Co-conception Antenne-Redresseur
La caractéristique des rectennas suivant la topologie EG de la figure 2 est que l'antenne est directement adaptée au redresseur, plutôt qu'à la norme 50Ω, ce qui nécessite de minimiser ou d'éliminer le circuit d'adaptation pour alimenter le redresseur. Cette section passe en revue les avantages des rectennas SoA avec des antennes non 50Ω et des rectennas sans réseaux correspondants.
1. Antennes électriquement petites
Les antennes à anneau résonant LC ont été largement utilisées dans les applications où la taille du système est critique. Aux fréquences inférieures à 1 GHz, la longueur d'onde peut faire en sorte que les antennes à éléments distribués standard occupent plus d'espace que la taille globale du système, et des applications telles que les émetteurs-récepteurs entièrement intégrés pour les implants corporels bénéficient particulièrement de l'utilisation d'antennes électriquement petites pour le WPT.
La haute impédance inductive de la petite antenne (proche de la résonance) peut être utilisée pour coupler directement le redresseur ou avec un réseau d'adaptation capacitif supplémentaire sur puce. Des antennes électriquement petites ont été signalées dans le TESF avec LP et CP inférieurs à 1 GHz en utilisant des antennes dipolaires de Huygens, avec ka=0,645, tandis que ka=5,91 dans les dipôles normaux (ka=2πr/λ0).
2. Antenne conjuguée redresseur
L'impédance d'entrée typique d'une diode est hautement 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 ont été largement utilisées dans les étiquettes RFID. Les antennes dipolaires sont récemment devenues une tendance dans le domaine des antennes RFID à impédance complexe, présentant une impédance élevée (résistance et réactance) proche de leur fréquence de résonance.
Des antennes dipolaires inductives ont été utilisées pour correspondre à la capacité élevée du redresseur dans la bande de fréquences d'intérêt. Dans une antenne dipôle pliée, la double ligne courte (pliage dipolaire) agit comme un transformateur d'impédance, permettant la conception d'une antenne à impédance extrêmement élevée. Alternativement, l'alimentation en polarisation est responsable de l'augmentation de la réactance inductive ainsi que de l'impédance réelle. La combinaison de plusieurs éléments dipolaires polarisés avec des talons radiaux en forme de nœud papillon déséquilibrés forme une antenne double large bande à haute impédance. La figure 4 montre quelques antennes conjuguées redresseurs signalées.
Figure 4
Caractéristiques de rayonnement dans RFEH et WPT
Dans le modèle Friis, la puissance PRX reçue par une antenne à une distance d de l'émetteur est directement fonction 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 quantité de puissance collectée à partir de l'onde incidente. Les caractéristiques du 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 TESF.
Figure 5
1. Directivité et gain
Dans la plupart des applications RFEH et WPT, on suppose que le collecteur ne connaît pas la direction du rayonnement incident et qu'il n'y a pas de trajet en visibilité directe (LoS). Dans ce travail, plusieurs conceptions et emplacements d'antennes ont été étudiés pour maximiser la puissance reçue d'une source inconnue, indépendamment de l'alignement du lobe principal entre l'émetteur et le récepteur.
Les antennes omnidirectionnelles ont été largement utilisées dans les rectennas RFEH environnementales. Dans la littérature, la PSD varie en fonction de l'orientation de l'antenne. Cependant, la variation de puissance n’a pas été expliquée, il n’est donc pas possible de déterminer si la variation est due au diagramme de rayonnement de l’antenne ou à une désadaptation de polarisation.
En plus des applications RFEH, des antennes et des réseaux directionnels à gain élevé ont été largement signalés pour le TESF micro-ondes afin d'améliorer l'efficacité de la collecte de faible densité de puissance RF ou de surmonter les pertes de propagation. Les réseaux rectenna Yagi-Uda, les réseaux bowtie, les réseaux en spirale, les réseaux Vivaldi étroitement couplés, les réseaux CPW CP et les réseaux de patchs font partie des implémentations évolutives de rectenna qui peuvent maximiser la densité de puissance incidente dans une certaine zone. D'autres approches visant à améliorer le gain de l'antenne incluent la technologie de guide d'ondes intégré au substrat (SIW) dans les bandes de micro-ondes et d'ondes millimétriques, spécifique au TESF. Cependant, les rectennas à gain élevé se caractérisent par des largeurs de faisceau étroites, ce qui rend inefficace la réception des ondes dans des directions arbitraires. Les enquêtes sur le nombre d'éléments d'antenne et de ports ont conclu qu'une directivité plus élevée ne correspond pas à une puissance récoltée plus élevée dans le RFEH ambiant en supposant une incidence arbitraire tridimensionnelle ; cela a été vérifié par des mesures de terrain en milieu urbain. Les baies à gain élevé peuvent être limitées aux applications WPT.
Pour transférer les avantages des antennes à gain élevé vers des RFEH arbitraires, des solutions de conditionnement ou d'agencement sont utilisées pour surmonter le problème de directivité. Un bracelet à antenne à double patch est proposé pour récupérer l'énergie des RFEH Wi-Fi ambiants dans deux directions. Les antennes cellulaires ambiantes RFEH sont également conçues sous forme de boîtes 3D et imprimées ou collées sur des surfaces externes pour réduire la surface du système et permettre une récolte multidirectionnelle. Les structures cubiques de rectenne présentent une probabilité plus élevée de réception d’énergie dans les RFEH ambiants.
Des améliorations de la conception de l'antenne visant à augmenter la largeur du faisceau, y compris des éléments de patch parasites auxiliaires, ont été apportées pour améliorer le WPT à 2,4 GHz, les réseaux 4 × 1. Une antenne maillée de 6 GHz avec plusieurs régions de faisceaux a également été proposée, démontrant plusieurs faisceaux par port. Des redresseurs de surface multiports et multiredresseurs et des antennes de récupération d'énergie avec des diagrammes de rayonnement omnidirectionnels ont été proposés pour les RFEH multidirectionnels et multipolarisés. Des multi-redresseurs dotés de matrices de formation de faisceaux et de réseaux d'antennes multiports ont également été proposés pour la récupération d'énergie multidirectionnelle à gain élevé.
En résumé, même si les antennes à gain élevé sont préférées pour améliorer la puissance récoltée à partir de 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 le WPT et le RFEH multidirectionnels à gain élevé.
2. Polarisation de l'antenne
La polarisation de l'antenne décrit le mouvement du vecteur champ électrique par rapport à la direction de propagation de l'antenne. Les déséquilibres de polarisation peuvent entraîner une réduction de 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 la transmission et une antenne LP horizontale pour la réception, aucune puissance ne sera reçue. Dans cette section, les méthodes rapportées pour maximiser l'efficacité de la réception sans fil et éviter les pertes de désadaptation de polarisation sont passées en revue. Un résumé de l'architecture de rectenna proposée en ce qui concerne la polarisation est donné dans la figure 6 et un exemple de SoA est donné dans le tableau 4.
Figure 6
Dans les communications cellulaires, il est peu probable qu'un alignement de polarisation linéaire entre les stations de base et les téléphones mobiles soit obtenu, c'est pourquoi les antennes des stations de base sont conçues pour être à double polarisation ou multipolarisées afin d'éviter les pertes de polarisation. Cependant, la variation de polarisation des ondes LP due aux effets de trajets multiples reste un problème non résolu. Sur la base de l'hypothèse de stations de base mobiles multipolarisées, les antennes cellulaires RFEH sont conçues comme des antennes LP.
Les rectennas CP sont principalement utilisées dans le WPT car elles sont relativement résistantes aux décalages. Les antennes CP sont capables de recevoir le rayonnement CP avec le même sens de rotation (CP gaucher ou droitier) en plus de 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 rectennas CP seraient adaptées aux bandes industrielles, scientifiques et médicales de 900 MHz, 2,4 GHz et 5,8 GHz, ainsi qu'aux ondes millimétriques. Dans le RFEH d'ondes arbitrairement polarisées, la diversité de polarisation représente une solution potentielle aux pertes de désadaptation de polarisation.
La polarisation complète, également connue sous le nom de multipolarisation, a été proposée pour surmonter complètement les pertes de polarisation, permettant la collecte des ondes CP et LP, où deux éléments LP orthogonaux à double polarisation reçoivent efficacement toutes les ondes LP et CP. Pour illustrer cela, les tensions nettes verticales et horizontales (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 DC, des ondes incidentes de polarisation arbitraire peuvent être reçues. La figure 7 montre la géométrie de la rectenne entièrement polarisée signalée.
Figure 7
En résumé, dans les applications WPT avec alimentations dédiées, le CP est préféré car il améliore l'efficacité WPT quel que soit l'angle de polarisation de l'antenne. D'autre part, dans l'acquisition multi-sources, notamment à partir de sources ambiantes, les antennes entièrement polarisées peuvent obtenir une meilleure réception globale et une portabilité maximale ; des architectures multi-ports/multi-redresseurs sont nécessaires pour combiner une puissance entièrement polarisée en RF ou en DC.
Résumé
Cet article passe en revue les progrès récents dans la conception d'antennes pour RFEH et WPT et propose une classification standard de la conception d'antennes pour RFEH et WPT qui n'a pas été proposée dans la littérature précédente. Trois exigences de base en matière d'antenne pour obtenir une efficacité RF vers DC élevée ont été identifiées comme suit :
1. Bande passante d’impédance du redresseur d’antenne pour les bandes d’intérêt RFEH et WPT ;
2. Alignement du lobe principal entre l'émetteur et le récepteur en TESF à partir d'une source dédiée ;
3. Correspondance de polarisation entre la rectenne et l'onde incidente quels que soient l'angle et la position.
En fonction de l'impédance, les rectennas sont classées en rectennas 50Ω et conjuguées à 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 permettant d'améliorer le gain par formation de faisceau et par conditionnement pour surmonter une largeur de faisceau étroite sont discutées. Enfin, les rectennes CP pour le WPT sont passées en revue, ainsi que diverses implémentations permettant d'obtenir une réception indépendante de la polarisation pour le WPT et le RFEH.
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Heure de publication : 16 août 2024
