Codiseño de antena-rectificador
La característica de las rectenas que siguen la topología EG de la Figura 2 es que la antena se acopla directamente al rectificador, a diferencia del estándar de 50 Ω, lo que requiere minimizar o eliminar el circuito de adaptación para alimentar el rectificador. Esta sección analiza las ventajas de las rectenas SoA con antenas que no sean de 50 Ω y las rectenas sin redes de adaptación.
1. Antenas eléctricamente pequeñas
Las antenas de anillo resonante LC se han utilizado ampliamente en aplicaciones donde el tamaño del sistema es crucial. A 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 WPT.
La alta impedancia inductiva de la antena pequeña (casi resonancia) permite acoplar directamente el rectificador o con una red de adaptación capacitiva integrada. Se han reportado antenas eléctricamente pequeñas en WPT con LP y CP por debajo de 1 GHz utilizando antenas dipolo de Huygens, con ka = 0,645, mientras que ka = 5,91 en dipolos normales (ka = 2πr/λ0).
2. Antena rectificadora conjugada
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 tendencia en las antenas RFID de impedancia compleja, presentando una alta impedancia (resistencia y reactancia) cerca de su frecuencia de resonancia.
Se han utilizado antenas dipolares inductivas para adaptar la alta capacitancia del rectificador en la banda de frecuencia de interés. En una antena dipolar plegada, la doble línea corta (plegado dipolar) actúa como transformador de impedancia, lo que permite el diseño de una antena de impedancia extremadamente alta. Como alternativa, la alimentación de polarización aumenta la reactancia inductiva, así como la impedancia real. La combinación de múltiples elementos dipolares polarizados con conectores radiales desbalanceados de tipo bowtie forma una antena dual de banda ancha y alta impedancia. La Figura 4 muestra algunos ejemplos de antenas rectificadoras conjugadas.
Figura 4
Características de la radiación en RFEH y WPT
En el modelo Friis, la potencia PRX recibida por una antena a una distancia d del transmisor es una función directa de las ganancias del receptor y del transmisor (GRX, GTX).
La directividad y la polarización del lóbulo principal de la antena influyen directamente en la potencia captada por 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 debe considerarse su efecto en la onda recibida, es posible aprovechar el conocimiento de la antena transmisora. La Tabla 3 identifica los parámetros clave analizados 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 asume que el colector desconoce la dirección de la radiación incidente y que no existe una trayectoria de 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 rectenas RFEH ambientales. En la literatura, la PSD varía según la orientación de la antena. Sin embargo, no se ha explicado la variación de potencia, por lo que no es posible determinar si esta se debe al diagrama de radiación de la antena o a un desajuste de polarización.
Además de las aplicaciones RFEH, se han reportado ampliamente antenas y arreglos direccionales de alta ganancia para WPT de microondas para mejorar la eficiencia de recolección de baja densidad de potencia de RF o superar las pérdidas de propagación. Los arreglos de rectennas Yagi-Uda, los arreglos bowtie, los arreglos espirales, los arreglos Vivaldi estrechamente acoplados, los arreglos CPW CP y los arreglos de parche se encuentran entre las implementaciones de rectennas escalables que pueden maximizar la densidad de potencia incidente bajo un área determinada. Otros enfoques para mejorar la ganancia de la antena incluyen la tecnología de guía de onda integrada en el sustrato (SIW) en las bandas de microondas y ondas milimétricas, específica para WPT. Sin embargo, las rectennas de alta ganancia se caracterizan por 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 antena concluyeron que una mayor directividad no se corresponde con una mayor potencia recolectada en RFEH ambiental asumiendo una incidencia arbitraria tridimensional; esto se verificó mediante mediciones de campo en entornos urbanos. Los arreglos de alta ganancia pueden limitarse a aplicaciones WPT.
Para transferir las ventajas de las antenas de alta ganancia a RFEH arbitrarios, se utilizan soluciones de empaquetado o diseño para superar el problema de directividad. Se propone una pulsera de antena de doble parche para captar energía de los RFEH Wi-Fi ambientales en dos direcciones. Las antenas RFEH celulares ambientales también se diseñan como cajas 3D y se imprimen o adhieren a superficies externas para reducir el área del sistema y permitir la captación multidireccional. Las estructuras de rectenas cúbicas presentan una mayor probabilidad de recepción de energía en RFEH ambientales.
Se realizaron mejoras en el diseño de antenas para aumentar el ancho de haz, incluyendo elementos auxiliares de parche parásito, con el fin de mejorar la WPT en conjuntos 4 × 1 de 2,4 GHz. También se propuso una antena de malla de 6 GHz con múltiples regiones de haz, que permite la obtención de múltiples haces por puerto. Se han propuesto rectenas de superficie multipuerto y multirectificador, así como antenas de captación de energía con diagramas de radiación omnidireccionales para RFEH multidireccional y multipolarizado. También se han propuesto multirectificadores con matrices de formación de haz y conjuntos de antenas multipuerto para la captación de energía multidireccional de alta ganancia.
En resumen, si bien se prefieren las antenas de alta ganancia para optimizar 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 (p. ej., RFEH ambiental o WPT 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 de campo eléctrico con respecto a su dirección de propagación. Los desajustes de polarización pueden reducir 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 la transmisión y una horizontal para la recepción, no se recibirá potencia. En esta sección, se revisan los métodos descritos para maximizar la eficiencia de la recepción inalámbrica y evitar pérdidas por desajuste de polarización. La Figura 6 presenta un resumen de la arquitectura de rectenna propuesta con respecto a la polarización, y la Tabla 4 presenta un ejemplo de SoA.
Figura 6
En las comunicaciones celulares, es improbable lograr una alineación de polarización lineal entre estaciones base y teléfonos móviles, por lo que las antenas de las estaciones base se diseñan con polarización dual o multipolarizada para evitar pérdidas por desajuste de polarización. Sin embargo, la variación de polarización de las ondas LP debido a los efectos multitrayecto sigue siendo un problema sin resolver. Partiendo del supuesto de estaciones base móviles multipolarizadas, las antenas RFEH celulares se diseñan como antenas LP.
Las rectenas CP se utilizan principalmente en WPT debido a su relativa resistencia al desajuste. Las antenas CP pueden recibir radiación CP con la misma dirección de rotación (CP levógira o dextrógira), 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 ha reportado que las rectenas CP son adecuadas para las bandas industriales, científicas y médicas de 900 MHz, 2,4 GHz y 5,8 GHz, así como para ondas milimétricas. En RFEH de ondas con polarización arbitraria, la diversidad de polarización representa una posible solución a las pérdidas por desajuste de polarización.
Se ha propuesto la polarización completa, también conocida como multipolarización, para superar por completo las pérdidas por desajuste de polarización, lo que permite la captación de ondas CP y LP, donde dos elementos LP ortogonales con doble polarización reciben eficazmente todas las ondas LP y CP. Para ilustrar esto, las tensiones netas verticales y horizontales (VV y VH) permanecen constantes independientemente del ángulo de polarización:
Campo eléctrico “E” de onda electromagnética CP, donde la potencia se recolecta dos veces (una 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 rectenna completamente polarizada.
Figura 7
En resumen, en aplicaciones WPT con fuentes de alimentación dedicadas, se prefiere la polarización continua (CP) porque mejora la eficiencia WPT independientemente del ángulo de polarización de la antena. Por otro lado, en la adquisición multifuente, especialmente de fuentes ambientales, las antenas totalmente polarizadas permiten lograr una mejor recepción general y máxima portabilidad; se requieren arquitecturas multipuerto/multirectificador para combinar la potencia totalmente polarizada en RF o CC.
Resumen
Este artículo analiza los avances recientes en el diseño de antenas para RFEH y WPT, y propone una clasificación estándar de diseño de antenas para RFEH y WPT no propuesta en la literatura previa. 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 RFEH y WPT de interés;
2. Alineación del lóbulo principal entre el transmisor y el receptor en WPT desde una alimentación dedicada;
3. Adaptación de polarización entre la rectena y la onda incidente independientemente del ángulo y la posición.
Según la impedancia, las rectenas se clasifican en rectenas de 50 Ω y rectenas conjugadas rectificadoras, con especial atención a la adaptación de impedancia entre diferentes bandas y cargas y a la eficiencia de cada método de adaptación.
Se han revisado las características de radiación de las rectenas SoA desde la perspectiva de la directividad y la polarización. Se discuten métodos para mejorar la ganancia mediante la formación de haz y el empaquetamiento para superar la limitación del ancho de haz. Finalmente, se revisan las rectenas CP para WPT, junto con diversas implementaciones para lograr una recepción independiente de la polarización para WPT y RFEH.
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Hora de publicación: 16 de agosto de 2024
