ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2021. № 2
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.2.5
УДК 621.314.6, 621.396.67
Планарные антенные решетки со спиралевидными элементами для терагерцовой ректенны
К. Т. Ч. Ву, Г. М. Казарян, В. Л. Саввин
Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, физический факультет,
119991, Москва, Ленинские Горы, МГУ
Статья поступила в редакцию 8 февраля 2021 г.
Аннотация. Использование ректенн является перспективным методом преобразования в электрический ток излучения терагерцового и более высокочастотных диапазонов. При использовании в составе терагерцовой ректенны одиночной антенны получаемый от неё сигнал в практических условиях может быть слишком мал для нормальной работы выпрямителя, особенно если ректенна используется в качестве элемента питания. Поэтому задача увеличения напряжения на выпрямителе ректенны обладает актуальностью. Эту задачу можно решать применением антенных решёток. С увеличением рабочей частоты становится существенной конечная проводимость металлов, что делает осмысленным рассмотрение антенных решёток с минимальным расстоянием между отдельными антеннами. Такое расположение приводит к появлению между ними сильной взаимной связи, что делает аналитическое исследование такой структуры очень сложным. В работе рассматривается вариант построения планарной антенной решётки с близко расположенными спиралевидными элементами, и её характеристики определяются с помощью компьютерного моделирования. Максимальная абсолютная величина напряжённости электрического поля была рассчитана в выходном зазоре антенны для каждой решётки в случае нормального падения циркулярно поляризованной плоской электромагнитной волны. Приведены полученные значения рабочих частот и ширины полос рабочих частот для построенных решёток, а также значение коэффициента отражения в центре рабочей полосы частот. Параметры модели оптимизируются с целью сохранения значения рабочей частоты при увеличении числа антенных элементов. Показывается возможность увеличения напряжения на выходе решётки пропорционально количеству антенных элементов.
Ключевые слова: электромагнитные волны, терагерцовый диапазон, ректенны, сильная связь, численное моделирование.
Abstract. Implementation of rectennas is a prospective method for electromagnetic radiation to DC conversion in terahertz band and bands of higher frequencies. A signal obtained from a single antenna in practical conditions may not be enough to drive rectenna’s rectifier. That problem is most likely to occur if the rectenna is used as a power source. Therefore the problem of increasing voltage over rectenna’s rectifier is important. One can try to address this problem with the use of antenna arrays. As the operating frequency increases the finite conductance of metals becomes a significant limiting factor. This makes considering minimally spaced arrays a worthwhile task. Such spacing results in tight coupling between elements of the array. As a consequence an analytical study of such structure is very hard. The paper examines the option of planar antenna array’s design with closely spaced helical elements. The array’s characteristics are determined using computer simulation. The maximum absolute value of the electric field strength was calculated at the antenna output gap for each array in the case of a normal incidence of a circularly polarized plane electromagnetic wave. The obtained values of the operating frequencies and the width of the operating frequency bands for the designed arrays are presented, as well as the values of the reflection coefficient in the center of the operating frequency band. The array parameters are optimized to maintain the operating frequency while increasing the number of antenna elements. The possibility of increasing the voltage at the array’s output in proportion to the number of antenna elements is demonstrated.
Key words: electromagnetic waves, terahertz radiation, rectenna, tight couplig, numerical model.
Литература
1. Sun Q., He Y., Liu K., Fan S., Parrott E.P.J., Pickwell-MacPherson E. Recent advances in terahertz technology for biomedical applications. Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 2017. Vol.7 No.3. P.345–355. Available at: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5537133/. https://doi.org/10.21037/qims.2017.06.02
2. Гибин И.С., Котляр П.Е. Приемники излучения терагерцового диапазона (обзор). Успехи прикладной физики. 2018. Т.6. №2. C.117-129.
3. Wang Y., Zhao Z., Chen Z., Wang L. Characterization of Golay detector for the absolute power measurement of terahertz radiation. 37th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 23-28 September 2012. P.1-2. DOI: https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2012.6380076
4. Brown W.C. The History of Power Transmission by Radio Waves. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1984. Vol.32. No.9. P.1230-1242. https://doi.org/10.1109/TMTT.1984.1132833
5. McSpadden J.O., Fan L., Kai C. Design and Experiments of a High-Conversion-Efficiency 5.8-GHz Rectenna. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1998. Vol.46. No.12. P.2053-2060. https://doi.org/10.1109/22.739282
6. Glaser P.E. Power from the Sun. Science. 1968. No.162. P.857-886. https://10.1126/science.162.3856.857
7. Matsumoto H. Microwave Power Transmission from Space and Related Nonlinear Plasma Effects. The Radio Science Bulletin. 1995. No.273. P.11-35. https://doi.org/10.1109/MMW.2002.1145674
8. Schlesak J.J., Alden A., Ohno T. A microwave powered high altitude platform. IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. 25-27 May 1988. P.283-286. https://doi.org/10.1109/MWSYM.1988.22031
9. Matsumoto H. Research on solar power satellites and microwave power transmission in Japan. IEEE Microwave Magazine. 2002. Vol.3. No.4. P.36-45. https://doi.org/10.1109/MMW.2002.1145674
10. Celeste A., Jeanty P., Pignolet G. Case study in Reunion Island. Acta Astronautica. 2004. Vol.54. P.253-258.1. https://doi.org/10.1016/S0094-5765(02)00302-8
11. Bailey R.L. A proposed new concept for a solar-energy converter. J. Eng. Power. 1972. Vol.94. No.2. P.73–77. https://doi.org/10.1115/1.3445660
12. Moddel G., Grover S. Rectenna Solar Cells. 2013. New York,Springer. 399 p.
13. Kazemi H., Shinohara, K., Nagy G. Ha W., Lail B., Grossman E., Zummo G., Folks W., Alda J., Boreman G. First THz and IR characterization of nanometer-scaled antenna-coupled InGaAs/InP Schottky-diode detectors for room temperature infrared imaging. Defense and Security Symposium. 9-13 April 2007. Vol.6542. https://doi.org/10.1117/12.718887
14. Zhu Z., Joshi S., Moddel G. High Performance Room Temperature Rectenna. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2014. No.6. Vol.20. P.70-78. https://doi.org/10.1109/JSTQE.2014.2318276
15. Fedorov G., Gayduchenko I., Titova N., Gazaliev A., Moskotin M., Kaurova N., Voronov B., Goltsman G. Carbon Nanotube Based Schottky Diodes as Uncooled Terahertz Radiation Detectors. Physica Status Solidi B – Basic Solid State Physics. 2017. Vol.255. No.1. P.1700227. https://doi.org/10.1002/pssb.201700227
16. Joshi S., Moddel G. Optical rectenna operation: where Maxwell meets Einstein. Journal of Physics D: Applied Physics. 2016. Vol.49. No.26. P.265602. https://doi.org/10.1088/0022-3727/49/26/265602
17. Donchev E., Pang, J., Gammon P., Centeno A., Xie F., Petrov P., Breeze J.D., Ryan M.P., Riley D.J., Alford N. The rectenna device: From theory to practice (a review). MRS Energy & Sustainability. 2014. Vol.1. E1. https://doi.org/10.1557/mre.2014.6
18. Ву К.Т., Егоров Р.В., Саввин В.Л., Михеев Д.А. Изучение электродинамических характеристик спиралеобразной микроволновой ректенны. Ученые записки физического факультета Московского Университета. 2014. Т.144301. №4. С.144301–1–144301–3.
19. Ву К.Т., Егоров Р.В., Саввин В.Л., Михеев Д.А. Модель решётки спиралеобразных ректенн, обладающих круговой диаграммой направленности. Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2015. Т.79. №12. С.1687–1690.
20. Ву К.Т., Казарян Г.М., Саввин В.Л. Процессы при преобразовании терагерцового излучения в электрический ток. Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2019. Т.83. №1. С.46–49. https://doi.org/10.1134/S0367676519010265
21. Gedney S.D. Introduction to the Finite-Difference Time Domain Method for Electromagnetics. Synthesis Lectures on Computational Electromagnetics. 2011. Vol.6. No.1. P.1-250. https://doi.org/10.2200/S00316ED1V01Y201012CEM027
22. Yuan Y. Recent advances in trust region algorithms. Mathematical Programming. 2015. Vol.151. P.249-281. https://doi.org/10.1007/s10107-015-0893-2
Для цитирования:
Ву К.Т.Ч, Казарян Г.М., Саввин В.Л. Планарные антенные решетки со спиралевидными элементами для терагерцовой ректенны. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №2. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.2.5