Codiseño antena-rectificador
La característica de las rectennas que siguen la topología EG en la Figura 2 es que la antena se adapta directamente al rectificador, en lugar del estándar de 50 Ω, lo que requiere minimizar o eliminar el circuito de adaptación para alimentar el rectificador. Esta sección revisa las ventajas de las rectennas SoA con antenas que no son de 50Ω y las rectennas sin redes coincidentes.
1. Antenas eléctricamente pequeñas
Las antenas de anillo resonante LC se han utilizado ampliamente en aplicaciones donde el tamaño del sistema es crítico. En frecuencias inferiores a 1 GHz, la longitud de onda puede hacer que las antenas de elementos distribuidos estándar ocupen más espacio que el tamaño total del sistema, y aplicaciones como los transceptores totalmente integrados para implantes corporales se benefician especialmente del uso de antenas eléctricamente pequeñas para la TIP.
La alta impedancia inductiva de la antena pequeña (casi de resonancia) se puede utilizar para acoplar directamente el rectificador o con una red de adaptación capacitiva en chip adicional. Se han descrito antenas eléctricamente pequeñas en TIP con LP y CP por debajo de 1 GHz utilizando antenas dipolo Huygens, con ka=0,645, mientras que ka=5,91 en dipolos normales (ka=2πr/λ0).
2. Antena conjugada rectificadora
La impedancia de entrada típica de un diodo es altamente capacitiva, por lo que se requiere una antena inductiva para lograr la impedancia conjugada. Debido a la impedancia capacitiva del chip, las antenas inductivas de alta impedancia se han utilizado ampliamente en etiquetas RFID. Las antenas dipolo se han convertido recientemente en una tendencia en antenas RFID de impedancia compleja, exhibiendo una alta impedancia (resistencia y reactancia) cerca de su frecuencia de resonancia.
Se han utilizado antenas dipolo inductivas para igualar la alta capacitancia del rectificador en la banda de frecuencia de interés. En una antena dipolo plegada, la doble línea corta (plegamiento dipolo) actúa como un transformador de impedancia, permitiendo el diseño de una antena de impedancia extremadamente alta. Alternativamente, la alimentación polarizada es responsable de aumentar la reactancia inductiva así como la impedancia real. La combinación de múltiples elementos dipolo polarizados con terminales radiales de pajarita desequilibrados forma una antena dual de banda ancha de alta impedancia. La Figura 4 muestra algunas antenas rectificadoras conjugadas reportadas.
Figura 4
Características de la radiación en RFEH y TIP
En el modelo Friis, la potencia PRX recibida por una antena a una distancia d del transmisor es función directa de las ganancias del receptor y del transmisor (GRX, GTX).
La directividad y polarización del lóbulo principal de la antena impactan directamente la cantidad de energía recolectada de la onda incidente. Las características de radiación de la antena son parámetros clave que diferencian entre RFEH ambiental y WPT (Figura 5). Si bien en ambas aplicaciones el medio de propagación puede ser desconocido y es necesario considerar su efecto sobre la onda recibida, se puede aprovechar el conocimiento de la antena transmisora. La Tabla 3 identifica los parámetros clave discutidos en esta sección y su aplicabilidad a RFEH y WPT.
Figura 5
1. Directividad y ganancia
En la mayoría de las aplicaciones RFEH y WPT, se supone que el colector no conoce la dirección de la radiación incidente y que no existe una trayectoria con línea de visión (LoS). En este trabajo, se han investigado múltiples diseños y ubicaciones de antenas para maximizar la potencia recibida de una fuente desconocida, independientemente de la alineación del lóbulo principal entre el transmisor y el receptor.
Las antenas omnidireccionales se han utilizado ampliamente en rectennas ambientales RFEH. En la literatura, la PSD varía según la orientación de la antena. Sin embargo, la variación de potencia no ha sido explicada, por lo que no es posible determinar si la variación se debe al patrón de radiación de la antena o a un desajuste de polarización.
Además de las aplicaciones RFEH, se ha informado ampliamente que las antenas y conjuntos direccionales de alta ganancia para TIP de microondas mejoran la eficiencia de captación de baja densidad de potencia de RF o superan las pérdidas de propagación. Los arreglos de rectenna Yagi-Uda, los arreglos de pajarita, los arreglos en espiral, los arreglos Vivaldi estrechamente acoplados, los arreglos CPW CP y los arreglos de parche se encuentran entre las implementaciones de rectenna escalables que pueden maximizar la densidad de potencia incidente en un área determinada. Otros enfoques para mejorar la ganancia de la antena incluyen la tecnología de guía de ondas integrada en sustrato (SIW) en bandas de ondas milimétricas y de microondas, específica de la TIP. Sin embargo, las rectennas de alta ganancia se caracterizan por tener anchos de haz estrechos, lo que hace que la recepción de ondas en direcciones arbitrarias sea ineficiente. Las investigaciones sobre el número de elementos y puertos de la antena concluyeron que una mayor directividad no corresponde a una mayor potencia captada en el ambiente RFEH, suponiendo una incidencia arbitraria tridimensional; esto fue verificado mediante mediciones de campo en ambientes urbanos. Las matrices de alta ganancia pueden limitarse a aplicaciones TIP.
Para transferir los beneficios de las antenas de alta ganancia a RFEH arbitrarios, se utilizan soluciones de empaquetado o diseño para superar el problema de la directividad. Se propone una pulsera de antena de doble parche para recolectar energía de los RFEH Wi-Fi ambientales en dos direcciones. Las antenas RFEH celulares ambientales también están diseñadas como cajas 3D y se imprimen o se adhieren a superficies externas para reducir el área del sistema y permitir la recolección multidireccional. Las estructuras de rectina cúbica exhiben una mayor probabilidad de recepción de energía en RFEH ambientales.
Se realizaron mejoras en el diseño de la antena para aumentar la anchura del haz, incluidos elementos de parche parásitos auxiliares, para mejorar la TIP en sistemas 4 × 1 de 2,4 GHz. También se propuso una antena de malla de 6 GHz con múltiples regiones de haz, lo que demuestra múltiples haces por puerto. Se han propuesto recenas de superficie multipuerto y multirectificador y antenas de recolección de energía con patrones de radiación omnidireccionales para RFEH multidireccional y multipolarizado. También se han propuesto multirectificadores con matrices de formación de haces y conjuntos de antenas multipuerto para la recolección de energía multidireccional de alta ganancia.
En resumen, si bien se prefieren las antenas de alta ganancia para mejorar la potencia obtenida de bajas densidades de RF, los receptores altamente direccionales pueden no ser ideales en aplicaciones donde se desconoce la dirección del transmisor (por ejemplo, RFEH o WPT ambiental a través de canales de propagación desconocidos). En este trabajo, se proponen múltiples enfoques multihaz para WPT y RFEH multidireccionales de alta ganancia.
2. Polarización de la antena
La polarización de la antena describe el movimiento del vector del campo eléctrico con respecto a la dirección de propagación de la antena. Los desajustes de polarización pueden provocar una reducción de la transmisión/recepción entre antenas incluso cuando las direcciones de los lóbulos principales están alineadas. Por ejemplo, si se utiliza una antena LP vertical para transmisión y una antena LP horizontal para recepción, no se recibirá energía. En esta sección, se revisan los métodos reportados para maximizar la eficiencia de la recepción inalámbrica y evitar pérdidas por desajuste de polarización. En la Figura 6 se ofrece un resumen de la arquitectura de rectina propuesta con respecto a la polarización y en la Tabla 4 se proporciona un ejemplo de SoA.
Figura 6
En las comunicaciones celulares, es poco probable que se logre una alineación de polarización lineal entre las estaciones base y los teléfonos móviles, por lo que las antenas de las estaciones base están diseñadas para tener polarización dual o multipolarización para evitar pérdidas por desajuste de polarización. Sin embargo, la variación de polarización de las ondas LP debido a efectos multitrayectoria sigue siendo un problema sin resolver. Partiendo del supuesto de estaciones base móviles multipolarizadas, las antenas celulares RFEH están diseñadas como antenas LP.
Las rectennas CP se utilizan principalmente en WPT porque son relativamente resistentes a los desajustes. Las antenas CP pueden recibir radiación CP con la misma dirección de rotación (CP para zurdos o diestros) además de todas las ondas LP sin pérdida de potencia. En cualquier caso, la antena CP transmite y la antena LP recibe con una pérdida de 3 dB (50% de pérdida de potencia). Se informa que las rectennas CP son adecuadas para bandas industriales, científicas y médicas de 900 MHz, 2,4 GHz y 5,8 GHz, así como para ondas milimétricas. En RFEH de ondas polarizadas arbitrariamente, la diversidad de polarización representa una solución potencial a las pérdidas por desajuste de polarización.
Se ha propuesto la polarización total, también conocida como multipolarización, para superar por completo las pérdidas por desajuste de polarización, permitiendo la recopilación de ondas CP y LP, donde dos elementos LP ortogonales de doble polarización reciben eficazmente todas las ondas LP y CP. Para ilustrar esto, los voltajes netos vertical y horizontal (VV y VH) permanecen constantes independientemente del ángulo de polarización:
Campo eléctrico de onda electromagnética CP “E”, donde la energía se recolecta dos veces (una vez por unidad), recibiendo así completamente el componente CP y superando la pérdida por desajuste de polarización de 3 dB:
Finalmente, mediante la combinación de CC, se pueden recibir ondas incidentes de polarización arbitraria. La Figura 7 muestra la geometría de la rectina totalmente polarizada informada.
Figura 7
En resumen, en aplicaciones TIP con fuentes de alimentación dedicadas, se prefiere la CP porque mejora la eficiencia de la TIP independientemente del ángulo de polarización de la antena. Por otro lado, en la adquisición de múltiples fuentes, especialmente de fuentes ambientales, las antenas totalmente polarizadas pueden lograr una mejor recepción general y una máxima portabilidad; Se requieren arquitecturas multipuerto/multirectificador para combinar potencia totalmente polarizada en RF o CC.
Resumen
Este artículo revisa los avances recientes en el diseño de antenas para RFEH y WPT, y propone una clasificación estándar del diseño de antenas para RFEH y WPT que no se ha propuesto en la literatura anterior. Se han identificado tres requisitos básicos de antena para lograr una alta eficiencia de RF a CC:
1. Ancho de banda de impedancia del rectificador de antena para las bandas de interés RFEH y TIP;
2. Alineación del lóbulo principal entre el transmisor y el receptor en la TIP a partir de una alimentación dedicada;
3. Coincidencia de polarización entre la rectina y la onda incidente independientemente del ángulo y la posición.
Según la impedancia, las rectennas se clasifican en 50 Ω y rectennas conjugadas de rectificador, con un enfoque en la adaptación de impedancia entre diferentes bandas y cargas y la eficiencia de cada método de adaptación.
Las características de radiación de las rectennas SoA se han revisado desde la perspectiva de la directividad y la polarización. Se analizan métodos para mejorar la ganancia mediante formación de haz y empaquetado para superar el ancho de haz estrecho. Finalmente, se revisan las rectennas CP para TIP, junto con diversas implementaciones para lograr una recepción independiente de la polarización para TIP y RFEH.
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Hora de publicación: 16 de agosto de 2024
