Co-conception antenne-redresseur
La particularité des antennes redresseuses suivant la topologie EG de la figure 2 est que l'antenne est directement adaptée au redresseur, contrairement à la norme 50 Ω, qui nécessite de minimiser, voire de supprimer, le circuit d'adaptation pour alimenter le redresseur. Cette section passe en revue les avantages des antennes redresseuses SoA avec des antennes autres que 50 Ω et des antennes redresseuses sans réseau d'adaptation.
1. Antennes électriquement petites
Les antennes annulaires résonantes LC sont largement utilisées dans les applications où la taille du système est critique. À des fréquences inférieures à 1 GHz, la longueur d'onde peut entraîner un encombrement des antennes à éléments distribués standard supérieur à la taille globale du système. Des applications telles que les émetteurs-récepteurs entièrement intégrés pour implants corporels bénéficient particulièrement de l'utilisation d'antennes de petite taille pour la transmission sans fil (WPT).
L'impédance inductive élevée de la petite antenne (proche de la résonance) peut être utilisée pour coupler directement le redresseur ou avec un réseau d'adaptation capacitif intégré. Des antennes électriquement petites ont été décrites en WPT avec LP et CP inférieures à 1 GHz, utilisant des antennes dipôles Huygens, avec un ka = 0,645, tandis que ka = 5,91 dans des dipôles normaux (ka = 2πr/λ0).
2. Antenne conjuguée redresseuse
L'impédance d'entrée typique d'une diode est très capacitive ; une antenne inductive est donc nécessaire pour obtenir une impédance conjuguée. En raison de l'impédance capacitive de la puce, les antennes inductives à haute impédance sont largement utilisées dans les étiquettes RFID. Les antennes dipôles sont récemment devenues une tendance pour les antennes RFID à impédance complexe, affichant une impédance élevée (résistance et réactance) à proximité de leur fréquence de résonance.
Des antennes dipôles inductives ont été utilisées pour s'adapter à la capacité élevée du redresseur dans la bande de fréquences étudiée. Dans une antenne dipôle repliée, la double ligne courte (repliement du dipôle) agit comme un transformateur d'impédance, permettant la conception d'une antenne à très haute impédance. L'alimentation de polarisation permet également d'augmenter la réactance inductive ainsi que l'impédance réelle. L'association de plusieurs éléments dipôles polarisés avec des stubs radiaux en nœud papillon asymétriques forme une antenne double large bande à haute impédance. La figure 4 présente quelques exemples d'antennes conjuguées à redresseur.
Figure 4
Caractéristiques du rayonnement dans RFEH et WPT
Dans le modèle de Friis, la puissance PRX reçue par une antenne à une distance d de l'émetteur est une fonction directe des gains du récepteur et de l'émetteur (GRX, GTX).
La directivité et la polarisation du lobe principal de l'antenne ont un impact direct sur la puissance captée par l'onde incidente. Les caractéristiques de rayonnement de l'antenne sont des paramètres clés qui différencient le RFEH ambiant du WPT (Figure 5). Bien que, dans les deux applications, le milieu de propagation puisse être inconnu et que son effet sur l'onde reçue doive être pris en compte, la connaissance de l'antenne émettrice peut être exploitée. Le tableau 3 identifie les paramètres clés abordés dans cette section et leur applicabilité au RFEH et au WPT.
Figure 5
1. Directivité et gain
Dans la plupart des applications RFEH et WPT, on suppose que le collecteur ignore la direction du rayonnement incident et qu'il n'existe pas de ligne de visée (LoS). Dans ce travail, plusieurs conceptions et placements d'antennes ont été étudiés afin de maximiser la puissance reçue d'une source inconnue, indépendamment de l'alignement du lobe principal entre l'émetteur et le récepteur.
Les antennes omnidirectionnelles sont largement utilisées dans les antennes rectenna RFEH environnementales. Dans la littérature, la densité spectrale de puissance varie selon l'orientation de l'antenne. Cependant, cette variation de puissance n'a pas été expliquée ; il est donc impossible de déterminer si elle est due au diagramme de rayonnement de l'antenne ou à une inadéquation de polarisation.
Outre les applications RFEH, les antennes et réseaux directifs à gain élevé ont été largement utilisés pour la transmission sans fil (WPT) micro-ondes afin d'améliorer l'efficacité de collecte des faibles densités de puissance RF ou de compenser les pertes de propagation. Les réseaux de rectenna Yagi-Uda, les réseaux bowtie, les réseaux spiralés, les réseaux Vivaldi à couplage étroit, les réseaux CPW CP et les réseaux patch font partie des implémentations de rectenna évolutives permettant de maximiser la densité de puissance incidente dans une zone donnée. D'autres approches pour améliorer le gain d'antenne incluent la technologie SIW (Substrat Integrated Waveguide) dans les bandes micro-ondes et millimétriques, spécifique à la transmission sans fil (WPT). Cependant, les rectennas à gain élevé se caractérisent par des largeurs de faisceau étroites, ce qui rend la réception des ondes dans des directions arbitraires inefficace. Des études sur le nombre d'éléments d'antenne et de ports ont conclu qu'une directivité élevée ne correspond pas à une puissance collectée plus élevée dans la transmission sans fil (RFEH) ambiante, en supposant une incidence arbitraire tridimensionnelle ; ceci a été vérifié par des mesures sur le terrain en milieu urbain. Les réseaux à gain élevé peuvent être limités aux applications WPT.
Pour transférer les avantages des antennes à gain élevé aux RFEH arbitraires, des solutions de packaging ou d'agencement sont utilisées pour résoudre le problème de directivité. Un bracelet d'antenne à double patch est proposé pour capter l'énergie des RFEH Wi-Fi ambiants dans deux directions. Les antennes RFEH cellulaires ambiantes sont également conçues sous forme de boîtiers 3D et imprimées ou collées sur des surfaces externes afin de réduire la surface du système et de permettre une captation multidirectionnelle. Les structures rectangulaires cubiques présentent une probabilité de réception d'énergie plus élevée dans les RFEH ambiants.
Des améliorations ont été apportées à la conception des antennes pour augmenter la largeur de faisceau, notamment l'ajout d'éléments parasites auxiliaires, afin d'optimiser la transmission sans fil (WPT) à 2,4 GHz, avec des réseaux 4 × 1. Une antenne maillée à 6 GHz avec plusieurs régions de faisceau a également été proposée, démontrant plusieurs faisceaux par port. Des antennes de surface multi-ports et multi-redresseurs ainsi que des antennes de récupération d'énergie à diagrammes de rayonnement omnidirectionnels ont été proposées pour la RFEH multidirectionnelle et multipolarisée. Des multi-redresseurs avec matrices de formation de faisceaux et des réseaux d'antennes multi-ports ont également été proposés pour la récupération d'énergie multidirectionnelle à gain élevé.
En résumé, si les antennes à gain élevé sont privilégiées pour améliorer la puissance captée par les faibles densités RF, les récepteurs hautement directionnels peuvent ne pas être idéaux dans les applications où la direction de l'émetteur est inconnue (par exemple, RFEH ambiant ou WPT via des canaux de propagation inconnus). Dans ce travail, plusieurs approches multifaisceaux sont proposées pour les WPT et RFEH multidirectionnels à gain élevé.
2. Polarisation de l'antenne
La polarisation d'une antenne décrit le mouvement du vecteur champ électrique par rapport à sa direction de propagation. Les désadaptations de polarisation peuvent réduire la transmission/réception entre les antennes, même lorsque les directions des lobes principaux sont alignées. Par exemple, si une antenne LP verticale est utilisée pour l'émission et une antenne LP horizontale pour la réception, aucune puissance ne sera reçue. Cette section présente les méthodes décrites pour optimiser l'efficacité de la réception sans fil et éviter les pertes par désadaptation de polarisation. La figure 6 présente un résumé de l'architecture de la rectenna proposée en termes de polarisation, et le tableau 4 présente un exemple de SoA.
Figure 6
Dans les communications cellulaires, l'alignement de polarisation linéaire entre les stations de base et les téléphones mobiles est peu probable. Les antennes des stations de base sont donc conçues en bipolarisation ou multipolarisation afin d'éviter les pertes par inadéquation de polarisation. Cependant, la variation de polarisation des ondes LP due aux effets de trajets multiples reste un problème non résolu. Partant de l'hypothèse de stations de base mobiles multipolarisées, les antennes RFEH cellulaires sont conçues comme des antennes LP.
Les antennes CP sont principalement utilisées en ondes pulsées (WPT) car elles sont relativement résistantes aux désadaptations. Elles peuvent recevoir le rayonnement CP avec le même sens de rotation (CP gauche ou droite) ainsi que toutes les ondes LP sans perte de puissance. Dans tous les cas, l'antenne CP émet et l'antenne LP reçoit avec une perte de 3 dB (50 % de perte de puissance). Les antennes CP sont réputées adaptées aux bandes industrielles, scientifiques et médicales de 900 MHz, 2,4 GHz et 5,8 GHz, ainsi qu'aux ondes millimétriques. Dans les ondes RFEH à polarisation arbitraire, la diversité de polarisation représente une solution potentielle aux pertes par désadaptation de polarisation.
La polarisation complète, également appelée multipolarisation, a été proposée pour éliminer complètement les pertes par désadaptation de polarisation, permettant ainsi la collecte des ondes CP et LP, où deux éléments LP orthogonaux à double polarisation reçoivent efficacement toutes les ondes LP et CP. À titre d'exemple, les tensions nettes verticale et horizontale (VV et VH) restent constantes quel que soit l'angle de polarisation :
Champ électrique de l'onde électromagnétique CP « E », où la puissance est collectée deux fois (une fois par unité), recevant ainsi entièrement la composante CP et surmontant la perte de désadaptation de polarisation de 3 dB :
Enfin, grâce à la combinaison CC, des ondes incidentes de polarisation arbitraire peuvent être reçues. La figure 7 illustre la géométrie de la rectenna entièrement polarisée.
Figure 7
En résumé, dans les applications WPT avec alimentations dédiées, la polarisation continue est privilégiée car elle améliore l'efficacité WPT quel que soit l'angle de polarisation de l'antenne. En revanche, pour l'acquisition multisource, notamment à partir de sources ambiantes, les antennes entièrement polarisées permettent une meilleure réception globale et une portabilité maximale ; les architectures multiports/multiredresseurs sont nécessaires pour combiner une puissance entièrement polarisée en RF ou en CC.
Résumé
Cet article passe en revue les progrès récents en matière de conception d'antennes pour les systèmes RFEH et WPT, et propose une classification standard de ces antennes, inédite dans la littérature. Trois exigences fondamentales ont été identifiées pour obtenir un rendement RF-DC élevé :
1. Bande passante d'impédance du redresseur d'antenne pour les bandes RFEH et WPT d'intérêt ;
2. Alignement du lobe principal entre l'émetteur et le récepteur en WPT à partir d'une alimentation dédiée ;
3. Adaptation de polarisation entre la rectenna et l'onde incidente indépendamment de l'angle et de la position.
En fonction de l'impédance, les rectennas sont classées en rectennas conjuguées de 50 Ω et de redresseur, en mettant l'accent sur l'adaptation d'impédance entre différentes bandes et charges et sur l'efficacité de chaque méthode d'adaptation.
Les caractéristiques de rayonnement des rectennas SoA ont été examinées du point de vue de la directivité et de la polarisation. Des méthodes visant à améliorer le gain par formation de faisceau et conditionnement pour pallier la faible largeur de faisceau sont présentées. Enfin, les rectennas CP pour WPT sont examinées, ainsi que diverses implémentations permettant une réception indépendante de la polarisation pour WPT et RFEH.
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Date de publication : 16 août 2024
