas LP ir CP bangas. Tai iliustruoja vertikali ir horizontali grynoji įtampa (VV ir VH), kuri išlieka pastovi, nepriklausomai nuo poliarizacijos kampo:
CP elektromagnetinės bangos „E“ elektrinis laukas, kuriame energija surenkama du kartus (po vieną vienetą), taip visiškai priimant CP komponentą ir įveikiant 3 dB poliarizacijos neatitikimo nuostolius:
Galiausiai, naudojant nuolatinės srovės derinį, galima gauti savavališkos poliarizacijos bangas. 7 paveiksle parodyta pateiktos visiškai poliarizuotos tiesiosios bangos geometrija.
7 pav.
Apibendrinant galima teigti, kad belaidžio ryšio taikymuose su specialiais maitinimo šaltiniais CP yra pageidaujamas, nes jis pagerina belaidžio ryšio efektyvumą, nepriklausomai nuo antenos poliarizacijos kampo. Kita vertus, priimant signalą iš kelių šaltinių, ypač iš aplinkos šaltinių, visiškai poliarizuotos antenos gali pasiekti geresnį bendrą priėmimą ir maksimalų perkeliamumą; norint sujungti visiškai poliarizuotą galią RF arba DC režimu, reikalingos daugiaprievadės / daugialypės lygintuvo architektūros.
Santrauka
Šiame straipsnyje apžvelgiama naujausia RFEH ir WPT antenų projektavimo pažanga ir siūloma standartinė RFEH ir WPT antenų projektavimo klasifikacija, kuri nebuvo pasiūlyta ankstesnėje literatūroje. Nustatyti trys pagrindiniai antenos reikalavimai, siekiant didelio RF-DC efektyvumo:
1. Antenos lygintuvo varžos pralaidumas atitinkamoms RFEH ir WPT juostoms;
2. Pagrindinio siųstuvo ir imtuvo skirstymas WPT sistemoje iš specialaus tiekimo šaltinio;
3. Tiesiosios žarnos ir krintančios bangos poliarizacijos atitikimas, nepriklausomai nuo kampo ir padėties.
Remiantis varža, tiesiosios bangos skirstomos į 50Ω ir lygintuvo konjuguotas tiesiąsias bangas, daugiausia dėmesio skiriant varžos suderinimui tarp skirtingų juostų ir apkrovų bei kiekvieno suderinimo metodo efektyvumui.
Apžvelgtos SoA tiesiųjų spindulių bangų spinduliuotės charakteristikos kryptingumo ir poliarizacijos požiūriu. Aptarti metodai, kaip pagerinti stiprinimą formuojant ir pakuojant spindulį, siekiant įveikti siaurą spindulio plotį. Galiausiai apžvelgiamos CP tiesiosios spindulių bangos, skirtos WPT, kartu su įvairiais įgyvendinimo variantais, siekiant pasiekti nuo poliarizacijos nepriklausomą priėmimą WPT ir RFEH.
Norėdami sužinoti daugiau apie antenas, apsilankykite:
Įrašo laikas: 2024 m. rugpjūčio 16 d.
