१.परिचय
ब्याट्री-रहित दिगो वायरलेस नेटवर्कहरू प्राप्त गर्ने विधिहरूको रूपमा रेडियो फ्रिक्वेन्सी (RFEH) र रेडिएटिभ वायरलेस पावर ट्रान्सफर (WPT) ले ठूलो चासो आकर्षित गरेको छ। रेक्टेनाहरू WPT र RFEH प्रणालीहरूको आधारशिला हुन् र लोडमा डेलिभर गरिएको DC पावरमा महत्त्वपूर्ण प्रभाव पार्छन्। रेक्टेनाका एन्टेना तत्वहरूले कटाई दक्षतालाई प्रत्यक्ष रूपमा असर गर्छन्, जसले कटाई गरिएको शक्तिलाई परिमाणको धेरै अर्डरले फरक पार्न सक्छ। यो पेपरले WPT र एम्बियन्ट RFEH अनुप्रयोगहरूमा प्रयोग गरिएका एन्टेना डिजाइनहरूको समीक्षा गर्दछ। रिपोर्ट गरिएका रेक्टेनाहरूलाई दुई मुख्य मापदण्डहरू अनुसार वर्गीकृत गरिएको छ: एन्टेना सुधार गर्ने प्रतिबाधा ब्यान्डविथ र एन्टेनाको विकिरण विशेषताहरू। प्रत्येक मापदण्डको लागि, विभिन्न अनुप्रयोगहरूको लागि योग्यताको संख्या (FoM) निर्धारण गरिन्छ र तुलनात्मक रूपमा समीक्षा गरिन्छ।
WPT लाई २० औं शताब्दीको सुरुमा टेस्लाले हजारौं अश्वशक्ति प्रसारण गर्ने विधिको रूपमा प्रस्ताव गरेको थियो। RF पावर सङ्कलन गर्न रेक्टिफायरसँग जोडिएको एन्टेनालाई वर्णन गर्ने रेक्टेना शब्द १९५० को दशकमा अन्तरिक्ष माइक्रोवेभ पावर ट्रान्समिशन अनुप्रयोगहरू र स्वायत्त ड्रोनहरूलाई पावर दिनको लागि देखा पर्यो। सर्वदिशात्मक, लामो-दायरा WPT प्रसार माध्यम (हावा) को भौतिक गुणहरू द्वारा सीमित छ। त्यसकारण, व्यावसायिक WPT मुख्यतया वायरलेस उपभोक्ता इलेक्ट्रोनिक्स चार्जिङ वा RFID को लागि नजिक-क्षेत्र गैर-विकिरणीय पावर स्थानान्तरणमा सीमित छ।
अर्धचालक उपकरणहरू र वायरलेस सेन्सर नोडहरूको पावर खपत घट्दै जाँदा, एम्बियन्ट RFEH प्रयोग गरेर वा वितरित कम-शक्ति सर्वदिशात्मक ट्रान्समिटरहरू प्रयोग गरेर सेन्सर नोडहरूलाई पावर गर्न अझ सम्भव हुन्छ। अल्ट्रा-लो-पावर वायरलेस पावर प्रणालीहरूमा सामान्यतया RF अधिग्रहण फ्रन्ट एन्ड, DC पावर र मेमोरी व्यवस्थापन, र कम-शक्ति माइक्रोप्रोसेसर र ट्रान्सीभर हुन्छन्।
चित्र १ ले RFEH वायरलेस नोडको वास्तुकला र सामान्यतया रिपोर्ट गरिएको RF फ्रन्ट-एन्ड कार्यान्वयनहरू देखाउँछ। वायरलेस पावर प्रणालीको अन्त्य-देखि-अन्त दक्षता र सिंक्रोनाइज्ड वायरलेस जानकारी र पावर ट्रान्सफर नेटवर्कको वास्तुकला एन्टेना, रेक्टिफायरहरू, र पावर व्यवस्थापन सर्किटहरू जस्ता व्यक्तिगत घटकहरूको प्रदर्शनमा निर्भर गर्दछ। प्रणालीका विभिन्न भागहरूको लागि धेरै साहित्य सर्वेक्षणहरू सञ्चालन गरिएका छन्। तालिका १ ले पावर रूपान्तरण चरण, कुशल पावर रूपान्तरणको लागि प्रमुख घटकहरू, र प्रत्येक भागको लागि सम्बन्धित साहित्य सर्वेक्षणहरूको सारांश दिन्छ। हालैको साहित्य पावर रूपान्तरण प्रविधि, रेक्टिफायर टोपोलोजीहरू, वा नेटवर्क-सचेत RFEH मा केन्द्रित छ।
चित्र १
यद्यपि, RFEH मा एन्टेना डिजाइनलाई महत्वपूर्ण घटकको रूपमा लिइँदैन। यद्यपि केही साहित्यहरूले एन्टेना ब्यान्डविथ र दक्षतालाई समग्र दृष्टिकोणबाट वा विशिष्ट एन्टेना डिजाइन दृष्टिकोणबाट, जस्तै लघु वा पहिरन योग्य एन्टेना, विचार गर्छन्, पावर रिसेप्शन र रूपान्तरण दक्षतामा निश्चित एन्टेना प्यारामिटरहरूको प्रभावको विस्तृत रूपमा विश्लेषण गरिएको छैन।
यस पेपरले मानक सञ्चार एन्टेना डिजाइनबाट RFEH र WPT विशिष्ट एन्टेना डिजाइन चुनौतीहरूलाई छुट्याउने लक्ष्यका साथ रेक्टेनाहरूमा एन्टेना डिजाइन प्रविधिहरूको समीक्षा गर्दछ। एन्टेनाहरूलाई दुई दृष्टिकोणबाट तुलना गरिन्छ: अन्त्य-देखि-अन्त प्रतिबाधा मिलान र विकिरण विशेषताहरू; प्रत्येक अवस्थामा, FoM पहिचान गरिन्छ र अत्याधुनिक (SoA) एन्टेनाहरूमा समीक्षा गरिन्छ।
२. ब्यान्डविथ र मिलान: गैर-५०Ω आरएफ नेटवर्कहरू
५०Ω को विशेषता प्रतिबाधा माइक्रोवेभ इन्जिनियरिङ अनुप्रयोगहरूमा क्षीणन र शक्ति बीचको सम्झौताको प्रारम्भिक विचार हो। एन्टेनाहरूमा, प्रतिबाधा ब्यान्डविथलाई फ्रिक्वेन्सी दायराको रूपमा परिभाषित गरिन्छ जहाँ परावर्तित शक्ति १०% (S11< − १० dB) भन्दा कम हुन्छ। कम आवाज एम्पलीफायरहरू (LNAs), पावर एम्पलीफायरहरू, र डिटेक्टरहरू सामान्यतया ५०Ω इनपुट प्रतिबाधा मिलानसँग डिजाइन गरिएको हुनाले, ५०Ω स्रोतलाई परम्परागत रूपमा सन्दर्भ गरिन्छ।
रेक्टेनामा, एन्टेनाको आउटपुट सिधै रेक्टिफायरमा खुवाइन्छ, र डायोडको गैर-रेखीयताले इनपुट प्रतिबाधामा ठूलो भिन्नता निम्त्याउँछ, जसमा क्यापेसिटिव कम्पोनेन्ट हावी हुन्छ। ५०Ω एन्टेना मान्दै, मुख्य चुनौती भनेको रुचिको आवृत्तिमा रेक्टिफायरको प्रतिबाधामा इनपुट प्रतिबाधालाई रूपान्तरण गर्न र यसलाई विशिष्ट पावर स्तरको लागि अनुकूलन गर्न अतिरिक्त RF मिलान नेटवर्क डिजाइन गर्नु हो। यस अवस्थामा, कुशल RF देखि DC रूपान्तरण सुनिश्चित गर्न अन्त्य-देखि-अन्त प्रतिबाधा ब्यान्डविथ आवश्यक छ। त्यसकारण, यद्यपि एन्टेनाहरूले आवधिक तत्वहरू वा स्व-पूरक ज्यामिति प्रयोग गरेर सैद्धान्तिक रूपमा अनन्त वा अल्ट्रा-वाइड ब्यान्डविथ प्राप्त गर्न सक्छन्, रेक्टिफायर मिलान नेटवर्कद्वारा रेक्टेनाको ब्यान्डविथ अवरुद्ध हुनेछ।
एन्टेना र रेक्टिफायर बीचको परावर्तनलाई न्यूनतम गरेर र पावर ट्रान्सफरलाई अधिकतम बनाएर एकल-ब्यान्ड र बहु-ब्यान्ड हार्वेस्टिङ वा WPT प्राप्त गर्न धेरै रेक्टेना टोपोलोजीहरू प्रस्ताव गरिएको छ। चित्र २ ले रिपोर्ट गरिएको रेक्टेना टोपोलोजीहरूको संरचनाहरू देखाउँछ, तिनीहरूको प्रतिबाधा मिल्दो वास्तुकलाद्वारा वर्गीकृत। तालिका २ ले प्रत्येक श्रेणीको लागि अन्त्य-देखि-अन्त ब्यान्डविथ (यस अवस्थामा, FoM) को सन्दर्भमा उच्च-प्रदर्शन रेक्टेनाहरूको उदाहरणहरू देखाउँछ।
चित्र २ ब्यान्डविथ र प्रतिबाधा मिलान को दृष्टिकोण बाट रेक्टेना टोपोलोजी। (क) मानक एन्टेना संग एकल-ब्यान्ड रेक्टेना। (ख) प्रति ब्यान्ड एक रेक्टिफायर र मिलान नेटवर्क संग बहुब्यान्ड रेक्टेना (बहु परस्पर जोडिएको एन्टेना मिलेर बनेको)। (ग) प्रत्येक ब्यान्ड को लागी धेरै RF पोर्ट र छुट्टै मिलान नेटवर्क संग ब्रोडब्यान्ड रेक्टेना। (घ) ब्रोडब्यान्ड एन्टेना र ब्रोडब्यान्ड मिलान नेटवर्क संग ब्रोडब्यान्ड रेक्टेना। (ङ) रेक्टिफायर संग सिधै मिलान गरिएको विद्युतीय रूपमा सानो एन्टेना प्रयोग गरेर एकल-ब्यान्ड रेक्टेना। (च) रेक्टिफायर संग संयुग्मित गर्न जटिल प्रतिबाधा संग एकल-ब्यान्ड, विद्युतीय रूपमा ठूलो एन्टेना। (छ) फ्रिक्वेन्सी को एक दायरा मा रेक्टिफायर संग संयुग्मित गर्न जटिल प्रतिबाधा संग ब्रोडब्यान्ड रेक्टेना।
समर्पित फिडबाट WPT र एम्बियन्ट RFEH फरक रेक्टेना अनुप्रयोगहरू हुन्, ब्यान्डविथ दृष्टिकोणबाट उच्च पावर रूपान्तरण दक्षता (PCE) प्राप्त गर्न एन्टेना, रेक्टिफायर र लोड बीचको अन्त्य-देखि-अन्त मिलान प्राप्त गर्नु आधारभूत छ। यद्यपि, WPT रेक्टेनाहरूले निश्चित पावर स्तरहरू (टोपोलोजीहरू a, e र f) मा एकल-ब्यान्ड PCE सुधार गर्न उच्च गुणस्तर कारक मिलान (कम S11) प्राप्त गर्नमा बढी ध्यान केन्द्रित गर्छन्। एकल-ब्यान्ड WPT को फराकिलो ब्यान्डविथले डिट्युनिङ, निर्माण दोषहरू र प्याकेजिङ परजीवीहरू विरुद्ध प्रणाली प्रतिरक्षा सुधार गर्दछ। अर्कोतर्फ, RFEH रेक्टेनाहरूले बहु-ब्यान्ड सञ्चालनलाई प्राथमिकता दिन्छन् र टोपोलोजीहरू bd र g सँग सम्बन्धित छन्, किनकि एकल ब्यान्डको पावर स्पेक्ट्रल घनत्व (PSD) सामान्यतया कम हुन्छ।
३. आयताकार एन्टेना डिजाइन
१. एकल-फ्रिक्वेन्सी रेक्टेना
एकल-फ्रिक्वेन्सी रेक्टेना (टोपोलोजी A) को एन्टेना डिजाइन मुख्यतया मानक एन्टेना डिजाइनमा आधारित हुन्छ, जस्तै ग्राउन्ड प्लेनमा रेखीय ध्रुवीकरण (LP) वा गोलाकार ध्रुवीकरण (CP) रेडिएटिंग प्याच, द्विध्रुवीय एन्टेना र उल्टो F एन्टेना। डिफरेंशियल ब्यान्ड रेक्टेना धेरै एन्टेना एकाइहरू वा धेरै प्याच एकाइहरूको मिश्रित DC र RF संयोजनसँग कन्फिगर गरिएको DC संयोजन एरेमा आधारित हुन्छ।
धेरै प्रस्तावित एन्टेनाहरू एकल-फ्रिक्वेन्सी एन्टेनाहरू हुन् र एकल-फ्रिक्वेन्सी WPT को आवश्यकताहरू पूरा गर्छन्, वातावरणीय बहु-फ्रिक्वेन्सी RFEH खोज्दा, धेरै एकल-फ्रिक्वेन्सी एन्टेनाहरूलाई बहु-ब्यान्ड रेक्टेना (टोपोलोजी B) मा पारस्परिक युग्मन दमन र स्वतन्त्र DC संयोजनको साथ पावर व्यवस्थापन सर्किट पछि RF अधिग्रहण र रूपान्तरण सर्किटबाट पूर्ण रूपमा अलग गर्न संयुक्त गरिन्छ। यसको लागि प्रत्येक ब्यान्डको लागि धेरै पावर व्यवस्थापन सर्किटहरू आवश्यक पर्दछ, जसले बूस्ट कन्भर्टरको दक्षता घटाउन सक्छ किनभने एकल ब्यान्डको DC पावर कम हुन्छ।
२. मल्टी-ब्यान्ड र ब्रॉडब्यान्ड RFEH एन्टेनाहरू
वातावरणीय RFEH प्रायः बहु-ब्यान्ड अधिग्रहणसँग सम्बन्धित छ; त्यसैले, मानक एन्टेना डिजाइनहरूको ब्यान्डविथ सुधार गर्न र डुअल-ब्यान्ड वा ब्यान्ड एन्टेना एरेहरू बनाउनका लागि विधिहरू सुधार गर्न विभिन्न प्रविधिहरू प्रस्ताव गरिएको छ। यस खण्डमा, हामी RFEH हरूको लागि अनुकूलन एन्टेना डिजाइनहरू, साथै रेक्टेनाको रूपमा प्रयोग गर्न सकिने सम्भावना भएका क्लासिक बहु-ब्यान्ड एन्टेनाहरूको समीक्षा गर्छौं।
कोप्लानर वेभगाइड (CPW) मोनोपोल एन्टेनाहरूले समान फ्रिक्वेन्सीमा माइक्रोस्ट्रिप प्याच एन्टेनाहरू भन्दा कम क्षेत्र ओगटेका छन् र LP वा CP तरंगहरू उत्पादन गर्छन्, र प्रायः ब्रॉडब्यान्ड वातावरणीय रेक्टेनाहरूको लागि प्रयोग गरिन्छ। परावर्तन प्लेनहरू अलगाव बढाउन र लाभ सुधार गर्न प्रयोग गरिन्छ, जसले गर्दा प्याच एन्टेनाहरू जस्तै विकिरण ढाँचाहरू हुन्छन्। स्लटेड कोप्लानर वेभगाइड एन्टेनाहरू १.८–२.७ GHz वा १–३ GHz जस्ता धेरै फ्रिक्वेन्सी ब्यान्डहरूको लागि प्रतिबाधा ब्यान्डविथ सुधार गर्न प्रयोग गरिन्छ। कपल्ड-फेड स्लट एन्टेना र प्याच एन्टेनाहरू पनि सामान्यतया बहु-ब्यान्ड रेक्टेना डिजाइनहरूमा प्रयोग गरिन्छ। चित्र ३ ले केही रिपोर्ट गरिएका बहु-ब्यान्ड एन्टेनाहरू देखाउँछ जसले एक भन्दा बढी ब्यान्डविथ सुधार प्रविधि प्रयोग गर्दछ।
चित्र ३
एन्टेना-रेक्टिफायर इम्पेडेन्स मिलान
५०Ω एन्टेनालाई ननलाइनर रेक्टिफायरसँग मिलाउनु चुनौतीपूर्ण छ किनभने यसको इनपुट प्रतिबाधा फ्रिक्वेन्सीसँग धेरै फरक हुन्छ। टोपोलोजी A र B (चित्र २) मा, सामान्य मिल्दो नेटवर्क भनेको लम्प्ड एलिमेन्टहरू प्रयोग गर्ने LC मिलान हो; यद्यपि, सापेक्ष ब्यान्डविथ सामान्यतया धेरैजसो सञ्चार ब्यान्डहरू भन्दा कम हुन्छ। एकल-ब्यान्ड स्टब मिलान सामान्यतया माइक्रोवेभ र मिलिमिटर-वेभ ब्यान्डहरूमा ६ GHz भन्दा कम प्रयोग गरिन्छ, र रिपोर्ट गरिएको मिलिमिटर-वेभ रेक्टेनाहरूमा स्वाभाविक रूपमा साँघुरो ब्यान्डविथ हुन्छ किनभने तिनीहरूको PCE ब्यान्डविथ आउटपुट हार्मोनिक सप्रेसनद्वारा अड्किएको हुन्छ, जसले तिनीहरूलाई २४ GHz बिना लाइसेन्स ब्यान्डमा एकल-ब्यान्ड WPT अनुप्रयोगहरूको लागि विशेष रूपमा उपयुक्त बनाउँछ।
टोपोलोजी C र D मा रहेका रेक्टेनाहरूमा बढी जटिल मिल्दो नेटवर्कहरू छन्। ब्रॉडब्यान्ड मिल्दोको लागि पूर्ण रूपमा वितरित लाइन मिल्दो नेटवर्कहरू प्रस्ताव गरिएको छ, आउटपुट पोर्टमा RF ब्लक/DC सर्ट सर्किट (पास फिल्टर) वा डायोड हार्मोनिक्सको लागि फिर्ता मार्गको रूपमा DC ब्लकिङ क्यापेसिटरको साथ। रेक्टिफायर कम्पोनेन्टहरू प्रिन्टेड सर्किट बोर्ड (PCB) इन्टरडिजिटेड क्यापेसिटरहरू द्वारा प्रतिस्थापन गर्न सकिन्छ, जुन व्यावसायिक इलेक्ट्रोनिक डिजाइन स्वचालन उपकरणहरू प्रयोग गरेर संश्लेषित गरिन्छ। अन्य रिपोर्ट गरिएका ब्रॉडब्यान्ड रेक्टेना मिल्दो नेटवर्कहरूले इनपुटमा RF सर्ट सिर्जना गर्न कम फ्रिक्वेन्सीहरूसँग मिल्दो र वितरित तत्वहरूको लागि लम्पेड तत्वहरू संयोजन गर्छन्।
स्रोत (जसलाई स्रोत-पुल प्रविधि भनिन्छ) मार्फत लोडद्वारा अवलोकन गरिएको इनपुट प्रतिबाधामा भिन्नता ल्याउने प्रयोग ५७% सापेक्ष ब्यान्डविथ (१.२५–२.२५ GHz) र लम्प्ड वा वितरित सर्किटहरूको तुलनामा १०% उच्च PCE भएको ब्रॉडब्यान्ड रेक्टिफायर डिजाइन गर्न गरिएको छ। यद्यपि मिल्दो नेटवर्कहरू सामान्यतया सम्पूर्ण ५०Ω ब्यान्डविथमा एन्टेनाहरू मिलाउन डिजाइन गरिएको हुन्छ, साहित्यमा त्यहाँ रिपोर्टहरू छन् जहाँ ब्रॉडब्यान्ड एन्टेनाहरू न्यारोब्यान्ड रेक्टिफायरहरूमा जडान गरिएको छ।
हाइब्रिड लम्प्ड-एलिमेन्ट र डिस्ट्रिब्युटेड-एलिमेन्ट मिल्दो नेटवर्कहरू टोपोलोजी C र D मा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिएको छ, जसमा श्रृंखला इन्डक्टरहरू र क्यापेसिटरहरू सबैभन्दा बढी प्रयोग हुने लम्प्ड एलिमेन्टहरू हुन्। यसले इन्टरडिजिटेड क्यापेसिटरहरू जस्ता जटिल संरचनाहरूलाई बेवास्ता गर्दछ, जसलाई मानक माइक्रोस्ट्रिप लाइनहरू भन्दा बढी सटीक मोडेलिङ र निर्माण आवश्यक पर्दछ।
डायोडको ननलाइनरिटीको कारणले गर्दा रेक्टिफायरमा इनपुट पावरले इनपुट प्रतिबाधालाई असर गर्छ। त्यसकारण, रेक्टेनालाई विशिष्ट इनपुट पावर स्तर र लोड प्रतिबाधाको लागि PCE लाई अधिकतम बनाउन डिजाइन गरिएको हो। डायोडहरू मुख्यतया 3 GHz भन्दा कम फ्रिक्वेन्सीहरूमा क्यापेसिटिव उच्च प्रतिबाधा भएकाले, मिल्दो नेटवर्कहरू हटाउने वा सरलीकृत मिल्दो सर्किटहरूलाई न्यूनतम गर्ने ब्रॉडब्यान्ड रेक्टेनाहरू Prf>0 dBm र 1 GHz भन्दा माथिको फ्रिक्वेन्सीहरूमा केन्द्रित गरिएको छ, किनकि डायोडहरूमा कम क्यापेसिटिव प्रतिबाधा हुन्छ र एन्टेनासँग राम्रोसँग मिलाउन सकिन्छ, यसरी इनपुट प्रतिक्रिया >1,000Ω भएका एन्टेनाहरूको डिजाइनलाई बेवास्ता गरिन्छ।
अनुकूलनीय वा पुन: कन्फिगर योग्य प्रतिबाधा मिलान CMOS रेक्टेनामा देखिएको छ, जहाँ मिलान नेटवर्कमा अन-चिप क्यापेसिटर बैंक र इन्डक्टरहरू हुन्छन्। मानक 50Ω एन्टेनाका साथै सह-डिजाइन गरिएको लूप एन्टेनाका लागि स्थिर CMOS मिलान नेटवर्कहरू पनि प्रस्ताव गरिएको छ। यो रिपोर्ट गरिएको छ कि निष्क्रिय CMOS पावर डिटेक्टरहरू एन्टेनाको आउटपुटलाई उपलब्ध पावरमा निर्भर गर्दै विभिन्न रेक्टिफायरहरू र मिलान नेटवर्कहरूमा निर्देशित गर्ने स्विचहरू नियन्त्रण गर्न प्रयोग गरिन्छ। लम्प्ड ट्युनेबल क्यापेसिटरहरू प्रयोग गरेर पुन: कन्फिगर योग्य मिलान नेटवर्क प्रस्ताव गरिएको छ, जुन भेक्टर नेटवर्क विश्लेषक प्रयोग गरेर इनपुट प्रतिबाधा मापन गर्दा फाइन-ट्युनिङद्वारा ट्युन गरिएको छ। पुन: कन्फिगर योग्य माइक्रोस्ट्रिप मिलान नेटवर्कहरूमा, डुअल-ब्यान्ड विशेषताहरू प्राप्त गर्न मिलान स्टबहरू समायोजन गर्न फिल्ड इफेक्ट ट्रान्जिस्टर स्विचहरू प्रयोग गरिएको छ।
एन्टेनाको बारेमा थप जान्नको लागि, कृपया भ्रमण गर्नुहोस्:
पोस्ट समय: अगस्ट-०९-२०२४
