Anten-Düzləşdirici Birgə Dizayn
Şəkil 2-dəki EG topologiyasını izləyən rektennaların xarakteristikası, antenanın 50Ω standartına deyil, birbaşa rektifikatora uyğunlaşdırılmasıdır ki, bu da rektifikatoru işə salmaq üçün uyğun dövrəni minimuma endirməyi və ya aradan qaldırmağı tələb edir. Bu bölmədə 50Ω olmayan antenaları olan SoA rektennalarının və uyğun şəbəkələri olmayan rektennaların üstünlükləri nəzərdən keçirilir.
1. Elektrik baxımından kiçik antenalar
LC rezonanslı halqa antenaları sistem ölçüsünün vacib olduğu tətbiqlərdə geniş istifadə edilmişdir. 1 GHz-dən aşağı tezliklərdə dalğa uzunluğu standart paylanmış element antenalarının sistemin ümumi ölçüsündən daha çox yer tutmasına səbəb ola bilər və bədən implantları üçün tam inteqrasiya olunmuş ötürücü-ötürücülər kimi tətbiqlər WPT üçün elektrik baxımından kiçik antenaların istifadəsindən xüsusilə faydalanır.
Kiçik antenanın yüksək induktiv impedansı (yaxın rezonans) düzəldicini birbaşa birləşdirmək və ya əlavə çipdəki tutum uyğunlaşdırma şəbəkəsi ilə istifadə edilə bilər. Hüygens dipol antenalarından istifadə edərək 1 GHz-dən aşağı LP və CP ilə WPT-də elektrik baxımından kiçik antenalar ka=0.645, normal dipollarda isə ka=5.91 (ka=2πr/λ0) ilə bildirilmişdir.
2. Düzəldici konjugat antenası
Diodun tipik giriş empedansı yüksək tutumludur, buna görə də konjugat empedansa nail olmaq üçün induktiv antenna tələb olunur. Çipin tutumlu empedansına görə, yüksək empedanslı induktiv antennalar RFID etiketlərində geniş istifadə olunur. Dipol antennaları son zamanlar rezonans tezliyinə yaxın yüksək empedans (müqavimət və reaksiya) nümayiş etdirərək mürəkkəb empedanslı RFID antennalarında trend halını alıb.
Maraq doğuran tezlik diapazonunda rektifikatorun yüksək tutumunu uyğunlaşdırmaq üçün induktiv dipol antenaları istifadə edilmişdir. Qatlanmış dipol antenasında ikiqat qısa xətt (dipol qatlanması) impedans transformatoru kimi çıxış edir və bu da son dərəcə yüksək impedans antenasının dizaynına imkan verir. Alternativ olaraq, qərəzli qidalanma induktiv reaksiyanı, eləcə də faktiki impedansı artırmaqdan məsuldur. Birdən çox qərəzli dipol elementini balanssız bantlı radial dayaqlarla birləşdirmək ikili genişzolaqlı yüksək impedanslı antena əmələ gətirir. Şəkil 4-də bəzi bildirilən rektifikator konjugat antenaları göstərilir.
Şəkil 4
RFEH və WPT-də radiasiya xüsusiyyətləri
Friis modelində, ötürücüdən d məsafədə yerləşən anten tərəfindən qəbul edilən PRX gücü, qəbuledici və ötürücü qazanclarının (GRX, GTX) birbaşa funksiyasıdır.
Antenin əsas lob istiqaməti və polyarizasiyası düşən dalğadan toplanan gücün miqdarına birbaşa təsir göstərir. Anten şüalanma xüsusiyyətləri ətraf mühit RFH və WPT arasında fərq qoyan əsas parametrlərdir (Şəkil 5). Hər iki tətbiqdə yayılma mühiti naməlum ola bilsə də və onun qəbul edilən dalğaya təsiri nəzərə alınmalı olsa da, ötürücü anten haqqında məlumatdan istifadə etmək olar. Cədvəl 3 bu bölmədə müzakirə edilən əsas parametrləri və onların RFH və WPT-yə tətbiqini müəyyən edir.
Şəkil 5
1. İstiqamətləndirmə və Qazanc
Əksər RFEH və WPT tətbiqlərində kollektorun düşən şüalanmanın istiqamətini bilmədiyi və görmə xətti (LoS) yolunun olmadığı güman edilir. Bu işdə, ötürücü və qəbuledici arasındakı əsas lob hizalanmasından asılı olmayaraq, naməlum mənbədən alınan gücü maksimum dərəcədə artırmaq üçün çoxsaylı anten dizaynları və yerləşmələri araşdırılmışdır.
Ətraf mühit RFEH rektennalarında çoxistiqamətli antenalar geniş istifadə olunur. Ədəbiyyatda PSD antenanın istiqamətindən asılı olaraq dəyişir. Lakin gücdəki dəyişiklik izah olunmayıb, ona görə də dəyişikliyin antenanın şüalanma modeli ilə, yoxsa polyarizasiya uyğunsuzluğu ilə bağlı olduğunu müəyyən etmək mümkün deyil.
RFEH tətbiqlərinə əlavə olaraq, aşağı RF güc sıxlığının toplama səmərəliliyini artırmaq və ya yayılma itkilərini aradan qaldırmaq üçün mikrodalğalı WPT üçün yüksək qazanclı istiqamətli antenalar və massivlər geniş şəkildə bildirilmişdir. Yagi-Uda rektenna massivləri, bantlı massivlər, spiral massivlər, sıx birləşdirilmiş Vivaldi massivləri, CPW CP massivləri və yamaq massivləri müəyyən bir ərazidə düşən güc sıxlığını maksimum dərəcədə artıra bilən miqyaslı rektenna tətbiqləri arasındadır. Anten qazancını yaxşılaşdırmaq üçün digər yanaşmalara WPT-yə xas olan mikrodalğalı və millimetr dalğa zolaqlarında substrat inteqrasiya olunmuş dalğa ötürücüsü (SIW) texnologiyası daxildir. Bununla belə, yüksək qazanclı rektennalar dar şüa eni ilə xarakterizə olunur və bu da ixtiyari istiqamətlərdə dalğaların qəbulunu səmərəsiz edir. Anten elementlərinin və portlarının sayı ilə bağlı araşdırmalar, üçölçülü ixtiyari düşmə fərziyyəsi ilə ətraf mühit RFEH-də daha yüksək yığım gücünə uyğun gəlmədiyi qənaətinə gəldi; bu, şəhər mühitlərində sahə ölçmələri ilə təsdiqləndi. Yüksək qazanclı massivlər WPT tətbiqləri ilə məhdudlaşdırıla bilər.
Yüksək gəlirli antenaların üstünlüklərini ixtiyari RFH-lərə ötürmək üçün istiqamətləndirmə problemini həll etmək üçün qablaşdırma və ya düzülüş həlləri istifadə olunur. Ətraf mühitdəki Wi-Fi RFH-lərdən enerjini iki istiqamətdə toplamaq üçün ikiqat yamaqlı antena bilək bandı təklif olunur. Ətraf mühitdəki mobil RFH antenaları da 3D qutular şəklində hazırlanır və sistem sahəsini azaltmaq və çoxistiqamətli yığımı təmin etmək üçün xarici səthlərə çap olunur və ya yapışdırılır. Kub rektenna strukturları ətraf mühitdəki RFH-lərdə enerji qəbul etmə ehtimalını daha yüksək göstərir.
2.4 GHz, 4 × 1 massivlərində WPT-ni təkmilləşdirmək üçün köməkçi parazit yamaq elementləri də daxil olmaqla, şüa genişliyini artırmaq üçün anten dizaynında təkmilləşdirmələr aparılmışdır. Hər portda birdən çox şüa nümayiş etdirən çoxlu şüa bölgəsinə malik 6 GHz torlu anten də təklif edilmişdir. Çoxistiqamətli və çoxpolyarlaşdırılmış RFEH üçün çoxistiqamətli şüalanma nümunələrinə malik çoxportlu, çoxrektifikatorlu səth rektennaları və enerji yığma antenləri təklif edilmişdir. Yüksək gəlirli, çoxistiqamətli enerji yığımı üçün şüa əmələ gətirən matrislərə və çoxportlu anten massivlərinə malik çoxrektifikatorlar da təklif edilmişdir.
Xülasə, aşağı RF sıxlığından əldə edilən gücü artırmaq üçün yüksək gücləndiricili antenalara üstünlük verilsə də, yüksək istiqamətli qəbuledicilər ötürücünün istiqaməti məlum olmayan tətbiqlərdə (məsələn, naməlum yayılma kanalları vasitəsilə ətraf mühit RFH və ya WPT) ideal olmaya bilər. Bu işdə çoxistiqamətli yüksək gücləndiricili WPT və RFH üçün çoxlu çoxşüalı yanaşmalar təklif olunur.
2. Anten polyarizasiyası
Anten polyarizasiyası, elektrik sahəsi vektorunun anten yayılma istiqamətinə nisbətən hərəkətini təsvir edir. Polyarizasiya uyğunsuzluqları, əsas lob istiqamətləri uyğunlaşdırıldıqda belə, antenalar arasında ötürmə/qəbulun azalmasına səbəb ola bilər. Məsələn, ötürmə üçün şaquli LP antenası, qəbul üçün isə üfüqi LP antenası istifadə olunarsa, heç bir enerji alınmayacaq. Bu bölmədə simsiz qəbul səmərəliliyini maksimum dərəcədə artırmaq və polyarizasiya uyğunsuzluğu itkilərinin qarşısını almaq üçün bildirilən metodlar nəzərdən keçirilir. Təklif olunan rektenna arxitekturasının polyarizasiya ilə bağlı xülasəsi Şəkil 6-da, SoA nümunəsi isə Cədvəl 4-də verilmişdir.
Şəkil 6
Mobil rabitədə baza stansiyaları və mobil telefonlar arasında xətti polyarizasiya uyğunlaşdırılmasına nail olmaq mümkün deyil, buna görə də baza stansiyası antenaları polyarizasiya uyğunsuzluğu itkilərinin qarşısını almaq üçün ikiqat polyarizasiyalı və ya çoxpolyarizasiyalı şəkildə hazırlanmışdır. Lakin, çoxyollu effektlərə görə LP dalğalarının polyarizasiya dəyişkənliyi həll olunmamış problem olaraq qalır. Çoxpolyarizasiyalı mobil baza stansiyaları fərziyyəsinə əsasən, mobil RFEH antenaları LP antenaları kimi hazırlanmışdır.
CP rektennaları əsasən WPT-də istifadə olunur, çünki onlar uyğunsuzluğa nisbətən davamlıdırlar. CP antenaları bütün LP dalğalarına əlavə olaraq eyni fırlanma istiqaməti ilə (sol əlli və ya sağ əlli CP) CP şüalanmasını enerji itkisi olmadan qəbul edə bilir. Hər halda, CP antenası ötürür və LP antenası 3 dB itki (50% enerji itkisi) ilə qəbul edir. CP rektennalarının 900 MHz və 2.4 GHz və 5.8 GHz sənaye, elmi və tibbi diapazonlar, eləcə də millimetr dalğaları üçün uyğun olduğu bildirilir. Özbaşına polyarlaşdırılmış dalğaların RFH-də polyarizasiya müxtəlifliyi polyarizasiya uyğunsuzluğu itkilərinə potensial həll yolu təmsil edir.
Tam polyarizasiya, həmçinin çoxpolyarizasiya kimi də tanınır, polyarizasiya uyğunsuzluğu itkilərini tamamilə aradan qaldırmaq üçün təklif edilmişdir ki, bu da həm CP, həm də LP dalğalarının toplanmasına imkan verir, burada iki ikiqat polyarlaşdırılmış ortoqonal LP elementi bütün LP və CP dalğalarını effektiv şəkildə qəbul edir. Bunu göstərmək üçün şaquli və üfüqi xalis gərginliklər (VV və VH) polyarizasiya bucağından asılı olmayaraq sabit qalır:
CP elektromaqnit dalğası “E” elektrik sahəsi, burada güc iki dəfə (vahid başına bir dəfə) toplanır, bununla da CP komponenti tam şəkildə qəbul edilir və 3 dB polyarizasiya uyğunsuzluğu itkisinin qarşısını alınır:
Nəhayət, DC kombinasiyası vasitəsilə ixtiyari polyarizasiyanın düşən dalğaları qəbul edilə bilər. Şəkil 7-də bildirilən tam polyarlaşdırılmış rektennanın həndəsəsi göstərilir.
Şəkil 7
Xülasə, xüsusi enerji təchizatı olan WPT tətbiqlərində CP üstünlük təşkil edir, çünki antenanın polyarizasiya bucağından asılı olmayaraq WPT səmərəliliyini artırır. Digər tərəfdən, çoxmənbəli əldə etmədə, xüsusən də ətraf mühit mənbələrindən, tam polyarlaşdırılmış antenalar daha yaxşı ümumi qəbul və maksimum daşınabilirlik əldə edə bilər; RF və ya DC-də tam polyarlaşdırılmış gücü birləşdirmək üçün çoxportlu/çoxrektifikatorlu arxitekturalar tələb olunur.
Xülasə
Bu məqalədə RFEH və WPT üçün anten dizaynındakı son irəliləyişlər nəzərdən keçirilir və əvvəlki ədəbiyyatda təklif olunmayan RFEH və WPT üçün anten dizaynının standart təsnifatı təklif olunur. Yüksək RF-DC səmərəliliyinə nail olmaq üçün üç əsas anten tələbi müəyyən edilmişdir:
1. Maraq doğuran RFEH və WPT diapazonları üçün anten düzəldici impedans bant genişliyi;
2. Xüsusi bir qidalanmadan WPT-də ötürücü və qəbuledici arasında əsas lobun uyğunlaşdırılması;
3. Bucaq və mövqedən asılı olmayaraq rektenna ilə düşən dalğa arasında polyarizasiya uyğunluğu.
İmpedansa əsasən, rektennalar 50Ω və rektifikatorlu konjugat rektennalara təsnif edilir və əsas diqqət müxtəlif zolaqlar və yüklər arasında impedans uyğunluğuna və hər bir uyğunlaşdırma metodunun səmərəliliyinə yönəldilir.
SoA rektennalarının radiasiya xüsusiyyətləri istiqamətləndirmə və polyarizasiya baxımından nəzərdən keçirilmişdir. Dar şüa genişliyini aradan qaldırmaq üçün şüa formalaşdırma və qablaşdırma yolu ilə qazancı artırmaq üsulları müzakirə olunur. Nəhayət, WPT və RFEH üçün polyarizasiyadan asılı olmayan qəbula nail olmaq üçün müxtəlif tətbiqlərlə yanaşı, WPT üçün CP rektennaları da nəzərdən keçirilir.
Antenlər haqqında daha çox məlumat əldə etmək üçün zəhmət olmasa, ziyarət edin:
Yazı vaxtı: 16 Avqust 2024
