1.შესავალი
რადიოსიხშირული (RF) ენერგიის აღება (RFEH) და რადიაციული უკაბელო ენერგიის გადაცემა (WPT) დიდი ინტერესი გამოიწვია, როგორც ბატარეისგან თავისუფალი მდგრადი უკაბელო ქსელების მიღწევის მეთოდები. Rectennas არის WPT და RFEH სისტემების ქვაკუთხედი და მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს დატვირთვაზე მიწოდებულ DC ენერგიაზე. რექტენის ანტენის ელემენტები პირდაპირ გავლენას ახდენენ მოსავლის ეფექტურობაზე, რამაც შეიძლება შეცვალოს მოსავლის სიმძლავრე რამდენიმე ბრძანებით. ეს ნაშრომი მიმოიხილავს ანტენის დიზაინებს, რომლებიც გამოიყენება WPT და ambient RFEH აპლიკაციებში. მოხსენებული რექტენები კლასიფიცირდება ორი ძირითადი კრიტერიუმის მიხედვით: ანტენის გამასწორებელი წინაღობის გამტარუნარიანობა და ანტენის გამოსხივების მახასიათებლები. თითოეული კრიტერიუმისთვის, დამსახურების მაჩვენებელი (FoM) სხვადასხვა განაცხადისთვის განისაზღვრება და შედარებით განიხილება.
WPT შემოგვთავაზა ტესლამ მე-20 საუკუნის დასაწყისში, როგორც ათასობით ცხენის ძალის გადაცემის მეთოდი. ტერმინი rectenna, რომელიც აღწერს ანტენას, რომელიც დაკავშირებულია გამომსწორებელთან RF სიმძლავრის მოსავლისთვის, გაჩნდა 1950-იან წლებში კოსმოსური მიკროტალღური ენერგიის გადაცემის აპლიკაციებისთვის და ავტონომიური თვითმფრინავების დასამუშავებლად. Omnidirectional, შორ მანძილზე WPT შეზღუდულია გამრავლების საშუალების (ჰაერის) ფიზიკური თვისებებით. ამიტომ, კომერციული WPT ძირითადად შემოიფარგლება ახლო ველის არარადიაციული ენერგიის გადაცემით უსადენო სამომხმარებლო ელექტრონიკის დამუხტვისთვის ან RFID.
იმის გამო, რომ ნახევარგამტარული მოწყობილობებისა და უკაბელო სენსორული კვანძების ენერგიის მოხმარება მცირდება, უფრო მიზანშეწონილი ხდება სენსორული კვანძების ენერგიის მოხმარება გარემო RFEH-ის გამოყენებით ან დაბალი სიმძლავრის განაწილებული ყოვლისმომცველი გადამცემების გამოყენებით. ულტრა დაბალი სიმძლავრის უკაბელო ენერგიის სისტემები, როგორც წესი, შედგება RF შეძენის წინა ნაწილისგან, DC ენერგიისა და მეხსიერების მენეჯმენტისგან, და დაბალი სიმძლავრის მიკროპროცესორისგან და გადამცემისგან.
ნახაზი 1 გვიჩვენებს RFEH უკაბელო კვანძის არქიტექტურას და RF წინა ნაწილის დანერგვას. უსადენო ენერგოსისტემის საბოლოო ეფექტურობა და სინქრონიზებული უკაბელო ინფორმაციისა და ენერგიის გადაცემის ქსელის არქიტექტურა დამოკიდებულია ცალკეული კომპონენტების მუშაობაზე, როგორიცაა ანტენები, გამსწორებლები და ენერგიის მართვის სქემები. ჩატარდა რამდენიმე ლიტერატურული კვლევა სისტემის სხვადასხვა ნაწილზე. ცხრილი 1 აჯამებს სიმძლავრის კონვერტაციის ეტაპს, ენერგიის ეფექტური კონვერტაციის ძირითად კომპონენტებს და შესაბამისი ლიტერატურის გამოკითხვებს თითოეული ნაწილისთვის. უახლესი ლიტერატურა ფოკუსირებულია სიმძლავრის კონვერტაციის ტექნოლოგიაზე, გამომსწორებლის ტოპოლოგიებზე ან ქსელის ინფორმირებულ RFEH-ზე.
სურათი 1
თუმცა, ანტენის დიზაინი არ განიხილება, როგორც კრიტიკული კომპონენტი RFEH-ში. მიუხედავად იმისა, რომ ზოგიერთი ლიტერატურა განიხილავს ანტენის გამტარობას და ეფექტურობას საერთო პერსპექტივიდან ან ანტენის დიზაინის კონკრეტული პერსპექტივიდან, როგორიცაა მინიატურული ან ტარებადი ანტენები, ანტენის გარკვეული პარამეტრების გავლენა დენის მიღებასა და კონვერტაციის ეფექტურობაზე დეტალურად არ არის გაანალიზებული.
ეს ნაშრომი მიმოიხილავს ანტენის დიზაინის ტექნიკას რექტენებში, რათა განასხვავოს RFEH და WPT სპეციფიკური ანტენის დიზაინის გამოწვევები სტანდარტული საკომუნიკაციო ანტენის დიზაინისგან. ანტენები შედარებულია ორი პერსპექტივიდან: წინაღობის შესატყვისი და გამოსხივების მახასიათებლები; თითოეულ შემთხვევაში, FoM იდენტიფიცირებულია და განიხილება უახლესი (SoA) ანტენებით.
2. გამტარუნარიანობა და შესატყვისი: არა-50Ω RF ქსელები
50Ω-ის დამახასიათებელი წინაღობა არის მიკროტალღური ინჟინერიის აპლიკაციებში შესუსტებასა და სიმძლავრის კომპრომისის ადრეული განხილვა. ანტენებში წინაღობის გამტარუნარიანობა განისაზღვრება, როგორც სიხშირის დიაპაზონი, სადაც ასახული სიმძლავრე 10%-ზე ნაკლებია (S11< - 10 dB). იმის გამო, რომ დაბალი ხმაურის გამაძლიერებლები (LNAs), დენის გამაძლიერებლები და დეტექტორები, როგორც წესი, შექმნილია 50Ω შეყვანის წინაღობის შესატყვისით, 50Ω წყაროს ტრადიციულად მიმართავენ.
რექტენაში, ანტენის გამომავალი პირდაპირ მიეწოდება გამსწორებელს, ხოლო დიოდის არაწრფივიობა იწვევს შეყვანის წინაღობის დიდ ცვალებადობას, დომინირებს ტევადობის კომპონენტს. 50Ω ანტენის დაშვებით, მთავარი გამოწვევაა დამატებითი RF შესატყვისი ქსელის შემუშავება, რათა შეყვანის წინაღობა გარდაქმნას გამომსწორებლის წინაღობამდე ინტერესის სიხშირეზე და ოპტიმიზაცია მოახდინოს სიმძლავრის სპეციფიკურ დონეზე. ამ შემთხვევაში, ბოლოდან ბოლომდე წინაღობის გამტარუნარიანობაა საჭირო იმისათვის, რომ უზრუნველყოს ეფექტური RF-ში DC კონვერტაცია. ამიტომ, მიუხედავად იმისა, რომ ანტენებს შეუძლიათ მიაღწიონ თეორიულად უსასრულო ან ულტრა ფართო გამტარუნარიანობას პერიოდული ელემენტების ან თვითშემავსებელი გეომეტრიის გამოყენებით, სწორი ზოლის გამტარუნარიანობა შეიზღუდება გამსწორებლის შესატყვისი ქსელით.
შემოთავაზებულია რამდენიმე სწორკუთხა ტოპოლოგია, რათა მიაღწიოს ერთსაფეხურიან და მრავალზოლიან მოსავალს ან WPT ანარეკლების მინიმიზაციისა და ენერგიის გადაცემის მაქსიმალური გაზრდის გზით ანტენასა და გამსწორებელს შორის. სურათი 2 გვიჩვენებს მოხსენებული სწორკუთხა ტოპოლოგიების სტრუქტურებს, კატეგორიზებული მათი წინაღობის შესატყვისი არქიტექტურის მიხედვით. ცხრილი 2 გვიჩვენებს მაღალი ხარისხის რექტენების მაგალითებს ბოლოდან ბოლომდე გამტარუნარიანობის მიმართ (ამ შემთხვევაში, FoM) თითოეული კატეგორიისთვის.
სურათი 2 Rectenna ტოპოლოგიები გამტარუნარიანობის და წინაღობის შესატყვისის პერსპექტივიდან. (ა) ერთზოლიანი რექტანა სტანდარტული ანტენით. (ბ) მრავალზოლიანი სწორკუთხა (შედგება მრავალი ურთიერთდაკავშირებული ანტენისგან) ერთი გამსწორებელი და შესაბამისი ქსელი თითო ზოლზე. (c) ფართოზოლოვანი რექტანა მრავალი RF პორტით და ცალკე შესატყვისი ქსელებით თითოეული ზოლისთვის. (დ) ფართოზოლოვანი სწორი ქსელი ფართოზოლოვანი ანტენით და ფართოზოლოვანი შესატყვისი ქსელით. (ე) ერთზოლიანი სწორკუთხა ელექტრული პატარა ანტენის გამოყენებით, რომელიც პირდაპირ ემთხვევა გამსწორებელს. (ვ) ერთზოლიანი, ელექტრულად დიდი ანტენა რთული წინაღობის მქონე გამომსწორებელთან შესაერთებლად. (ზ) ფართოზოლოვანი სწორი ძგიდე რთული წინაღობის მქონე გამსწორებელთან კონიუგატირებისთვის სიხშირეების დიაპაზონში.
მიუხედავად იმისა, რომ WPT და ambient RFEH სპეციალური არხიდან არის სხვადასხვა რექტენის აპლიკაციები, ანტენის, გამომსწორებელსა და დატვირთვას შორის ბოლოდან ბოლომდე შესატყვისის მიღწევა ფუნდამენტურია მაღალი სიმძლავრის კონვერტაციის ეფექტურობის (PCE) მისაღწევად გამტარუნარიანობის პერსპექტივიდან. მიუხედავად ამისა, WPT rectennas უფრო მეტად ფოკუსირებულია უფრო მაღალი ხარისხის ფაქტორების შესატყვისობაზე (დაბალი S11), რათა გააუმჯობესოს ერთზოლიანი PCE გარკვეულ სიმძლავრის დონეზე (ტოპოლოგია a, e და f). ერთზოლიანი WPT-ის ფართო გამტარობა აუმჯობესებს სისტემის იმუნიტეტს დეტუნინგის, წარმოების დეფექტების და შეფუთვის პარაზიტების მიმართ. მეორეს მხრივ, RFEH rectennas პრიორიტეტულად ანიჭებს მრავალზოლოვან ოპერაციას და მიეკუთვნება bd და g ტოპოლოგიებს, რადგან ერთი ზოლის სიმძლავრის სპექტრული სიმკვრივე (PSD) ზოგადად უფრო დაბალია.
3. მართკუთხა ანტენის დიზაინი
1. ერთსიხშირიანი რექტენა
ერთსიხშირიანი სწორკუთხა ანტენის დიზაინი (ტოპოლოგია A) ძირითადად დაფუძნებულია ანტენის სტანდარტულ დიზაინზე, როგორიცაა წრფივი პოლარიზაცია (LP) ან წრიული პოლარიზაცია (CP) რადიაციული პაჩი მიწის სიბრტყეზე, დიპოლური ანტენა და ინვერსიული F ანტენა. დიფერენციალური ზოლის რექტენა ეფუძნება DC კომბინირებულ მასივს, რომელიც არის კონფიგურირებული მრავალი ანტენის ერთეულით ან შერეული DC და RF კომბინაციით მრავალჯერადი პატჩი ერთეულით.
ვინაიდან ბევრი შემოთავაზებული ანტენა არის ერთსიხშირიანი ანტენა და აკმაყოფილებს ერთსიხშირიანი WPT-ის მოთხოვნებს, გარემოსდაცვითი მრავალსიხშირიანი RFEH-ის ძიებისას, მრავალი ერთსიხშირიანი ანტენა გაერთიანებულია მრავალზოლიან სწორ ტენებად (ტოპოლოგია B) ურთიერთდაწყვილების ჩახშობით და დამოუკიდებელი DC კომბინაცია ენერგიის მართვის მიკროსქემის შემდეგ მათი სრული იზოლირებისთვის RF შეძენისა და კონვერტაციის წრედიდან. ეს მოითხოვს ენერგიის მენეჯმენტის მრავალ წრეს თითოეული ზოლისთვის, რამაც შეიძლება შეამციროს გამაძლიერებელი გადამყვანის ეფექტურობა, რადგან ერთი ზოლის DC სიმძლავრე დაბალია.
2. მრავალზოლიანი და ფართოზოლოვანი RFEH ანტენები
გარემოსდაცვითი RFEH ხშირად ასოცირდება მრავალ ზოლის შეძენასთან; ამიტომ, შემოთავაზებულია სხვადასხვა ტექნიკა სტანდარტული ანტენის დიზაინის გამტარუნარიანობის გასაუმჯობესებლად და ორზოლიანი ან ზოლიანი ანტენის მასივების ფორმირებისთვის. ამ განყოფილებაში განვიხილავთ RFEH-ებისთვის მორგებული ანტენის დიზაინს, ისევე როგორც კლასიკურ მრავალზოლიან ანტენებს, რომელთა პოტენციალი შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც სწორხაზოვანი.
Coplanar waveguide (CPW) მონოპოლური ანტენები იკავებს ნაკლებ ფართობს, ვიდრე microstrip patch ანტენები იმავე სიხშირეზე და წარმოქმნის LP ან CP ტალღებს და ხშირად გამოიყენება ფართოზოლოვანი გარემოს რექტენებისთვის. არეკვლის სიბრტყეები გამოიყენება იზოლაციის გასაზრდელად და გაზრდის გასაუმჯობესებლად, რის შედეგადაც ჩნდება რადიაციული შაბლონები, როგორც პაჩი ანტენები. სლოტიანი თანაპლენარული ტალღის გამტარი ანტენები გამოიყენება წინაღობის გამტარუნარიანობის გასაუმჯობესებლად მრავალი სიხშირის დიაპაზონისთვის, როგორიცაა 1,8–2,7 გჰც ან 1–3 გჰც. დაწყვილებული კვების სლოტ ანტენები და პაჩი ანტენები ასევე ხშირად გამოიყენება მრავალზოლიანი რექტენის დიზაინში. სურათი 3 გვიჩვენებს რამდენიმე მოხსენებულ მრავალზოლიან ანტენას, რომელიც იყენებს ერთზე მეტ სიჩქარის გაუმჯობესების ტექნიკას.
სურათი 3
ანტენა-რექტიფიკატორის წინაღობის შესატყვისი
50Ω ანტენის დამთხვევა არაწრფივ გამომსწორებელთან რთულია, რადგან მისი შეყვანის წინაღობა მნიშვნელოვნად განსხვავდება სიხშირის მიხედვით. A და B ტოპოლოგიებში (სურათი 2), საერთო შესატყვისი ქსელი არის LC შესატყვისი ერთიან ელემენტების გამოყენებით; თუმცა, ფარდობითი გამტარობა ჩვეულებრივ უფრო დაბალია, ვიდრე საკომუნიკაციო დიაპაზონების უმეტესობა. ერთსაფეხურიანი ნაკერების შესატყვისი ჩვეულებრივ გამოიყენება მიკროტალღური და მილიმეტრიანი ტალღების დიაპაზონებში 6 გჰც-ზე დაბლა, ხოლო მილიმეტრიანი ტალღის სწორხაზოვან ზოლებს აქვთ თანდაყოლილი ვიწრო გამტარობა, რადგან მათი PCE გამტარუნარიანობა შეფერხებულია გამომავალი ჰარმონიული ჩახშობის გამო, რაც მათ განსაკუთრებით შესაფერისს ხდის ერთჯერადი გამოყენებისთვის. band WPT აპლიკაციები 24 GHz არალიცენზირებულ დიაპაზონში.
C და D ტოპოლოგიების რექტენებს უფრო რთული შესატყვისი ქსელები აქვთ. სრულად განაწილებული ხაზის შესატყვისი ქსელები შემოთავაზებულია ფართოზოლოვანი შესატყვისისთვის, RF ბლოკით/DC მოკლე ჩართვით (გამშვები ფილტრით) გამომავალ პორტზე ან DC ბლოკირების კონდენსატორით, როგორც დიოდური ჰარმონიკის დაბრუნების გზაზე. მაკორექტირებელი კომპონენტები შეიძლება შეიცვალოს ბეჭდური მიკროსქემის (PCB) ინტერციფრული კონდენსატორებით, რომლებიც სინთეზირებულია კომერციული ელექტრონული დიზაინის ავტომატიზაციის ხელსაწყოების გამოყენებით. სხვა მოხსენებული ფართოზოლოვანი სწორხაზოვანი შესატყვისი ქსელები აერთიანებს ერთჯერად ელემენტებს ქვედა სიხშირეებთან შესატყვისად და განაწილებულ ელემენტებს შესასვლელში RF შორტის შესაქმნელად.
წყაროს მეშვეობით დატვირთვით დაკვირვებული შეყვანის წინაღობის ცვალებადობა (ცნობილი, როგორც წყაროს გაყვანის ტექნიკა) გამოყენებული იქნა ფართოზოლოვანი რექტიფიკატორის შესაქმნელად 57% ფარდობითი გამტარობით (1.25–2.25 გჰც) და 10% უფრო მაღალი PCE შერეულ ან განაწილებულ სქემებთან შედარებით. . მიუხედავად იმისა, რომ შესატყვისი ქსელები, როგორც წესი, შექმნილია ანტენების შესატყვისად მთელ 50Ω სიჩქარეზე, ლიტერატურაში არის ცნობები, სადაც ფართოზოლოვანი ანტენები დაკავშირებულია ვიწროზოლიანი გამსწორებლებთან.
ჰიბრიდული და განაწილებული ელემენტების შესატყვისი ქსელები ფართოდ გამოიყენებოდა C და D ტოპოლოგიებში, სერიის ინდუქტორები და კონდენსატორები ყველაზე ხშირად გამოყენებული ერთჯერადი ელემენტებია. ეს თავიდან აიცილებს კომპლექსურ სტრუქტურებს, როგორიცაა ინტერციფრული კონდენსატორები, რომლებიც საჭიროებენ უფრო ზუსტ მოდელირებას და დამზადებას, ვიდრე სტანდარტული მიკროზოლები.
გამოსასწორებელზე შემავალი სიმძლავრე გავლენას ახდენს შეყვანის წინაღობაზე დიოდის არაწრფივობის გამო. ამიტომ, რექტენა შექმნილია იმისთვის, რომ მაქსიმალურად გაზარდოს PCE კონკრეტული შეყვანის სიმძლავრის დონისა და დატვირთვის წინაღობისთვის. ვინაიდან დიოდებს ძირითადად აქვთ ტევადობითი მაღალი წინაღობა 3 გჰც-ზე დაბალ სიხშირეებზე, ფართოზოლოვანი სწორი ზოლები, რომლებიც აღმოფხვრის შესატყვის ქსელებს ან ამცირებენ გამარტივებულ შესატყვის სქემებს, ფოკუსირებულია Prf>0 dBm და 1 გჰც-ზე ზევით სიხშირეებზე, ვინაიდან დიოდებს აქვთ დაბალი ტევადობის წინაღობა და შეიძლება კარგად შეესაბამებოდეს. ანტენამდე, რითაც თავიდან აიცილებთ ანტენების დიზაინს, რომელთა შეყვანის რეაქტიულობით >1000Ω.
ადაპტირებადი ან ხელახლა კონფიგურირებადი წინაღობის შესატყვისი ჩანს CMOS rectennas-ში, სადაც შესატყვისი ქსელი შედგება ჩიპზე არსებული კონდენსატორებისა და ინდუქტორებისგან. სტატიკური CMOS შესატყვისი ქსელები ასევე შემოთავაზებულია სტანდარტული 50Ω ანტენებისთვის, ისევე როგორც ერთობლივად შექმნილი მარყუჟის ანტენებისთვის. ცნობილია, რომ პასიური CMOS დენის დეტექტორები გამოიყენება გადამრთველების გასაკონტროლებლად, რომლებიც ანტენის გამომავალს მიმართავენ სხვადასხვა გამომსწორებელსა და შესატყვის ქსელებს, არსებული სიმძლავრის მიხედვით. შემოთავაზებულია ხელახლა კონფიგურირებადი შესატყვისი ქსელი ერთიან რეგულირებადი კონდენსატორების გამოყენებით, რომელიც მორგებულია დაზუსტებით, ხოლო შეყვანის წინაღობის გაზომვა ვექტორული ქსელის ანალიზატორის გამოყენებით. რეკონფიგურირებადი მიკროზოლის შესატყვის ქსელებში, ველის ეფექტის მქონე ტრანზისტორი კონცენტრატორები გამოიყენება შესატყვისი ნაკერების დასარეგულირებლად, რათა მიაღწიონ ორმაგი ზოლის მახასიათებლებს.
ანტენების შესახებ მეტი ინფორმაციისთვის ეწვიეთ:
გამოქვეყნების დრო: აგვისტო-09-2024
