アンテナと整流器の共同設計
図 2 の EG トポロジに従ったレクテナの特徴は、アンテナが 50Ω 標準ではなく、整流器に直接整合していることです。そのため、整流器に電力を供給するための整合回路を最小限に抑えるか削除する必要があります。このセクションでは、非 50Ω アンテナを備えた SoA レクテナと、マッチング ネットワークを持たないレクテナの利点をレビューします。
1. 電気的に小型のアンテナ
LC 共振リング アンテナは、システム サイズが重要なアプリケーションで広く使用されています。 1 GHz 未満の周波数では、その波長により、標準の分散素子アンテナがシステム全体のサイズより多くのスペースを占める可能性があり、体内インプラント用の完全に統合されたトランシーバーなどのアプリケーションでは、WPT 用の電気的に小型のアンテナを使用することで特に利点が得られます。
小型アンテナの高い誘導インピーダンス (共振に近い) を使用して、整流器を直接結合することも、追加のオンチップ容量性整合ネットワークと結合することもできます。電気的に小さいアンテナは、ホイヘンスダイポールアンテナを使用した 1 GHz 未満の LP および CP の WPT で報告されており、通常のダイポール (ka=2πr/λ0) では ka=5.91 であるのに対し、ka=0.645 です。
2. 整流器共役アンテナ
ダイオードの一般的な入力インピーダンスは容量性が高いため、共役インピーダンスを達成するには誘導性アンテナが必要です。チップの容量性インピーダンスにより、高インピーダンスの誘導アンテナが RFID タグで広く使用されています。ダイポール アンテナは、共振周波数付近で高いインピーダンス (抵抗とリアクタンス) を示す、複素インピーダンス RFID アンテナの最近のトレンドになっています。
誘導ダイポールアンテナは、対象となる周波数帯域における整流器の高い静電容量に適合させるために使用されてきました。折り返しダイポール アンテナでは、二重の短い線 (折り返しダイポール) がインピーダンス変換器として機能し、非常に高いインピーダンスのアンテナの設計が可能になります。あるいは、バイアス給電により、実際のインピーダンスだけでなく誘導リアクタンスも増加します。複数のバイアスされたダイポール要素と不平衡ボウタイラジアルスタブを組み合わせることで、デュアルブロードバンド高インピーダンスアンテナを形成します。図 4 は、報告されているいくつかの整流器共役アンテナを示しています。
図4
RFEH および WPT の放射特性
Friis モデルでは、送信機から距離 d のアンテナで受信される電力 PRX は、受信機と送信機のゲイン (GRX、GTX) の直接関数です。
アンテナのメインローブの指向性と偏波は、入射波から収集される電力の量に直接影響します。アンテナ放射特性は、周囲の RFEH と WPT を区別する重要なパラメータです (図 5)。どちらのアプリケーションでも、伝播媒体は未知である可能性があり、受信波に対する伝播媒体の影響を考慮する必要がありますが、送信アンテナの知識を活用できます。表 3 は、このセクションで説明する主要なパラメータと、それらの RFEH および WPT への適用性を示しています。
図5
1. 指向性と利得
ほとんどの RFEH および WPT アプリケーションでは、コレクタは入射放射線の方向を知らず、見通し内 (LoS) パスも存在しないと想定されています。この研究では、送信機と受信機の間のメインローブの調整に関係なく、未知のソースからの受信電力を最大化するために、複数のアンテナの設計と配置が調査されました。
全方向性アンテナは、環境対応の RFEH レクテナで広く使用されています。文献によれば、PSD はアンテナの方向に応じて変化します。ただし、電力の変動については説明されていないため、その変動がアンテナの放射パターンによるものなのか、偏波の不整合によるものなのかを判断することはできません。
RFEH アプリケーションに加えて、低 RF 電力密度の収集効率を改善したり、伝播損失を克服したりするための、マイクロ波 WPT 用の高利得指向性アンテナとアレイが広く報告されています。八木・宇田レクテナ アレイ、ボウタイ アレイ、スパイラル アレイ、密結合 Vivaldi アレイ、CPW CP アレイ、パッチ アレイなどは、特定の領域で入射電力密度を最大化できるスケーラブルなレクテナ実装です。アンテナ利得を向上させる他のアプローチには、WPT に特有のマイクロ波およびミリ波帯の基板集積導波管 (SIW) テクノロジーが含まれます。ただし、高利得レクテナはビーム幅が狭いという特徴があるため、任意の方向の電波の受信が非効率になります。アンテナ素子とポートの数を調査した結果、3 次元の任意入射を仮定すると、より高い指向性は周囲 RFEH でのより高い収穫電力に対応しないと結論づけられました。これは都市環境でのフィールド測定によって検証されました。高利得アレイは WPT アプリケーションに限定される場合があります。
高利得アンテナの利点を任意の RFEH に移すには、パッケージングまたはレイアウトのソリューションを利用して指向性の問題を解決します。デュアルパッチ アンテナ リストバンドは、周囲の Wi-Fi RFEH から 2 方向でエネルギーを収集するために提案されています。アンビエントセルラー RFEH アンテナも 3D ボックスとして設計されており、システム面積を削減し、多方向の収集を可能にするために外面に印刷または接着されています。立方体レクテナ構造は、周囲の RFEH でエネルギーを受信する可能性が高くなります。
2.4 GHz、4 × 1 アレイでの WPT を改善するために、補助寄生パッチ要素を含むビーム幅を増やすためのアンテナ設計の改良が行われました。複数のビーム領域を備えた 6 GHz メッシュ アンテナも提案され、ポートごとに複数のビームが存在することが実証されました。全方向性放射パターンを備えたマルチポート、マルチ整流器表面レクテナおよびエネルギーハーベスティング アンテナが、多方向および多偏波 RFEH 用に提案されています。ビームフォーミングマトリックスとマルチポートアンテナアレイを備えたマルチ整流器も、高利得の多方向エネルギーハーベスティングのために提案されています。
要約すると、低 RF 密度から得られる電力を改善するには高利得アンテナが好ましい一方、送信機の方向が不明なアプリケーション (未知の伝播チャネルを介した周囲 RFEH または WPT など) では、指向性の高い受信機は理想的ではない可能性があります。この研究では、多方向高利得 WPT および RFEH に対して複数のマルチビーム アプローチが提案されています。
2. アンテナの偏波
アンテナの偏波は、アンテナの伝播方向に対する電界ベクトルの動きを表します。偏波の不一致により、メインローブの方向が揃っている場合でも、アンテナ間の送受信が低下する可能性があります。たとえば、垂直 LP アンテナを送信に使用し、水平 LP アンテナを受信に使用すると、電力は受信されません。このセクションでは、無線受信効率を最大化し、偏波不整合損失を回避するために報告されている方法をレビューします。偏波に関する提案されたレクテナ アーキテクチャの概要を図 6 に示し、SoA の例を表 4 に示します。
図6
セルラー通信では、基地局と携帯電話の間で直線偏波の調整が達成される可能性は低いため、基地局のアンテナは偏波不整合損失を避けるために二重偏波または多偏波になるように設計されています。しかし、マルチパス効果による LP 波の偏波変動は未解決の問題のままです。多偏波モバイル基地局の想定に基づいて、セルラー RFEH アンテナは LP アンテナとして設計されています。
CP レクテナは不一致に比較的強いため、主に WPT で使用されます。 CP アンテナは、すべての LP 波に加えて、同じ回転方向 (左旋または右旋 CP) の CP 放射を電力損失なしで受信できます。いずれの場合も、CP アンテナは 3 dB の損失 (50% の電力損失) で送信し、LP アンテナは受信します。 CP レクテナは、ミリ波だけでなく、900 MHz、2.4 GHz、5.8 GHz の産業、科学、医療帯域にも適していると報告されています。任意偏波の RFEH では、偏波ダイバーシティは偏波不整合損失に対する潜在的な解決策となります。
多重偏波としても知られる完全偏波は、偏波不整合損失を完全に克服するために提案されており、CP 波と LP 波の両方の収集を可能にし、2 つの二重偏波直交 LP 要素がすべての LP 波と CP 波を効果的に受信します。これを説明すると、垂直および水平の正味電圧 (VV および VH) は、偏光角に関係なく一定のままです。
CP 電磁波「E」電界。電力が 2 回 (ユニットごとに 1 回) 収集されるため、CP 成分を完全に受信し、3 dB の偏波不整合損失を克服します。
最後に、DC 結合により、任意の偏波の入射波を受信できます。図 7 は、報告されている完全偏波レクテナの形状を示しています。
図7
要約すると、専用電源を使用する WPT アプリケーションでは、アンテナの偏波角に関係なく WPT 効率を向上させるため、CP が推奨されます。一方、複数のソースを取得する場合、特に周囲のソースから取得する場合、完全に偏波されたアンテナは全体的な受信状態が向上し、可搬性が最大限に高まります。 RF または DC で完全に偏波された電力を組み合わせるには、マルチポート/マルチ整流器アーキテクチャが必要です。
まとめ
この論文は、RFEH および WPT のアンテナ設計における最近の進歩をレビューし、以前の文献では提案されていない RFEH および WPT のアンテナ設計の標準的な分類を提案します。高い RF-DC 効率を達成するための 3 つの基本的なアンテナ要件は、次のように特定されています。
1. 対象となる RFEH および WPT 帯域のアンテナ整流器インピーダンス帯域幅。
2. 専用フィードからの WPT の送信機と受信機間のメインローブの調整。
3. 角度や位置に関係なく、レクテナと入射波の間の偏光整合。
レクテナは、インピーダンスに基づいて 50Ω レクテナと整流共役レクテナに分類され、異なる帯域と負荷間のインピーダンス整合と各整合方法の効率に重点が置かれています。
SoA レクテナの放射特性は、指向性と偏波の観点から検討されています。狭いビーム幅を克服するためにビームフォーミングとパッケージングによって利得を改善する方法について説明します。最後に、WPT および RFEH の偏波に依存しない受信を実現するためのさまざまな実装とともに、WPT 用の CP レクテナをレビューします。
アンテナの詳細については、次のサイトをご覧ください。
投稿日時: 2024 年 8 月 16 日
