Diseño conjunto de antena y rectificador
La característica de las rectenas con topología EG (Figura 2) es que la antena se adapta directamente al rectificador, en lugar de seguir el estándar de 50 Ω, que requiere minimizar o eliminar el circuito de adaptación para alimentar el rectificador. Esta sección analiza las ventajas de las rectenas SoA con antenas distintas a 50 Ω y de 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 crítico. A frecuencias inferiores a 1 GHz, la longitud de onda puede provocar 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 transferencia inalámbrica de potencia (WPT).
La alta impedancia inductiva de la pequeña antena (cercana a la resonancia) permite acoplar directamente el rectificador o mediante una red de adaptación capacitiva integrada. Se han descrito antenas eléctricamente pequeñas para la transmisión inalámbrica de potencia (WPT) con polarización lineal (LP) y polarización circular (CP) por debajo de 1 GHz, utilizando antenas dipolo de Huygens con ka = 0,645, mientras que en los dipolos convencionales ka = 5,91 (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 una tendencia en antenas RFID de impedancia compleja, presentando una alta impedancia (resistencia y reactancia) cerca de su frecuencia de resonancia.
Se han utilizado antenas dipolo inductivas para adaptar la alta capacitancia del rectificador en la banda de frecuencia de interés. En una antena dipolo plegada, la doble línea corta (plegado del dipolo) actúa como un transformador de impedancia, lo que permite diseñar una antena de impedancia extremadamente alta. Alternativamente, la alimentación por polarización aumenta tanto la reactancia inductiva como la impedancia real. La combinación de múltiples elementos dipolo polarizados con derivaciones radiales desequilibradas en forma de corbatín da lugar a una antena dual de banda ancha y alta impedancia. La figura 4 muestra algunas antenas conjugadas con rectificador que se han publicado.
Figura 4
Características de la radiación en RFEH y WPT
En el modelo de 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 polarización del lóbulo principal de la antena influyen directamente en la cantidad de potencia captada de la onda incidente. Las características de radiación de la antena son parámetros clave que diferencian la captación de energía por radiofrecuencia ambiental (RFEH) de la transferencia de potencia inalámbrica (WPT) (Figura 5). Si bien en ambas aplicaciones el medio de propagación puede ser desconocido y su efecto en la onda recibida debe considerarse, se puede aprovechar el conocimiento de la antena transmisora. La Tabla 3 identifica los parámetros clave analizados en esta sección y su aplicabilidad a la RFEH y la WPT.
Figura 5
1. Directividad y ganancia
En la mayoría de las aplicaciones de recolección de energía por radiofrecuencia (RFEH) y transferencia inalámbrica de potencia (WPT), se asume que el receptor desconoce la dirección de la radiación incidente y que no existe una trayectoria de línea de vista (LoS). En este trabajo, se han investigado diversos 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, se observa que la PSD varía según la orientación de la antena. Sin embargo, esta variación no se ha explicado, por lo que no es posible determinar si se debe al patrón de radiación de la antena o a un desajuste de polarización.
Además de las aplicaciones de recolección de energía de radiofrecuencia (RFEH), se han publicado numerosos estudios sobre antenas y arreglos direccionales de alta ganancia para la transferencia inalámbrica de potencia (WPT) por microondas, con el fin de mejorar la eficiencia de recolección de baja densidad de potencia de radiofrecuencia o superar las pérdidas de propagación. Entre las implementaciones de rectenas escalables que pueden maximizar la densidad de potencia incidente en un área determinada se encuentran los arreglos de rectenas Yagi-Uda, los arreglos de antenas de tipo pajarita, los arreglos espirales, los arreglos Vivaldi de acoplamiento estrecho, los arreglos CPW CP y los arreglos de parches. Otras estrategias para mejorar la ganancia de la antena incluyen la tecnología de guía de onda integrada en sustrato (SIW) en las bandas de microondas y ondas milimétricas, específica para WPT. Sin embargo, las rectenas de alta ganancia se caracterizan por haces estrechos, lo que dificulta la recepción eficiente de ondas en direcciones arbitrarias. Las investigaciones sobre el número de elementos y puertos de la antena concluyeron que una mayor directividad no se traduce en una mayor potencia recolectada en RFEH ambiental, asumiendo incidencia arbitraria tridimensional; esto se verificó mediante mediciones de campo en entornos urbanos. Los arreglos de alta ganancia pueden estar limitados a aplicaciones de WPT.
Para aprovechar las ventajas de las antenas de alta ganancia en cualquier fuente de energía de radiofrecuencia (RFEH), se utilizan soluciones de empaquetado o diseño para superar el problema de la directividad. Se propone una pulsera con antena de doble parche para captar energía de las RFEH de 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 las RFEH ambientales.
Se realizaron mejoras en el diseño de la antena para aumentar el ancho de haz, incluyendo elementos auxiliares parásitos, con el fin de mejorar la transferencia de potencia inalámbrica (WPT) a 2,4 GHz en arreglos de 4 × 1. También se propuso una antena de malla de 6 GHz con múltiples regiones de haz, demostrando la generación de múltiples haces por puerto. Se han propuesto rectenas de superficie multipuerto y multirectificador, así como antenas de recolección de energía con patrones de radiación omnidireccionales para la recolección de energía por radiofrecuencia (RFEH) multidireccional y multipolarizada. Asimismo, se han propuesto multirectificadores con matrices de formación de haz y arreglos de antenas multipuerto para la recolección de energía multidireccional de alta ganancia.
En resumen, si bien las antenas de alta ganancia son preferibles para mejorar la potencia captada de bajas densidades de radiofrecuencia, los receptores altamente direccionales pueden no ser ideales en aplicaciones donde se desconoce la dirección del transmisor (p. ej., captación de energía de radiofrecuencia ambiental o transferencia inalámbrica de potencia a través de canales de propagación desconocidos). En este trabajo, se proponen varios enfoques multihaz para transferencia inalámbrica de potencia y captación de energía de radiofrecuencia 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. Las discrepancias en la polarización pueden provocar una reducción en 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 antena LP horizontal para la recepción, no se recibirá potencia. En esta sección, se revisan los métodos descritos para maximizar la eficiencia de recepción inalámbrica y evitar las pérdidas por discrepancia en la polarización. En la Figura 6 se presenta un resumen de la arquitectura de la rectenna propuesta con respecto a la polarización, y en la Tabla 4 se muestra un ejemplo de estado de llegada (SoA).
Figura 6
En las comunicaciones celulares, es improbable lograr una alineación de polarización lineal entre las estaciones base y los teléfonos móviles, por lo que las antenas de las estaciones base se diseñan con doble o múltiple polarización para evitar pérdidas por desajuste de polarización. Sin embargo, la variación de polarización de las ondas de baja polarización debido a los efectos de multitrayecto sigue siendo un problema sin resolver. Partiendo de la premisa de estaciones base móviles con múltiple polarización, las antenas RFEH celulares se diseñan como antenas de baja polarización.
Las rectenas CP se utilizan principalmente en WPT debido a su relativa resistencia al desajuste de polarización. Las antenas CP pueden recibir radiación CP con el mismo sentido 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 demostrado 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 la recuperación mejorada por radiofrecuencia (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, permitiendo la captación 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.
Onda electromagnética CP “E”, campo eléctrico, donde la potencia se recoge 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 rectenna totalmente polarizada descrita.
Figura 7
En resumen, en aplicaciones de transferencia inalámbrica de potencia (WPT) con fuentes de alimentación dedicadas, se prefiere la polarización circular (CP) porque mejora la eficiencia de la WPT 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 la potencia totalmente polarizada en RF o CC.
Resumen
Este artículo revisa los avances recientes en el diseño de antenas para la recuperación de energía por radiofrecuencia (RFEH) y la transferencia de potencia inalámbrica (WPT), y propone una clasificación estándar para el diseño de antenas para RFEH y WPT que no se ha propuesto en la literatura anterior. Se han identificado tres requisitos básicos para lograr una alta eficiencia de conversión 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 transmisor y receptor en WPT desde una alimentación dedicada;
3. Coincidencia de polarización entre la rectenna y la onda incidente independientemente del ángulo y la posición.
En función de la impedancia, las rectenas se clasifican en rectenas de 50 Ω y rectenas conjugadas rectificadoras, centrándose en la adaptación de impedancia entre diferentes bandas y cargas y en 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 y el empaquetamiento de haces para superar la estrechez del 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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Fecha de publicación: 16 de agosto de 2024
