안테나-정류기 공동 설계
그림 2의 EG 토폴로지를 따르는 렉테나의 특징은 정류기에 전력을 공급하기 위해 정합 회로를 최소화하거나 제거해야 하는 50Ω 표준이 아닌 안테나가 정류기에 직접 정합된다는 것입니다. 이 섹션에서는 50Ω이 아닌 안테나가 있는 SoA 렉테나와 일치하는 네트워크가 없는 렉테나의 장점을 검토합니다.
1. 전기적으로 작은 안테나
LC 공진 링 안테나는 시스템 크기가 중요한 응용 분야에 널리 사용되었습니다. 1GHz 미만의 주파수에서는 파장으로 인해 표준 분산 요소 안테나가 시스템의 전체 크기보다 더 많은 공간을 차지할 수 있으며 신체 임플란트용 완전 통합형 트랜시버와 같은 애플리케이션은 특히 WPT용 전기적으로 작은 안테나를 사용하면 이점을 얻을 수 있습니다.
소형 안테나(공진 근처)의 높은 유도 임피던스를 사용하여 정류기를 직접 연결하거나 추가 온칩 용량성 정합 네트워크와 연결할 수 있습니다. 전기적으로 작은 안테나는 Huygens 쌍극자 안테나(ka=0.645)를 사용하여 1GHz 미만의 LP 및 CP를 갖는 WPT에서 보고되었으며 일반 쌍극자(ka=2πr/λ0)에서는 ka=5.91입니다.
2. 정류기 복합 안테나
다이오드의 일반적인 입력 임피던스는 용량성이 높으므로 공액 임피던스를 달성하려면 유도 안테나가 필요합니다. 칩의 용량성 임피던스로 인해 고임피던스 유도 안테나가 RFID 태그에 널리 사용되었습니다. 다이폴 안테나는 최근 공진 주파수 근처에서 높은 임피던스(저항 및 리액턴스)를 나타내는 복합 임피던스 RFID 안테나의 추세가 되었습니다.
관심 있는 주파수 대역에서 정류기의 높은 정전용량을 일치시키기 위해 유도성 쌍극자 안테나가 사용되었습니다. 접이식 다이폴 안테나에서는 이중 단선(다이폴 폴딩)이 임피던스 변압기 역할을 하여 매우 높은 임피던스 안테나를 설계할 수 있습니다. 또는 바이어스 공급은 유도성 리액턴스와 실제 임피던스를 증가시키는 역할을 합니다. 여러 개의 바이어스된 쌍극자 요소와 불균형한 나비넥타이 방사형 스터브를 결합하여 이중 광대역 고임피던스 안테나를 형성합니다. 그림 4는 보고된 일부 정류기 복합 안테나를 보여줍니다.
그림 4
RFEH 및 WPT의 방사선 특성
Friis 모델에서 송신기로부터 거리 d에 있는 안테나가 수신하는 전력 PRX는 수신기 및 송신기 이득(GRX, GTX)의 직접적인 함수입니다.
안테나의 메인 로브 지향성과 편파는 입사파에서 수집되는 전력량에 직접적인 영향을 미칩니다. 안테나 방사 특성은 주변 RFEH와 WPT를 구별하는 주요 매개변수입니다(그림 5). 두 응용 분야 모두에서 전파 매체를 알 수 없고 수신파에 미치는 영향을 고려해야 하지만 송신 안테나에 대한 지식을 활용할 수 있습니다. 표 3은 이 섹션에서 논의된 주요 매개변수와 RFEH 및 WPT에 대한 적용 가능성을 식별합니다.
그림 5
1. 지향성과 이득
대부분의 RFEH 및 WPT 애플리케이션에서는 컬렉터가 입사 방사선의 방향을 모르고 LoS(가시선) 경로가 없다고 가정합니다. 이 연구에서는 송신기와 수신기 사이의 메인 로브 정렬에 관계없이 알려지지 않은 소스로부터 수신 전력을 최대화하기 위해 다중 안테나 설계 및 배치를 조사했습니다.
전방향 안테나는 환경 RFEH 렉테나에 널리 사용되었습니다. 문헌에서는 PSD가 안테나 방향에 따라 달라집니다. 그러나 전력의 변화에 대한 설명이 없어 그 변화가 안테나의 방사 패턴에 의한 것인지, 편파 불일치에 의한 것인지는 판단할 수 없다.
RFEH 애플리케이션 외에도 낮은 RF 전력 밀도의 수집 효율을 향상하거나 전파 손실을 극복하기 위해 마이크로파 WPT에 대해 고이득 지향성 안테나 및 어레이가 널리 보고되었습니다. Yagi-Uda 렉테나 어레이, 나비타이 어레이, 나선형 어레이, 긴밀하게 결합된 Vivaldi 어레이, CPW CP 어레이 및 패치 어레이는 특정 영역에서 입사 전력 밀도를 최대화할 수 있는 확장 가능한 렉테나 구현 중 하나입니다. 안테나 이득을 향상시키는 다른 접근 방식으로는 WPT에 특정한 마이크로파 및 밀리미터파 대역의 SIW(기판 통합 도파관) 기술이 있습니다. 그러나 고이득 렉테나는 빔폭이 좁은 것이 특징이므로 임의 방향의 파동 수신이 비효율적입니다. 안테나 요소 및 포트 수에 대한 조사에서는 3차원 임의 입사를 가정할 때 더 높은 지향성이 주변 RFEH에서 더 높은 수확 전력과 일치하지 않는다는 결론을 내렸습니다. 이는 도시 환경의 현장 측정을 통해 확인되었습니다. 고이득 어레이는 WPT 애플리케이션으로 제한될 수 있습니다.
고이득 안테나의 이점을 임의의 RFEH로 전달하기 위해 패키징 또는 레이아웃 솔루션을 활용하여 지향성 문제를 극복합니다. 주변 Wi-Fi RFEH에서 두 방향으로 에너지를 수확하기 위해 듀얼 패치 안테나 손목 밴드가 제안되었습니다. 주변 셀룰러 RFEH 안테나도 3D 상자로 설계되어 외부 표면에 인쇄되거나 부착되어 시스템 면적을 줄이고 다방향 수확이 가능합니다. 큐빅 렉테나 구조는 주변 RFEH에서 에너지 수신 확률이 더 높습니다.
2.4GHz, 4×1 어레이에서 WPT를 개선하기 위해 보조 기생 패치 요소를 포함하여 빔폭을 늘리기 위한 안테나 설계 개선이 이루어졌습니다. 다중 빔 영역을 갖춘 6GHz 메시 안테나도 제안되어 포트당 다중 빔을 시연했습니다. 다중 방향 및 다중 편파 RFEH를 위해 전방향 방사 패턴을 갖춘 다중 포트, 다중 정류기 표면 렉테나 및 에너지 수확 안테나가 제안되었습니다. 빔포밍 매트릭스와 다중 포트 안테나 어레이를 갖춘 다중 정류기도 고이득, 다방향 에너지 수확을 위해 제안되었습니다.
요약하자면, 낮은 RF 밀도에서 수확된 전력을 향상시키기 위해서는 고이득 안테나가 선호되지만, 송신기 방향을 알 수 없는 애플리케이션(예: 알 수 없는 전파 채널을 통한 주변 RFEH 또는 WPT)에는 방향성이 높은 수신기가 적합하지 않을 수 있습니다. 본 연구에서는 다방향 고이득 WPT 및 RFEH를 위해 다중 다중 빔 접근 방식을 제안합니다.
2. 안테나 편파
안테나 편파는 안테나 전파 방향에 대한 전기장 벡터의 움직임을 나타냅니다. 편파 불일치로 인해 메인 로브 방향이 정렬된 경우에도 안테나 간의 전송/수신이 줄어들 수 있습니다. 예를 들어 수직 LP 안테나를 송신용으로 사용하고 수평 LP 안테나를 수신용으로 사용하면 전력이 수신되지 않습니다. 이 섹션에서는 무선 수신 효율을 최대화하고 편파 불일치 손실을 방지하기 위해 보고된 방법을 검토합니다. 편파와 관련하여 제안된 렉테나 아키텍처의 요약은 그림 6에 제공되며 예시 SoA는 표 4에 제공됩니다.
그림 6
셀룰러 통신에서는 기지국과 휴대폰 간의 선형 편파 정렬이 달성될 가능성이 낮으므로 기지국 안테나는 편파 불일치 손실을 방지하기 위해 이중 편파 또는 다중 편파로 설계됩니다. 그러나 다중 경로 효과로 인한 LP파의 편파 변화는 아직 해결되지 않은 문제로 남아 있습니다. 다중 편파 이동 기지국을 가정하여 셀룰러 RFEH 안테나는 LP 안테나로 설계되었습니다.
CP 렉테나는 상대적으로 불일치에 강하기 때문에 WPT에서 주로 사용됩니다. CP 안테나는 전력 손실 없이 모든 LP파 외에 동일한 회전 방향(왼쪽 또는 오른쪽 CP)으로 CP 방사선을 수신할 수 있습니다. 어떤 경우에도 CP 안테나는 3dB 손실(50% 전력 손실)로 전송하고 LP 안테나는 수신합니다. CP 렉테나는 900MHz, 2.4GHz, 5.8GHz 산업, 과학, 의료 대역은 물론 밀리미터파에도 적합한 것으로 보고되었습니다. 임의 편파의 RFEH에서 편파 다양성은 편파 불일치 손실에 대한 잠재적인 솔루션을 나타냅니다.
다중 편파라고도 알려진 완전 편파는 편파 불일치 손실을 완전히 극복하기 위해 제안되었으며, 두 개의 이중 편파 직교 LP 요소가 모든 LP 및 CP 파를 효과적으로 수신하는 CP 및 LP 파 수집을 가능하게 합니다. 이를 설명하기 위해 수직 및 수평 순 전압(VV 및 VH)은 분극 각도에 관계없이 일정하게 유지됩니다.
CP 전자기파 "E" 전기장은 전력이 두 번(단위당 한 번) 수집되어 CP 구성 요소를 완전히 수신하고 3dB 극성 불일치 손실을 극복합니다.
마지막으로 DC 결합을 통해 임의의 편파의 입사파를 수신할 수 있습니다. 그림 7은 보고된 완전 편광 렉테나의 기하학적 구조를 보여줍니다.
그림 7
요약하면, 전용 전원 공급 장치를 사용하는 WPT 애플리케이션에서는 CP가 안테나의 편파 각도에 관계없이 WPT 효율성을 향상시키기 때문에 선호됩니다. 반면, 다중 소스 획득, 특히 주변 소스로부터의 완전 편파 안테나는 더 나은 전체 수신 및 최대 휴대성을 달성할 수 있습니다. RF 또는 DC에서 완전 극성 전력을 결합하려면 다중 포트/다중 정류기 아키텍처가 필요합니다.
요약
본 논문에서는 RFEH와 WPT에 대한 안테나 설계의 최근 진행 상황을 검토하고, 이전 문헌에서 제안되지 않은 RFEH와 WPT에 대한 안테나 설계의 표준 분류를 제안합니다. 높은 RF-DC 효율성을 달성하기 위한 세 가지 기본 안테나 요구 사항은 다음과 같습니다.
1. 관심 있는 RFEH 및 WPT 대역에 대한 안테나 정류기 임피던스 대역폭
2. 전용 피드에서 WPT의 송신기와 수신기 간의 메인 로브 정렬;
3. 각도와 위치에 관계없이 렉테나와 입사파 사이의 편파 정합.
렉테나는 임피던스에 따라 50Ω과 정류기 공액 렉테나로 분류되는데, 서로 다른 대역과 부하 간의 임피던스 정합과 각 정합 방식의 효율성에 중점을 두고 있다.
SoA 렉테나의 방사 특성은 지향성과 편광의 관점에서 검토되었습니다. 좁은 빔폭을 극복하기 위해 빔형성 및 패키징을 통해 이득을 향상시키는 방법이 논의됩니다. 마지막으로 WPT 및 RFEH에 대한 편파 독립적 수신을 달성하기 위한 다양한 구현과 함께 WPT용 CP 렉테나를 검토합니다.
안테나에 대해 자세히 알아보려면 다음을 방문하세요.
게시 시간: 2024년 8월 16일
