Antenna-Düzləndirici birgə dizayn
Şəkil 2-də EG topologiyasına uyğun olaraq rectennaların xarakterik cəhəti ondan ibarətdir ki, antenna 50Ω standartına deyil, birbaşa rektifikatora uyğunlaşdırılıb və bu, rektifikatoru gücləndirmək üçün uyğun dövrəni minimuma endirməyi və ya ləğv etməyi tələb edir. Bu bölmə 50Ω olmayan antenalar və uyğun şəbəkələri olmayan rektenalar ilə SoA rectennalarının üstünlüklərini nəzərdən keçirir.
1. Elektrik Kiçik Antenalar
LC rezonans halqa antenaları sistem ölçüsünün kritik 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 ötürücülər kimi proqramlar WPT üçün elektrik cəhətdən kiçik antenaların istifadəsindən xüsusilə faydalanır.
Kiçik antenanın yüksək induktiv empedansı (rezonansa yaxın) rektifikatoru birbaşa birləşdirmək üçün və ya əlavə çipdə olan kapasitiv uyğunluq şəbəkəsi ilə istifadə edilə bilər. Hüygens dipol antenalarından istifadə edərək 1 GHz-dən aşağı LP və CP ilə WPT-də elektrik cəhətdən kiçik antenalar, ka=0,645, ka=5,91 isə normal dipollarda (ka=2πr/λ0) bildirilmişdir.
2. Düzləşdirici konjugat antenası
Bir diodun tipik giriş empedansı yüksək tutumludur, ona görə də konjugat empedansa nail olmaq üçün induktiv antenna tələb olunur. Çipin kapasitiv empedansına görə yüksək empedanslı induktiv antenalar RFID etiketlərində geniş istifadə edilmişdir. Dipol antenalar bu yaxınlarda rezonans tezliyinə yaxın yüksək empedans (müqavimət və reaksiya) nümayiş etdirən kompleks empedanslı RFID antenalarında trendə çevrilmişdir.
Maraqlanan tezlik diapazonunda rektifikatorun yüksək tutumuna uyğun gəlmək üçün induktiv dipol antenalardan istifadə edilmişdir. Qatlanmış dipol antenada ikiqat qısa xətt (dipol qatlama) son dərəcə yüksək empedanslı antenanın dizaynına imkan verən empedans transformatoru kimi çıxış edir. Alternativ olaraq, qərəzli qidalanma induktiv reaktivliyi və faktiki empedansı artırmaqdan məsuldur. Çoxsaylı qərəzli dipol elementləri balanssız papyonlu radial çubuqlarla birləşdirərək ikili genişzolaqlı yüksək empedanslı antena əmələ gətirir. Şəkil 4 bəzi bildirilmiş rektifikator konjugat antenalarını göstərir.
Şəkil 4
RFEH və WPT-də radiasiya xüsusiyyətləri
Friis modelində, ötürücüdən d məsafəsində bir anten tərəfindən qəbul edilən güc PRX qəbuledici və ötürücü qazanclarının (GRX, GTX) birbaşa funksiyasıdır.
Antenanın əsas lob istiqaməti və qütbləşməsi hadisə dalğasından toplanan gücün miqdarına birbaşa təsir göstərir. Antenanın radiasiya xüsusiyyətləri ətraf mühit RFEH və WPT arasında fərq yaradan əsas parametrlərdir (Şəkil 5). Hər iki tətbiqdə yayılma mühiti naməlum ola bilər və onun qəbul edilən dalğaya təsiri nəzərə alınmalı olsa da, ötürücü antenna haqqında biliklərdən istifadə etmək olar. Cədvəl 3 bu bölmədə müzakirə edilən əsas parametrləri və onların RFEH və WPT-yə tətbiqini müəyyən edir.
Şəkil 5
1. İstiqamət və Qazanc
Əksər RFEH və WPT tətbiqlərində kollektorun hadisə radiasiyasının istiqamətini bilmədiyi və görmə xətti (LoS) yolu olmadığı güman edilir. Bu işdə ötürücü və qəbuledici arasında əsas lob düzülüşündən asılı olmayaraq naməlum mənbədən alınan gücü maksimuma çatdırmaq üçün çoxlu antenna dizaynları və yerləşdirmələri araşdırılmışdır.
Çox yönlü antenalar ətraf mühitin RFEH rectennalarında geniş istifadə edilmişdir. Ədəbiyyatda PSD antenanın oriyentasiyasından asılı olaraq dəyişir. Bununla belə, gücün dəyişməsi izah edilməmişdir, ona görə də dəyişkənliyin antenanın radiasiya nümunəsi və ya qütbləşmə uyğunsuzluğu ilə bağlı olduğunu müəyyən etmək mümkün deyil.
RFEH tətbiqlərinə əlavə olaraq, aşağı RF enerji sıxlığının toplanmasının səmərəliliyini artırmaq və ya yayılma itkilərini aradan qaldırmaq üçün mikrodalğalı WPT üçün yüksək qazanclı istiqamətli antenalar və massivlər geniş şəkildə bildirilmişdir. Yagi-Uda rectenna massivləri, papyon massivləri, spiral massivlər, sıx birləşdirilmiş Vivaldi massivləri, CPW CP massivləri və yamaq massivləri müəyyən bir ərazidə baş verən güc sıxlığını maksimuma çatdıra bilən genişlənə bilən rectenna tətbiqləri arasındadır. Antenna qazancını yaxşılaşdırmaq üçün digər yanaşmalara mikrodalğalı və millimetr dalğa zolaqlarında, WPT-yə xas olan substrata inteqrasiya olunmuş dalğa ötürücü (SIW) texnologiyası daxildir. Bununla belə, yüksək qazanclı rektenalar dar şüa genişliyi ilə xarakterizə olunur, bu da ixtiyari istiqamətlərdə dalğaların qəbulunu səmərəsiz edir. Anten elementlərinin və portlarının sayına dair araşdırmalar belə nəticəyə gəldi ki, daha yüksək istiqamətləndiricilik ətraf mühitin RFEH-də üçölçülü ixtiyari halları nəzərə alaraq daha yüksək yığılmış gücə uyğun gəlmir; bu, şəhər mühitlərində aparılan sahə ölçmələri ilə təsdiq edilmişdir. Yüksək qazanclı massivlər WPT tətbiqləri ilə məhdudlaşdırıla bilər.
Yüksək qazanclı antenaların üstünlüklərini ixtiyari RFEH-lərə ötürmək üçün yönləndirmə problemini aradan qaldırmaq üçün qablaşdırma və ya layout həllərindən istifadə edilir. Ətrafdakı Wi-Fi RFEH-lərdən iki istiqamətdə enerji toplamaq üçün ikiqat yamaqlı antenna qolbağı təklif olunur. Ətraf mühitin mobil RFEH antenaları həmçinin 3D qutular kimi dizayn edilir və sistem sahəsini azaltmaq və çox istiqamətli yığımı təmin etmək üçün çap olunur və ya xarici səthlərə yapışdırılır. Kub rektenna strukturları ətraf RFEH-lərdə enerji qəbulu ehtimalının daha yüksək olduğunu nümayiş etdirir.
Yardımçı parazitar yamaq elementləri də daxil olmaqla şüa genişliyini artırmaq üçün antenna dizaynında təkmilləşdirmələr 2.4 GHz, 4 × 1 massivlərdə WPT-ni yaxşılaşdırmaq üçün edildi. Çoxlu şüa bölgələri olan 6 GHz şəbəkəli antenna da təklif edilmişdir ki, bu da hər port üçün çoxlu şüaları nümayiş etdirir. Çoxistiqamətli və çoxqütblü RFEH üçün çox portlu, çox rektifikatorlu yerüstü rektenalar və çoxistiqamətli şüalanma nümunələri olan enerji yığan antenalar təklif edilmişdir. Yüksək qazanclı, çoxistiqamətli enerji yığımı üçün şüa formalaşdıran matrisləri və çox portlu antenna massivləri olan çox rektifikatorlar da təklif edilmişdir.
Xülasə, aşağı RF sıxlığından əldə edilən gücü yaxşılaşdırmaq üçün yüksək qazanclı antenalara üstünlük verilsə də, yüksək istiqamətli qəbuledicilər ötürücü istiqamətinin bilinmədiyi tətbiqlərdə ideal olmaya bilər (məsələn, ətraf mühit RFEH və ya naməlum yayılma kanalları vasitəsilə WPT). Bu işdə çox istiqamətli yüksək qazanclı WPT və RFEH üçün çoxlu şüa yanaşmaları təklif olunur.
2. Antenanın Polarizasiyası
Antenanın qütbləşməsi elektrik sahəsinin vektorunun antenanın yayılma istiqamətinə nisbətən hərəkətini təsvir edir. Qütbləşmə uyğunsuzluğu hətta əsas lob istiqamətləri uyğunlaşdırıldıqda belə antenalar arasında ötürülmə/qəbulun azalmasına səbəb ola bilər. Məsələn, ötürmə üçün şaquli LP antennası və qəbul üçün üfüqi LP antenası istifadə edilərsə, heç bir güc alınmayacaq. Bu bölmədə simsiz qəbulun effektivliyini artırmaq və qütbləşmə uyğunsuzluğu itkilərinin qarşısını almaq üçün məlumat verilmiş üsullar nəzərdən keçirilir. Qütbləşmə ilə bağlı təklif olunan rektenna arxitekturasının xülasəsi Şəkil 6-da və SoA nümunəsi Cədvəl 4-də verilmişdir.
Şəkil 6
Mobil rabitədə, baza stansiyaları və mobil telefonlar arasında xətti qütbləşməyə nail olmaq ehtimalı azdır, buna görə də baza stansiyalarının antenaları qütbləşmə uyğunsuzluğu itkilərinin qarşısını almaq üçün ikiqat qütblü və ya çoxqütblü olmaq üçün nəzərdə tutulmuşdur. Bununla belə, çox yollu təsirlərə görə LP dalğalarının qütbləşmə dəyişməsi həll edilməmiş problem olaraq qalır. Çox qütblü mobil baza stansiyaları fərziyyəsinə əsaslanaraq, mobil RFEH antenaları LP antenaları kimi hazırlanmışdır.
CP rectennas əsasən WPT-də istifadə olunur, çünki onlar uyğunsuzluğa nisbətən davamlıdırlar. CP antenaları enerji itkisi olmadan bütün LP dalğalarına əlavə olaraq eyni fırlanma istiqaməti ilə (sol və ya sağ əlli CP) CP radiasiyasını qəbul edə bilir. İstənilən halda, CP antenası ötürür və LP antennası 3 dB itki ilə (50% güc itkisi) qəbul edir. CP rectennaların 900 MHz və 2.4 GHz və 5.8 GHz sənaye, elmi və tibbi diapazonlar, həmçinin millimetr dalğaları üçün uyğun olduğu bildirilir. Özbaşına qütbləşmiş dalğaların RFEH-də qütbləşmə müxtəlifliyi qütbləşmə uyğunsuzluğu itkilərinin potensial həllini təmsil edir.
Çox qütbləşmə kimi də tanınan tam qütbləşmə, qütbləşmə uyğunsuzluğu itkilərini tamamilə aradan qaldırmaq üçün təklif edilmişdir ki, bu da həm CP, həm də LP dalğalarının toplanmasına imkan verir, burada iki ikiqat qütblü ortoqonal LP elementi bütün LP və CP dalğalarını effektiv şəkildə qəbul edir. Bunu göstərmək üçün şaquli və üfüqi xalis gərginliklər (VV və VH) qütbləşmə bucağından asılı olmayaraq sabit qalır:
CP elektromaqnit dalğası "E" elektrik sahəsi, burada güc iki dəfə (vahiddə bir dəfə) toplanır və bununla da CP komponentini tam alır və 3 dB polarizasiya uyğunsuzluğunu aradan qaldırır:
Nəhayət, DC birləşməsi vasitəsilə ixtiyari qütbləşmənin hadisə dalğaları qəbul edilə bilər. Şəkil 7 bildirilmiş tam qütbləşmiş düz rektenanın həndəsəsini göstərir.
Şəkil 7
Xülasə, xüsusi enerji təchizatı ilə WPT tətbiqlərində CP-yə üstünlük verilir, çünki o, antenanın qütbləşmə bucağından asılı olmayaraq WPT səmərəliliyini artırır. Digər tərəfdən, çoxmənbəli əldəetmədə, xüsusilə ətraf mühit mənbələrindən, tam qütbləşmiş antenalar daha yaxşı ümumi qəbula və maksimum daşıma qabiliyyətinə nail ola bilər; RF və ya DC-də tam qütbləşmiş gücü birləşdirmək üçün çox portlu/çox rektifikator arxitekturaları tələb olunur.
Xülasə
Bu yazı RFEH və WPT üçün antenna dizaynında son irəliləyişə nəzər salır və əvvəlki ədəbiyyatda təklif olunmayan RFEH və WPT üçün antenna dizaynının standart təsnifatını təklif edir. RF-dən DC-yə yüksək səmərəliliyə nail olmaq üçün üç əsas antenna tələbi müəyyən edilmişdir:
1. Maraqlanan RFEH və WPT diapazonları üçün antenna rektifikatorunun empedansının bant genişliyi;
2. Xüsusi yemdən WPT-də ötürücü və qəbuledici arasında əsas lob düzülüşü;
3. Bucaqdan və mövqedən asılı olmayaraq rektenna və hadisə dalğası arasında polarizasiya uyğunluğu.
Empedansa əsasən, rectennalar 50Ω və rektifikator konjugat rectennalara təsnif edilir, burada diqqət müxtəlif lentlər və yüklər arasında empedans uyğunluğuna və hər bir uyğunluq metodunun səmərəliliyinə diqqət yetirir.
SoA rectennalarının radiasiya xüsusiyyətləri yönləndirmə və qütbləşmə baxımından nəzərdən keçirilmişdir. Dar şüa genişliyini aradan qaldırmaq üçün şüa formalaşdırma və qablaşdırma ilə qazancın yaxşılaşdırılması üsulları müzakirə olunur. Nəhayət, WPT və RFEH üçün qütbləşmədən müstəqil qəbula nail olmaq üçün müxtəlif tətbiqlərlə birlikdə WPT üçün CP rektennaları nəzərdən keçirilir.
Antenalar haqqında daha çox məlumat əldə etmək üçün müraciət edin:
Göndərmə vaxtı: 16 avqust 2024-cü il
