1. परिचय
रेडियो फ्रिक्वेन्सी (RF) इनर्जी हार्वेस्टिङ (RFEH) र रेडिएटिभ वायरलेस पावर ट्रान्सफर (WPT) ले ब्याट्री-रहित दिगो वायरलेस नेटवर्कहरू प्राप्त गर्ने तरिकाहरूको रूपमा ठूलो चासो आकर्षित गरेको छ। रेक्टेनाहरू WPT र RFEH प्रणालीहरूको आधारशिला हुन् र लोडमा डेलिभर गरिएको DC पावरमा महत्त्वपूर्ण प्रभाव पार्छ। रेक्टेनाको एन्टेना तत्वहरूले फसल काट्ने क्षमतालाई सीधै असर गर्छ, जसले फसलको शक्तिलाई परिमाणको धेरै अर्डरहरूमा फरक पार्न सक्छ। यस कागजले WPT र परिवेश RFEH अनुप्रयोगहरूमा कार्यरत एन्टेना डिजाइनहरूको समीक्षा गर्दछ। रिपोर्ट गरिएको रेक्टेनालाई दुई मुख्य मापदण्ड अनुसार वर्गीकृत गरिएको छ: एन्टेना सुधार गर्ने प्रतिबाधा ब्यान्डविथ र एन्टेनाको विकिरण विशेषताहरू। प्रत्येक मापदण्डको लागि, फरक-फरक आवेदनहरूको लागि योग्यताको अंक (FOM) निर्धारण गरिन्छ र तुलनात्मक रूपमा समीक्षा गरिन्छ।
20 औं शताब्दीको प्रारम्भमा हजारौं अश्वशक्ति प्रसारण गर्ने तरिकाको रूपमा टेस्लाद्वारा WPT प्रस्ताव गरिएको थियो। रेक्टेना शब्द, जसले आरएफ पावर फसल गर्न रेक्टिफायरसँग जोडिएको एन्टेनालाई वर्णन गर्दछ, 1950 को दशकमा अन्तरिक्ष माइक्रोवेभ पावर ट्रान्समिशन अनुप्रयोगहरू र स्वायत्त ड्रोनहरू पावर गर्नको लागि देखा पर्यो। ओम्निडायरेक्शनल, लामो-दायरा WPT प्रसार माध्यम (वायु) को भौतिक गुणहरू द्वारा सीमित छ। तसर्थ, व्यावसायिक WPT मुख्यतया वायरलेस उपभोक्ता इलेक्ट्रोनिक्स चार्जिङ वा RFID को लागि नजिक-क्षेत्र गैर-रेडिएटिभ पावर स्थानान्तरणमा सीमित छ।
सेमीकन्डक्टर यन्त्रहरू र ताररहित सेन्सर नोडहरूको पावर खपत घट्दै जाँदा, परिवेश RFEH प्रयोग गरेर वा वितरित कम-शक्ति सर्वदिशात्मक ट्रान्समिटरहरू प्रयोग गरेर सेन्सर नोडहरू पावर गर्न अधिक सम्भव हुन्छ। अल्ट्रा-लो-पावर वायरलेस पावर प्रणालीहरूमा सामान्यतया RF अधिग्रहण फ्रन्ट एन्ड, DC पावर र मेमोरी व्यवस्थापन, र कम-शक्ति माइक्रोप्रोसेसर र ट्रान्सीभर हुन्छ।
चित्र 1 ले RFEH वायरलेस नोडको वास्तुकला र सामान्यतया रिपोर्ट गरिएको RF फ्रन्ट-एन्ड कार्यान्वयनहरू देखाउँछ। वायरलेस पावर प्रणालीको अन्त-देखि-अन्त दक्षता र सिङ्क्रोनाइज गरिएको वायरलेस जानकारी र पावर ट्रान्सफर नेटवर्कको संरचना व्यक्तिगत कम्पोनेन्टहरू, जस्तै एन्टेना, रेक्टिफायरहरू, र पावर व्यवस्थापन सर्किटहरूको प्रदर्शनमा निर्भर गर्दछ। प्रणालीको विभिन्न भागहरूको लागि धेरै साहित्य सर्वेक्षणहरू सञ्चालन गरिएको छ। तालिका 1 ले शक्ति रूपान्तरण चरण, कुशल शक्ति रूपान्तरणको लागि मुख्य घटकहरू, र प्रत्येक भागको लागि सम्बन्धित साहित्य सर्वेक्षणहरू संक्षेप गर्दछ। हालसालैका साहित्यहरू पावर रूपान्तरण प्रविधि, रेक्टिफायर टोपोलोजीहरू, वा नेटवर्क-सचेत RFEH मा केन्द्रित छन्।
चित्र १
यद्यपि, एन्टेना डिजाइनलाई RFEH मा एक महत्वपूर्ण घटकको रूपमा मानिएको छैन। यद्यपि केही साहित्यहरूले एन्टेना ब्यान्डविथ र दक्षतालाई समग्र परिप्रेक्ष्यबाट वा विशिष्ट एन्टेना डिजाइन परिप्रेक्ष्यबाट विचार गर्दछ, जस्तै लघु वा पहिरन योग्य एन्टेना, पावर रिसेप्शन र रूपान्तरण दक्षतामा निश्चित एन्टेना प्यारामिटरहरूको प्रभावलाई विस्तृत रूपमा विश्लेषण गरिएको छैन।
यो कागजले मानक सञ्चार एन्टेना डिजाइनबाट RFEH र WPT विशिष्ट एन्टेना डिजाइन चुनौतीहरू छुट्याउनको लक्ष्यका साथ रेक्टेनामा एन्टेना डिजाइन प्रविधिहरूको समीक्षा गर्दछ। एन्टेनाहरूलाई दुई दृष्टिकोणबाट तुलना गरिन्छ: अन्त-देखि-अन्त प्रतिबाधा मिलान र विकिरण विशेषताहरू; प्रत्येक अवस्थामा, FoM पहिचान गरिन्छ र अत्याधुनिक (SoA) एन्टेनाहरूमा समीक्षा गरिन्छ।
2. ब्यान्डविथ र मिलान: गैर-50Ω RF नेटवर्कहरू
50Ω को विशेषता प्रतिबाधा माइक्रोवेव ईन्जिनियरिङ् अनुप्रयोगहरूमा क्षीणन र शक्ति बीचको सम्झौताको प्रारम्भिक विचार हो। एन्टेनाहरूमा, प्रतिबाधा ब्यान्डविथलाई फ्रिक्वेन्सी दायराको रूपमा परिभाषित गरिन्छ जहाँ प्रतिबिम्बित शक्ति १०% (S11< − 10 dB) भन्दा कम हुन्छ। कम शोर एम्पलीफायरहरू (LNAs), पावर एम्पलीफायरहरू, र डिटेक्टरहरू सामान्यतया 50Ω इनपुट प्रतिबाधा मिलानसँग डिजाइन गरिएका हुनाले, 50Ω स्रोतलाई परम्परागत रूपमा सन्दर्भ गरिन्छ।
रेक्टेनामा, एन्टेनाको आउटपुट सिधै रेक्टिफायरमा खुवाइन्छ, र डायोडको ननलाइनरिटीले इनपुट प्रतिबाधामा ठूलो भिन्नता निम्त्याउँछ, क्यापेसिटिभ कम्पोनेन्ट हावी हुन्छ। 50Ω एन्टेना मान्दै, मुख्य चुनौती भनेको इनपुट प्रतिबाधालाई रुचिको फ्रिक्वेन्सीमा रेक्टिफायरको प्रतिबाधामा रूपान्तरण गर्न र विशेष पावर स्तरको लागि अनुकूलन गर्न थप RF मिल्दो नेटवर्क डिजाइन गर्नु हो। यस अवस्थामा, कुशल RF देखि DC रूपान्तरण सुनिश्चित गर्न अन्त-देखि-अन्त प्रतिबाधा ब्यान्डविथ आवश्यक छ। तसर्थ, यद्यपि एन्टेनाले आवधिक तत्वहरू वा स्व-पूरक ज्यामिति प्रयोग गरेर सैद्धान्तिक रूपमा अनन्त वा अल्ट्रा-वाइड ब्यान्डविथ हासिल गर्न सक्छ, रेक्टेनाको ब्यान्डविथ रेक्टिफायर मिल्दो नेटवर्कद्वारा अवरोध हुनेछ।
प्रतिबिम्ब कम गरेर र एन्टेना र रेक्टिफायर बीचको शक्ति स्थानान्तरण अधिकतम गरेर एकल-ब्यान्ड र बहु-ब्यान्ड हार्वेस्टिङ वा WPT प्राप्त गर्न धेरै रेक्टेना टोपोलोजीहरू प्रस्ताव गरिएको छ। चित्र 2 ले रिपोर्ट गरिएको रेक्टेना टोपोलोजीहरूको संरचनाहरू देखाउँछ, तिनीहरूको प्रतिबाधा मिल्दो वास्तुकलाद्वारा वर्गीकृत। तालिका 2 ले प्रत्येक श्रेणीको लागि अन्त-देखि-अन्त ब्यान्डविथ (यस अवस्थामा, FoM) को सन्दर्भमा उच्च-सम्पादन रेक्टेनाका उदाहरणहरू देखाउँछ।
चित्र 2 ब्यान्डविथ र प्रतिबाधा मिलानको परिप्रेक्ष्यबाट Rectenna टोपोलोजीहरू। (a) मानक एन्टेनाको साथ एकल-ब्यान्ड रेक्टेना। (b) मल्टिब्यान्ड रेक्टेना (बहु पारस्परिक रूपमा जोडिएका एन्टेनाहरू मिलेर बनेको) एक रेक्टिफायर र प्रति ब्यान्ड मिल्दो नेटवर्कको साथ। (c) धेरै RF पोर्टहरू र प्रत्येक ब्यान्डको लागि छुट्टै मिल्दो नेटवर्कहरू भएको ब्रोडब्यान्ड रेक्टेना। (d) ब्रोडब्यान्ड एन्टेना र ब्रोडब्यान्ड मिल्दो नेटवर्कको साथ ब्रोडब्यान्ड रेक्टेना। (e) एकल-ब्यान्ड रेक्टेना विद्युतीय रूपमा सानो एन्टेना प्रयोग गरेर रेक्टिफायरसँग प्रत्यक्ष मेल खान्छ। (f) एकल-ब्यान्ड, रेक्टिफायरसँग जोड्न जटिल प्रतिबाधा भएको विद्युतीय रूपमा ठूलो एन्टेना। (g) फ्रिक्वेन्सीको दायरामा रेक्टिफायरसँग जोड्न जटिल प्रतिबाधा भएको ब्रॉडब्यान्ड रेक्टेना।
जबकि समर्पित फिडबाट WPT र एम्बियन्ट RFEH फरक रेक्टेना अनुप्रयोगहरू हुन्, ब्यान्डविथ परिप्रेक्ष्यबाट उच्च पावर रूपान्तरण दक्षता (PCE) प्राप्त गर्न एन्टेना, रेक्टिफायर र लोड बीचको अन्त्य-देखि-अन्त मिल्दोजुल्दो प्राप्त गर्नु आधारभूत छ। जे होस्, WPT rectennas ले उच्च गुणस्तरको कारक मिल्दो (लोअर S11) प्राप्त गर्नमा बढी ध्यान केन्द्रित गर्दछ एकल-ब्यान्ड PCE लाई निश्चित शक्ति स्तरहरूमा सुधार गर्न (टोपोलोजी a, e र f)। एकल-ब्यान्ड WPT को फराकिलो ब्यान्डविथले डिट्यूनिंग, निर्माण दोष र प्याकेजिङ परजीवीहरूको लागि प्रणाली प्रतिरक्षा सुधार गर्दछ। अर्कोतर्फ, RFEH rectennas ले बहु-ब्यान्ड सञ्चालनलाई प्राथमिकता दिन्छ र टोपोलोजी bd र g सँग सम्बन्धित छ, किनकि एकल ब्यान्डको पावर स्पेक्ट्रल घनत्व (PSD) सामान्यतया कम हुन्छ।
3. आयताकार एन्टेना डिजाइन
1. एकल-फ्रिक्वेन्सी रेक्टेना
एकल-फ्रिक्वेन्सी रेक्टेना (टोपोलोजी A) को एन्टेना डिजाइन मुख्यतया मानक एन्टेना डिजाइनमा आधारित हुन्छ, जस्तै रैखिक ध्रुवीकरण (LP) वा सर्कुलर ध्रुवीकरण (CP) ग्राउन्ड प्लेनमा विकिरण गर्ने प्याच, द्विध्रुव एन्टेना र उल्टो F एन्टेना। भिन्नता ब्यान्ड रेक्टेना धेरै एन्टेना एकाइहरू वा धेरै प्याच एकाइहरूको मिश्रित DC र RF संयोजनसँग कन्फिगर गरिएको DC संयोजन एरेमा आधारित छ।
धेरै प्रस्तावित एन्टेनाहरू एकल-फ्रिक्वेन्सी एन्टेना हुन् र एकल-फ्रिक्वेन्सी WPT को आवश्यकताहरू पूरा गर्ने भएकाले, वातावरणीय बहु-फ्रिक्वेन्सी RFEH खोज्दा, बहु-ब्यान्ड रेक्टेना (टोपोलोजी B) मा पारस्परिक युग्मन दमन र स्वतन्त्र डीसी संयोजन पावर व्यवस्थापन सर्किट पछि तिनीहरूलाई पूर्ण रूपमा आरएफबाट अलग गर्न अधिग्रहण र रूपान्तरण सर्किट। यसका लागि प्रत्येक ब्यान्डको लागि धेरै पावर व्यवस्थापन सर्किटहरू आवश्यक पर्दछ, जसले बूस्ट कन्भर्टरको दक्षता कम गर्न सक्छ किनभने एकल ब्यान्डको DC पावर कम छ।
2. बहु-ब्यान्ड र ब्रॉडब्यान्ड RFEH एन्टेना
वातावरणीय RFEH प्राय: बहु-ब्यान्ड अधिग्रहण संग सम्बन्धित छ; तसर्थ, मानक एन्टेना डिजाइन र डुअल-ब्यान्ड वा ब्यान्ड एन्टेना एरेहरू बनाउनका लागि विधिहरूको ब्यान्डविथ सुधार गर्न विभिन्न प्रविधिहरू प्रस्ताव गरिएको छ। यस खण्डमा, हामी RFEH हरूका लागि अनुकूलन एन्टेना डिजाइनहरूको समीक्षा गर्छौं, साथै क्लासिक बहु-ब्यान्ड एन्टेनाहरू रेक्टेनाको रूपमा प्रयोग गर्न सकिन्छ।
Coplanar Waveguide (CPW) मोनोपोल एन्टेनाले उही फ्रिक्वेन्सीमा माइक्रोस्ट्रिप प्याच एन्टेना भन्दा कम क्षेत्र ओगटेको छ र LP वा CP तरंगहरू उत्पादन गर्दछ, र प्रायः ब्रोडब्यान्ड वातावरणीय रेक्टेनाहरूको लागि प्रयोग गरिन्छ। रिफ्लेक्शन प्लेनहरू अलगाव बढाउन र लाभ सुधार गर्न प्रयोग गरिन्छ, जसको परिणामस्वरूप विकिरण ढाँचाहरू प्याच एन्टेनाहरू जस्तै हुन्छन्। स्लटेड कोप्लानर वेभगाइड एन्टेनाहरू 1.8–2.7 GHz वा 1-3 GHz जस्ता बहु आवृत्ति ब्यान्डहरूका लागि प्रतिबाधा ब्यान्डविथ सुधार गर्न प्रयोग गरिन्छ। कपल्ड-फेड स्लट एन्टेना र प्याच एन्टेनाहरू पनि बहु-ब्यान्ड रेक्टेना डिजाइनहरूमा प्रयोग गरिन्छ। चित्र 3 ले केहि रिपोर्ट गरिएको बहु-ब्यान्ड एन्टेनाहरू देखाउँछ जसले एक भन्दा बढी ब्यान्डविथ सुधार प्रविधि प्रयोग गर्दछ।
चित्र ३
एन्टेना-रेक्टिफायर प्रतिबाधा मिलान
५०Ω एन्टेनालाई ननलाइनर रेक्टिफायरसँग मिलाउनु चुनौतीपूर्ण छ किनभने यसको इनपुट प्रतिबाधा फ्रिक्वेन्सीसँग धेरै फरक हुन्छ। टोपोलोजी A र B (चित्र 2) मा, साझा मिल्दो नेटवर्क lumped तत्वहरू प्रयोग गरेर LC मिलान हो; यद्यपि, सापेक्ष ब्यान्डविथ प्राय कम्युनिकेशन ब्यान्डहरू भन्दा कम हुन्छ। एकल-ब्यान्ड स्टब मिलान सामान्यतया 6 GHz भन्दा कम माइक्रोवेभ र मिलिमिटर-वेभ ब्यान्डहरूमा प्रयोग गरिन्छ, र रिपोर्ट गरिएको मिलिमिटर-वेभ रेक्टेनाहरूमा स्वाभाविक रूपमा साँघुरो ब्यान्डविथ हुन्छ किनभने तिनीहरूको PCE ब्यान्डविथ आउटपुट हार्मोनिक दमनले अवरोध गरेको हुन्छ, जसले तिनीहरूलाई विशेष रूपमा एकल-का लागि उपयुक्त बनाउँछ। ब्यान्ड WPT अनुप्रयोगहरू 24 GHz बिना इजाजतपत्र ब्यान्डमा।
टोपोलोजी C र D मा rectennas धेरै जटिल मिल्दो नेटवर्क छ। आउटपुट पोर्टमा आरएफ ब्लक/डीसी सर्ट सर्किट (पास फिल्टर) वा डायोड हार्मोनिक्सको लागि फिर्ती मार्गको रूपमा DC ब्लकिङ क्यापेसिटरको साथ ब्रोडब्यान्ड मिलानको लागि पूर्ण रूपमा वितरित लाइन मिल्दो नेटवर्कहरू प्रस्ताव गरिएको छ। रेक्टिफायर कम्पोनेन्टहरू प्रिन्टेड सर्किट बोर्ड (PCB) इन्टरडिजिटेटेड क्यापेसिटरहरू द्वारा प्रतिस्थापन गर्न सकिन्छ, जुन व्यावसायिक इलेक्ट्रोनिक डिजाइन स्वचालन उपकरणहरू प्रयोग गरेर संश्लेषित गरिन्छ। अन्य रिपोर्ट गरिएको ब्रॉडब्यान्ड रेक्टेना मिल्दो नेटवर्कहरूले कम फ्रिक्वेन्सीहरूसँग मिल्दो र इनपुटमा RF छोटो बनाउनको लागि वितरित तत्वहरू मिलाउन लम्पेड तत्वहरू संयोजन गर्दछ।
स्रोत (स्रोत-पुल प्रविधिको रूपमा चिनिन्छ) मार्फत लोड द्वारा अवलोकन गरिएको इनपुट प्रतिबाधामा भिन्नता 57% सापेक्ष ब्यान्डविथ (1.25–2.25 GHz) र लम्पेड वा वितरित सर्किटहरूको तुलनामा 10% उच्च PCE भएको ब्रोडब्यान्ड रेक्टिफायर डिजाइन गर्न प्रयोग गरिएको छ। । यद्यपि मिल्दो नेटवर्कहरू सामान्यतया सम्पूर्ण 50Ω ब्यान्डविथमा एन्टेनाहरू मिलाउन डिजाइन गरिएको छ, त्यहाँ साहित्यमा रिपोर्टहरू छन् जहाँ ब्रोडब्यान्ड एन्टेनाहरू साँघुरो ब्यान्ड रेक्टिफायरहरूमा जडान गरिएको छ।
हाइब्रिड लम्पेड-एलिमेन्ट र डिस्ट्रिब्युटेड-एलिमेन्ट मिल्दो नेटवर्कहरू टोपोलोजी सी र डीमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिएको छ, श्रृंखला इन्डक्टरहरू र क्यापेसिटरहरू प्रायः प्रयोग हुने लुम्पेड तत्वहरू हुन्। यसले जटिल संरचनाहरू जस्तै इन्टरडिजिटेटेड क्यापेसिटरहरू बेवास्ता गर्दछ, जसलाई मानक माइक्रोस्ट्रिप लाइनहरू भन्दा बढी सटीक मोडेलिङ र निर्माण चाहिन्छ।
रेक्टिफायरमा इनपुट पावरले डायोडको ननलाइनरिटीको कारण इनपुट प्रतिबाधालाई असर गर्छ। तसर्थ, रेक्टेनालाई विशिष्ट इनपुट पावर स्तर र लोड प्रतिबाधाको लागि PCE अधिकतम बनाउन डिजाइन गरिएको हो। डायोडहरू मुख्यतया 3 GHz भन्दा कम फ्रिक्वेन्सीहरूमा क्यापेसिटिव उच्च प्रतिबाधा भएकाले, ब्रोडब्यान्ड रेक्टेना जसले मिल्दो नेटवर्कहरू हटाउने वा सरलीकृत मिल्दो सर्किटहरूलाई न्यूनतम गर्दछ Prf>0 dBm र 1 GHz भन्दा माथिको फ्रिक्वेन्सीहरूमा केन्द्रित गरिएको छ, किनभने डायोडहरूमा कम क्यापेसिटिव प्रतिबाधा छ र राम्रोसँग मेल खान सक्छ। एन्टेनामा, यसरी को डिजाइन बेवास्ता इनपुट प्रतिक्रिया संग एन्टेना>1,000Ω।
अनुकूलनीय वा पुन: कन्फिगर योग्य प्रतिबाधा मिलान CMOS rectennas मा देखाइएको छ, जहाँ मिल्दो नेटवर्कमा अन-चिप क्यापेसिटर बैंकहरू र इन्डक्टरहरू हुन्छन्। स्ट्याटिक CMOS मिल्दो नेटवर्कहरू मानक 50Ω एन्टेनाहरू साथै सह-डिजाइन गरिएको लुप एन्टेनाहरूको लागि पनि प्रस्ताव गरिएको छ। यो रिपोर्ट गरिएको छ कि निष्क्रिय CMOS पावर डिटेक्टरहरू स्विचहरू नियन्त्रण गर्न प्रयोग गरिन्छ जसले एन्टेनाको आउटपुटलाई उपलब्ध शक्तिको आधारमा विभिन्न रेक्टिफायरहरू र मिल्दो नेटवर्कहरूमा निर्देशित गर्दछ। लम्पेड ट्युनेबल क्यापेसिटरहरू प्रयोग गरेर पुन: कन्फिगर गर्न मिल्ने नेटवर्क प्रस्ताव गरिएको छ, जुन भेक्टर नेटवर्क विश्लेषक प्रयोग गरेर इनपुट प्रतिबाधा नाप्ने क्रममा फाइन-ट्युनिंग द्वारा ट्युन गरिएको छ। पुन: कन्फिगरयोग्य माइक्रोस्ट्रिप मिल्दो नेटवर्कहरूमा, फिल्ड इफेक्ट ट्रान्जिस्टर स्विचहरू डुअल-ब्यान्ड विशेषताहरू प्राप्त गर्न मिल्दो स्टबहरू समायोजन गर्न प्रयोग गरिएको छ।
एन्टेना बारे थप जान्नको लागि, कृपया भ्रमण गर्नुहोस्:
पोस्ट समय: अगस्ट-०९-२०२४
