1. შესავალი
რადიოსიხშირული (RF) ენერგიის შეგროვება (RFEH) და გამოსხივებითი უკაბელო სიმძლავრის გადაცემა (WPT) დიდი ინტერესის საგანია, როგორც ელემენტების გარეშე მდგრადი უკაბელო ქსელების მიღწევის მეთოდები. რეკტენები WPT და RFEH სისტემების ქვაკუთხედია და მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს დატვირთვაზე მიწოდებულ მუდმივი სიმძლავრეზე. რეკტენას ანტენის ელემენტები პირდაპირ გავლენას ახდენენ შეგროვების ეფექტურობაზე, რამაც შეიძლება შეგროვებული სიმძლავრე რამდენიმე რიგით შეცვალოს. ეს ნაშრომი განიხილავს WPT და გარემოს RFEH აპლიკაციებში გამოყენებულ ანტენების დიზაინებს. წარმოდგენილი რეკტენები კლასიფიცირდება ორი ძირითადი კრიტერიუმის მიხედვით: ანტენის გასწორების წინაღობის გამტარობა და ანტენის გამოსხივების მახასიათებლები. თითოეული კრიტერიუმისთვის, სხვადასხვა აპლიკაციებისთვის დამსახურების მაჩვენებელი (FoM) განისაზღვრება და შედარებით განიხილება.
WPT მე-20 საუკუნის დასაწყისში ტესლამ შემოგვთავაზა, როგორც ათასობით ცხენის ძალის გადაცემის მეთოდი. ტერმინი „rectenna“, რომელიც აღწერს ანტენას, რომელიც დაკავშირებულია გამასწორებელთან რადიოსიხშირული სიმძლავრის მისაღებად, 1950-იან წლებში გაჩნდა კოსმოსური მიკროტალღური სიმძლავრის გადაცემის აპლიკაციებისა და ავტონომიური დრონების კვებისათვის. ყოვლისმიმართულებითი, შორ მანძილზე WPT შეზღუდულია გამრავლების საშუალების (ჰაერის) ფიზიკური თვისებებით. ამიტომ, კომერციული WPT ძირითადად შემოიფარგლება ახლო ველის არაგამოსხივებითი სიმძლავრის გადაცემით უსადენო სამომხმარებლო ელექტრონიკის დამუხტვისთვის ან RFID-ისთვის.
ნახევარგამტარული მოწყობილობებისა და უკაბელო სენსორული კვანძების ენერგომოხმარების შემცირებასთან ერთად, უფრო მიზანშეწონილი ხდება სენსორული კვანძების ენერგომომარაგება გარემოს RFEH-ის ან განაწილებული დაბალი სიმძლავრის ყოვლისმიმართულებიანი გადამცემების გამოყენებით. ულტრა დაბალი სიმძლავრის უკაბელო ენერგოსისტემები, როგორც წესი, შედგება RF შეგროვების წინა ნაწილისგან, DC სიმძლავრისა და მეხსიერების მართვისგან, ასევე დაბალი სიმძლავრის მიკროპროცესორისა და გადამცემ-მიმღებისგან.
სურათი 1 გვიჩვენებს RFEH უკაბელო კვანძის არქიტექტურას და ხშირად გავრცელებულ RF წინა ხაზზე განხორციელებებს. უკაბელო ენერგოსისტემის სრული ეფექტურობა და სინქრონიზებული უკაბელო ინფორმაციისა და სიმძლავრის გადაცემის ქსელის არქიტექტურა დამოკიდებულია ცალკეული კომპონენტების, როგორიცაა ანტენები, გამასწორებლები და სიმძლავრის მართვის სქემები, მუშაობაზე. სისტემის სხვადასხვა ნაწილისთვის ჩატარდა რამდენიმე ლიტერატურული კვლევა. ცხრილი 1 აჯამებს სიმძლავრის გარდაქმნის ეტაპს, ეფექტური სიმძლავრის გარდაქმნის ძირითად კომპონენტებს და მასთან დაკავშირებულ ლიტერატურულ კვლევებს თითოეული ნაწილისთვის. ბოლოდროინდელი ლიტერატურა ფოკუსირებულია სიმძლავრის გარდაქმნის ტექნოლოგიაზე, გამასწორებლის ტოპოლოგიებზე ან ქსელზე ცნობიერების მქონე RFEH-ზე.
სურათი 1
თუმცა, ანტენის დიზაინი RFEH-ში კრიტიკულ კომპონენტად არ განიხილება. მიუხედავად იმისა, რომ ზოგიერთი ლიტერატურა ანტენის გამტარობას და ეფექტურობას განიხილავს ზოგადი პერსპექტივიდან ან კონკრეტული ანტენის დიზაინის პერსპექტივიდან, როგორიცაა მინიატურული ან ტარებადი ანტენები, გარკვეული ანტენის პარამეტრების გავლენა სიმძლავრის მიღებასა და გარდაქმნის ეფექტურობაზე დეტალურად არ არის გაანალიზებული.
ეს ნაშრომი განიხილავს ანტენების დიზაინის ტექნიკას რექტენებში, რათა განასხვავოს RFEH და WPT სპეციფიკური ანტენების დიზაინის გამოწვევები სტანდარტული საკომუნიკაციო ანტენების დიზაინისგან. ანტენები შედარებულია ორი პერსპექტივიდან: ბოლოდან ბოლომდე წინაღობის შესაბამისობა და გამოსხივების მახასიათებლები; თითოეულ შემთხვევაში, FoM იდენტიფიცირებულია და განიხილება თანამედროვე (SoA) ანტენებში.
2. გამტარუნარიანობა და შესაბამისობა: არა-50Ω რადიოსიხშირული ქსელები
50Ω დამახასიათებელი წინაღობა მიკროტალღური ინჟინერიის აპლიკაციებში შესუსტებასა და სიმძლავრეს შორის კომპრომისის ადრეული განხილვაა. ანტენებში წინაღობის გამტარობა განისაზღვრება, როგორც სიხშირის დიაპაზონი, სადაც არეკლილი სიმძლავრე 10%-ზე ნაკლებია (S11< − 10 dB). ვინაიდან დაბალი ხმაურის გამაძლიერებლები (LNA), სიმძლავრის გამაძლიერებლები და დეტექტორები, როგორც წესი, შექმნილია 50Ω შეყვანის წინაღობის შესატყვისით, ტრადიციულად 50Ω წყაროს მითითება ხდება.
რექტენაში ანტენის გამომავალი სიგნალი პირდაპირ მიეწოდება გასწორებელს და დიოდის არაწრფივობა იწვევს შემავალი წინაღობის დიდ ვარიაციას, სადაც ტევადობის კომპონენტი დომინირებს. 50Ω ანტენის შემთხვევაში, მთავარი გამოწვევაა დამატებითი რადიოსიხშირული შესაბამისობის ქსელის დაპროექტება, რათა შემავალი წინაღობა გარდაიქმნას გასწორების იმპედანსად საინტერესო სიხშირეზე და ოპტიმიზაცია გაუკეთოს მას კონკრეტული სიმძლავრის დონისთვის. ამ შემთხვევაში, რადიოსიხშირული დენის მუდმივ დენად ეფექტური გარდაქმნის უზრუნველსაყოფად საჭიროა ბოლოდან ბოლომდე იმპედანსის გამტარობა. ამიტომ, მიუხედავად იმისა, რომ ანტენებს შეუძლიათ თეორიულად უსასრულო ან ულტრაფართო გამტარობის მიღწევა პერიოდული ელემენტების ან თვითშევსებადი გეომეტრიის გამოყენებით, რექტენის გამტარობა შეზღუდული იქნება გასწორების შესაბამისობის ქსელის მიერ.
ერთზოლიანი და მრავალზოლიანი შეგროვების ანუ WPT-ის მისაღწევად შემოთავაზებულია რამდენიმე რექტენას ტოპოლოგია, რომელიც მინიმიზაციას უკეთებს ანტენასა და გასწორებელს შორის სიმძლავრის გადაცემის მაქსიმიზაციას და არეკვლის მინიმიზაციას. სურათი 2 გვიჩვენებს რექტენას ტოპოლოგიების სტრუქტურებს, რომლებიც კატეგორიზებულია მათი წინაღობის შესაბამისობის არქიტექტურის მიხედვით. ცხრილი 2 გვიჩვენებს მაღალი ხარისხის რექტენების მაგალითებს თითოეული კატეგორიისთვის ბოლომდე გამტარუნარიანობის (ამ შემთხვევაში, FoM) მიმართ.
სურათი 2. სწორი სიგნალის ტოპოლოგიები გამტარობისა და წინაღობის შესაბამისობის პერსპექტივიდან. (ა) ერთზოლიანი სწორი სიგნალი სტანდარტული ანტენით. (ბ) მრავალზოლიანი სწორი სიგნალი (შედგენილი მრავალი ურთიერთდაკავშირებული ანტენისგან) ერთი გასწორებით და შესაბამისი ქსელით თითო დიაპაზონში. (გ) ფართოზოლოვანი სწორი სიგნალი მრავალი RF პორტით და თითოეული დიაპაზონისთვის ცალკეული შესაბამისი ქსელებით. (დ) ფართოზოლოვანი სწორი სიგნალი ფართოზოლოვანი ანტენით და ფართოზოლოვანი შესაბამისი ქსელით. (ე) ერთზოლიანი სწორი სიგნალი ელექტრულად პატარა ანტენის გამოყენებით, რომელიც პირდაპირ გასწორებაზეა მიბმული. (ვ) ერთზოლიანი, ელექტრულად დიდი ანტენა კომპლექსური წინაღობით, რომელიც გასწორებასთან არის დაკავშირებული. (ზ) ფართოზოლოვანი სწორი სიგნალი კომპლექსური წინაღობით, რომელიც გასწორებასთან არის დაკავშირებული სიხშირეების დიაპაზონში.
მიუხედავად იმისა, რომ WPT და გარემოს RFEH დედიკაციური კვების წყაროდან განსხვავებული რექტენების გამოყენებაა, ანტენას, გასწორებელსა და დატვირთვას შორის ზედმიწევნითი შესაბამისობის მიღწევა ფუნდამენტურია მაღალი სიმძლავრის გარდაქმნის ეფექტურობის (PCE) მისაღწევად გამტარუნარიანობის თვალსაზრისით. მიუხედავად ამისა, WPT რექტენები უფრო მეტად ფოკუსირდებიან უფრო მაღალი ხარისხის კოეფიციენტის შესაბამისობის (დაბალი S11) მიღწევაზე, რათა გააუმჯობესონ ერთზოლიანი PCE გარკვეულ სიმძლავრის დონეზე (ტოპოლოგიები a, e და f). ერთზოლიანი WPT-ის ფართო გამტარუნარიანობა აუმჯობესებს სისტემის იმუნიტეტს დეტუნინგის, წარმოების დეფექტების და შეფუთვის პარაზიტების მიმართ. მეორეს მხრივ, RFEH რექტენები უპირატესობას ანიჭებენ მრავალზოლიან მუშაობას და მიეკუთვნებიან bd და g ტოპოლოგიებს, რადგან ერთი დიაპაზონის სიმძლავრის სპექტრული სიმკვრივე (PSD) ზოგადად უფრო დაბალია.
3. მართკუთხა ანტენის დიზაინი
1. ერთსიხშირიანი რეტენა
ერთსიხშირიანი რეტენის (ტოპოლოგია A) ანტენის დიზაინი ძირითადად ეფუძნება სტანდარტულ ანტენის დიზაინს, როგორიცაა წრფივი პოლარიზაციის (LP) ან წრიული პოლარიზაციის (CP) გამოსხივების ლაქა დამიწების სიბრტყეზე, დიპოლური ანტენა და ინვერტირებული F ანტენა. დიფერენციალური დიაპაზონის რეტენა ეფუძნება DC კომბინირებულ მასივს, რომელიც კონფიგურირებულია მრავალი ანტენის ერთეულით ან მრავალი ლაქ-ბლოკის შერეული DC და RF კომბინაციით.
ვინაიდან შემოთავაზებული ანტენების უმეტესობა ერთსიხშირიანია და აკმაყოფილებს ერთსიხშირიანი WPT-ის მოთხოვნებს, გარემოსდაცვითი მრავალსიხშირიანი RFEH-ის ძიებისას, მრავალი ერთსიხშირიანი ანტენა გაერთიანებულია მრავალზოლიან რექტენებად (ტოპოლოგია B) ურთიერთდაკავშირების ჩახშობით და დამოუკიდებელი DC კომბინაციით ენერგიის მართვის სქემის შემდეგ, რათა სრულად იზოლირებული იყოს ისინი RF შეგროვებისა და გარდაქმნის სქემიდან. ეს მოითხოვს ენერგიის მართვის მრავალ სქემას თითოეული დიაპაზონისთვის, რამაც შეიძლება შეამციროს ბუსტ გადამყვანის ეფექტურობა, რადგან ერთი დიაპაზონის DC სიმძლავრე დაბალია.
2. მრავალზოლიანი და ფართოზოლოვანი RFEH ანტენები
გარემოსდაცვითი RFEH ხშირად ასოცირდება მრავალზოლიან მიღებასთან; ამიტომ, სტანდარტული ანტენების დიზაინის გამტარუნარიანობის გასაუმჯობესებლად შემოთავაზებულია სხვადასხვა ტექნიკა და მეთოდები ორზოლიანი ან ზოლიანი ანტენების მასივების ფორმირებისთვის. ამ განყოფილებაში ჩვენ განვიხილავთ RFEH-ებისთვის შექმნილ ანტენების მორგებულ დიზაინებს, ასევე კლასიკურ მრავალზოლიან ანტენებს, რომლებსაც აქვთ პოტენციალი, გამოიყენონ როგორც რექტენები.
კოპლანარული ტალღგამტარი (CPW) მონოპოლური ანტენები იმავე სიხშირის მიკროზოლიან პაჩ ანტენებთან შედარებით ნაკლებ ფართობს იკავებენ და წარმოქმნიან LP ან CP ტალღებს და ხშირად გამოიყენება ფართოზოლოვანი გარემოს რექტენებისთვის. არეკვლის სიბრტყეები გამოიყენება იზოლაციის გასაზრდელად და გაძლიერების გასაუმჯობესებლად, რაც იწვევს პაჩ ანტენების მსგავს გამოსხივების ნიმუშებს. სლოტიანი კოპლანარული ტალღგამტარი ანტენები გამოიყენება იმპედანსის გამტარობის გასაუმჯობესებლად მრავალი სიხშირის დიაპაზონისთვის, როგორიცაა 1.8–2.7 GHz ან 1–3 GHz. შეერთებული სლოტიანი ანტენები და პაჩ ანტენები ასევე ხშირად გამოიყენება მრავალზოლიან რექტენების დიზაინში. სურათი 3 გვიჩვენებს რამდენიმე ცნობილ მრავალზოლიან ანტენას, რომლებიც იყენებენ ერთზე მეტ გამტარობის გაუმჯობესების ტექნიკას.
სურათი 3
ანტენა-გამასწორებელი წინაღობის შესაბამისობის დადგენა
50Ω ანტენის არაწრფივ გასწორებასთან შეხამება რთულია, რადგან მისი შეყვანის წინაღობა მნიშვნელოვნად იცვლება სიხშირის მიხედვით. ტოპოლოგიებში A და B (სურათი 2), საერთო შეხამების ქსელი არის LC შეხამება გაერთიანებული ელემენტების გამოყენებით; თუმცა, ფარდობითი გამტარობა, როგორც წესი, უფრო დაბალია, ვიდრე საკომუნიკაციო დიაპაზონების უმეტესობა. ერთზოლიანი სტაბ შეხამება ხშირად გამოიყენება მიკროტალღურ და მილიმეტრიან ტალღურ დიაპაზონებში 6 გჰც-ზე ქვემოთ, ხოლო მოხსენებულ მილიმეტრიან ტალღურ რექტენებს აქვთ თანდაყოლილი ვიწრო გამტარობა, რადგან მათი PCE გამტარობა შეზღუდულია გამომავალი ჰარმონიული ჩახშობით, რაც მათ განსაკუთრებით შესაფერისს ხდის ერთზოლიანი WPT აპლიკაციებისთვის 24 გჰც არალიცენზირებულ დიაპაზონში.
C და D ტოპოლოგიებში რექტენებს უფრო რთული შესაბამისობის ქსელები აქვთ. ფართოზოლოვანი შესაბამისობისთვის შემოთავაზებულია სრულად განაწილებული ხაზის შესაბამისობის ქსელები, გამოსასვლელ პორტში RF ბლოკის/DC მოკლე ჩართვის (გამტარი ფილტრის) გამოყენებით ან დიოდური ჰარმონიკების დაბრუნების გზად DC ბლოკირების კონდენსატორით. გამასწორებელი კომპონენტები შეიძლება შეიცვალოს დაბეჭდილი მიკროსქემის დაფის (PCB) ინტერციფრული კონდენსატორებით, რომლებიც სინთეზირდება კომერციული ელექტრონული დიზაინის ავტომატიზაციის ხელსაწყოების გამოყენებით. სხვა ცნობილი ფართოზოლოვანი რექტენას შესაბამისობის ქსელები აერთიანებს გაერთიანებულ ელემენტებს ქვედა სიხშირეებთან შესაბამისობისთვის და განაწილებულ ელემენტებს შესასვლელში RF მოკლე ჩართვის შესაქმნელად.
წყაროს მეშვეობით დატვირთვის მიერ დაფიქსირებული შეყვანის წინაღობის ცვალებადობა (ცნობილია, როგორც წყაროს წევის ტექნიკა) გამოყენებული იქნა ფართოზოლოვანი გამასწორებლის შესაქმნელად 57%-იანი ფარდობითი გამტარუნარიანობით (1.25–2.25 გჰც) და 10%-ით მაღალი PCE-ით გაერთიანებულ ან განაწილებულ წრედებთან შედარებით. მიუხედავად იმისა, რომ შესაბამისობის ქსელები, როგორც წესი, შექმნილია ანტენების შესატყვისად მთელ 50Ω გამტარუნარიანობაზე, ლიტერატურაში არსებობს ცნობები, სადაც ფართოზოლოვანი ანტენები დაკავშირებულია ვიწროზოლოვან გამასწორებლებთან.
ჰიბრიდული ერთიანი ელემენტებისა და განაწილებული ელემენტების შესაბამისობის ქსელები ფართოდ გამოიყენება C და D ტოპოლოგიებში, სადაც ყველაზე ხშირად გამოყენებული ერთიანი ელემენტებია სერიული ინდუქტორები და კონდენსატორები. ეს მეთოდები თავიდან აიცილებს ისეთ რთულ სტრუქტურებს, როგორიცაა ურთიერთდაკავშირებული კონდენსატორები, რომლებიც საჭიროებენ უფრო ზუსტ მოდელირებას და დამზადებას, ვიდრე სტანდარტული მიკროზოლური ხაზები.
დიოდის არაწრფივობის გამო, გასწორების შემავალი სიმძლავრე გავლენას ახდენს შემავალი წინაღობაზე. ამიტომ, რექტენა შექმნილია PCE-ს მაქსიმიზაციისთვის კონკრეტული შემავალი სიმძლავრის დონისა და დატვირთვის წინაღობისთვის. ვინაიდან დიოდები ძირითადად მაღალი წინაღობის მქონე ტევადობით ხასიათდება 3 გჰც-ზე დაბალ სიხშირეებზე, ფართოზოლოვანი რექტენები, რომლებიც გამორიცხავენ შესაბამისობის მქონე ქსელებს ან მინიმუმამდე ამცირებენ გამარტივებულ შესაბამისობის მქონე სქემებს, ფოკუსირებულია Prf>0 dBm და 1 გჰც-ზე მაღალ სიხშირეებზე, რადგან დიოდებს აქვთ დაბალი ტევადობის წინაღობა და კარგად შეიძლება მათი ანტენასთან შეხამება, რითაც თავიდან აცილებულია ანტენების დიზაინი >1000Ω შემავალი რეაქტანსით.
ადაპტური ან რეკონფიგურირებადი წინაღობის შესაბამისობა შეინიშნება CMOS რექტენებში, სადაც შესაბამისობის ქსელი შედგება ჩიპზე დამონტაჟებული კონდენსატორებისა და ინდუქტორებისგან. სტატიკური CMOS შესაბამისობის ქსელები ასევე შემოთავაზებულია სტანდარტული 50Ω ანტენებისთვის, ასევე ერთობლივად შექმნილი მარყუჟოვანი ანტენებისთვის. ცნობილია, რომ პასიური CMOS სიმძლავრის დეტექტორები გამოიყენება იმ გადამრთველების სამართავად, რომლებიც ანტენის გამოსავალს სხვადასხვა გამასწორებელსა და შესაბამის ქსელებზე მიმართავენ არსებული სიმძლავრის მიხედვით. შემოთავაზებულია რეკონფიგურირებადი შესაბამისობის ქსელი, რომელიც იყენებს გაერთიანებულ რეგულირებად კონდენსატორებს და რომლის რეგულირებაც ხდება ვექტორული ქსელის ანალიზატორის გამოყენებით შეყვანის წინაღობის გაზომვისას დახვეწის გზით. რეკონფიგურირებად მიკროზოლიან შესაბამისობის ქსელებში, ორმაგი დიაპაზონის მახასიათებლების მისაღწევად, შესაბამისი სტაბების რეგულირებისთვის გამოიყენება ველის ეფექტის ტრანზისტორული გადამრთველები.
ანტენების შესახებ დამატებითი ინფორმაციის მისაღებად, გთხოვთ, ეწვიოთ:
გამოქვეყნების დრო: 2024 წლის 9 აგვისტო
