1.परिचय
रेडिओ फ्रिक्वेन्सी (RF) एनर्जी हार्वेस्टिंग (RFEH) आणि रेडिएटिव्ह वायरलेस पॉवर ट्रान्सफर (WPT) यांनी बॅटरी-मुक्त शाश्वत वायरलेस नेटवर्क्स प्राप्त करण्याच्या पद्धती म्हणून खूप रस घेतला आहे. रेक्टेना हे WPT आणि RFEH सिस्टीमचे कोनशिला आहेत आणि लोडवर वितरित केलेल्या DC पॉवरवर महत्त्वपूर्ण प्रभाव पाडतात. रेक्टेनाचे अँटेना घटक कापणीच्या कार्यक्षमतेवर थेट परिणाम करतात, ज्यामुळे कापणीची शक्ती अनेक क्रमाने बदलू शकते. हा पेपर WPT आणि सभोवतालच्या RFEH ऍप्लिकेशन्समध्ये वापरल्या जाणाऱ्या अँटेना डिझाइनचे पुनरावलोकन करतो. नोंदवलेले रेक्टेना दोन मुख्य निकषांनुसार वर्गीकृत केले आहेत: अँटेना दुरुस्त करणारा प्रतिबाधा बँडविड्थ आणि अँटेनाची रेडिएशन वैशिष्ट्ये. प्रत्येक निकषासाठी, भिन्न अर्जांसाठी गुणवत्तेचा आकडा (FoM) निर्धारित केला जातो आणि तुलनात्मकपणे पुनरावलोकन केले जाते.
20 व्या शतकाच्या सुरुवातीला टेस्लाने हजारो अश्वशक्ती प्रसारित करण्याची पद्धत म्हणून WPT प्रस्तावित केले होते. रेक्टेना हा शब्द, जो आरएफ पॉवर काढण्यासाठी रेक्टिफायरशी जोडलेल्या अँटेनाचे वर्णन करतो, 1950 च्या दशकात स्पेस मायक्रोवेव्ह पॉवर ट्रान्समिशन ऍप्लिकेशन्स आणि ऑटोनॉमस ड्रोनला उर्जा देण्यासाठी उदयास आला. सर्व दिशात्मक, लांब-श्रेणी WPT प्रसार माध्यमाच्या (हवा) भौतिक गुणधर्मांद्वारे मर्यादित आहे. म्हणून, व्यावसायिक WPT प्रामुख्याने वायरलेस कंझ्युमर इलेक्ट्रॉनिक्स चार्जिंग किंवा RFID साठी जवळ-क्षेत्र नॉन-रेडिएटिव्ह पॉवर ट्रान्सफरपर्यंत मर्यादित आहे.
सेमीकंडक्टर उपकरणे आणि वायरलेस सेन्सर नोड्सचा उर्जा वापर कमी होत असल्याने, सभोवतालच्या RFEH वापरून किंवा वितरित कमी-पावर सर्वदिशात्मक ट्रान्समीटर वापरून सेन्सर नोड्सला पॉवर करणे अधिक व्यवहार्य बनते. अल्ट्रा-लो-पॉवर वायरलेस पॉवर सिस्टममध्ये सामान्यत: आरएफ अधिग्रहण फ्रंट एंड, डीसी पॉवर आणि मेमरी मॅनेजमेंट आणि लो-पॉवर मायक्रोप्रोसेसर आणि ट्रान्सीव्हर असतात.
आकृती 1 RFEH वायरलेस नोडचे आर्किटेक्चर आणि सामान्यपणे नोंदवलेले RF फ्रंट-एंड अंमलबजावणी दर्शवते. वायरलेस पॉवर सिस्टमची एंड-टू-एंड कार्यक्षमता आणि सिंक्रोनाइझ वायरलेस माहिती आणि पॉवर ट्रान्सफर नेटवर्कची आर्किटेक्चर वैयक्तिक घटकांच्या कार्यक्षमतेवर अवलंबून असते, जसे की अँटेना, रेक्टिफायर्स आणि पॉवर मॅनेजमेंट सर्किट्स. प्रणालीच्या विविध भागांसाठी अनेक साहित्य सर्वेक्षण केले गेले आहेत. तक्ता 1 पॉवर रूपांतरण स्टेज, कार्यक्षम शक्ती रूपांतरणासाठी मुख्य घटक आणि प्रत्येक भागासाठी संबंधित साहित्य सर्वेक्षणांचा सारांश देते. अलीकडील साहित्य पॉवर रूपांतरण तंत्रज्ञान, रेक्टिफायर टोपोलॉजीज किंवा नेटवर्क-जागरूक RFEH वर लक्ष केंद्रित करते.
आकृती 1
तथापि, अँटेना डिझाइनला RFEH मध्ये एक महत्त्वपूर्ण घटक मानले जात नाही. जरी काही साहित्य अँटेना बँडविड्थ आणि कार्यक्षमतेचा संपूर्ण दृष्टीकोनातून किंवा विशिष्ट अँटेना डिझाइन दृष्टीकोनातून विचार करते, जसे की लघु किंवा घालण्यायोग्य अँटेना, पॉवर रिसेप्शन आणि रूपांतरण कार्यक्षमतेवर विशिष्ट अँटेना पॅरामीटर्सच्या प्रभावाचे तपशीलवार विश्लेषण केले जात नाही.
हा पेपर RFEH आणि WPT विशिष्ट अँटेना डिझाइन आव्हानांना मानक कम्युनिकेशन अँटेना डिझाइनमधून वेगळे करण्याच्या उद्देशाने रेक्टेनामधील अँटेना डिझाइन तंत्रांचे पुनरावलोकन करतो. अँटेनाची तुलना दोन दृष्टीकोनातून केली जाते: एंड-टू-एंड प्रतिबाधा जुळणी आणि रेडिएशन वैशिष्ट्ये; प्रत्येक बाबतीत, अत्याधुनिक (SoA) अँटेनामध्ये FoM ओळखले जाते आणि त्याचे पुनरावलोकन केले जाते.
2. बँडविड्थ आणि जुळणी: नॉन-50Ω RF नेटवर्क
50Ω चे वैशिष्ट्यपूर्ण प्रतिबाधा हे मायक्रोवेव्ह अभियांत्रिकी ऍप्लिकेशन्समधील क्षीणन आणि शक्ती यांच्यातील तडजोडीचा प्रारंभिक विचार आहे. अँटेनामध्ये, प्रतिबाधा बँडविड्थ ही वारंवारता श्रेणी म्हणून परिभाषित केली जाते जिथे परावर्तित शक्ती 10% (S11< − 10 dB) पेक्षा कमी असते. लो नॉइज ॲम्प्लिफायर्स (LNAs), पॉवर ॲम्प्लिफायर आणि डिटेक्टर हे विशेषत: 50Ω इनपुट प्रतिबाधा जुळणीसह डिझाइन केलेले असल्याने, 50Ω स्त्रोताचा संदर्भ पारंपारिकपणे दिला जातो.
रेक्टेनामध्ये, अँटेनाचे आउटपुट थेट रेक्टिफायरमध्ये दिले जाते आणि डायोडच्या नॉनलाइनरिटीमुळे इनपुट प्रतिबाधामध्ये मोठा फरक होतो, ज्यामध्ये कॅपेसिटिव्ह घटक हावी असतो. 50Ω अँटेना गृहीत धरून, मुख्य आव्हान आहे अतिरिक्त RF जुळणारे नेटवर्क डिझाइन करणे हे इनपुट प्रतिबाधाला स्वारस्याच्या वारंवारतेवर रेक्टिफायरच्या प्रतिबाधामध्ये रूपांतरित करणे आणि विशिष्ट पॉवर लेव्हलसाठी अनुकूल करणे. या प्रकरणात, कार्यक्षम RF ते DC रूपांतरण सुनिश्चित करण्यासाठी एंड-टू-एंड प्रतिबाधा बँडविड्थ आवश्यक आहे. म्हणून, जरी अँटेना नियतकालिक घटक किंवा स्वयं-पूरक भूमिती वापरून सैद्धांतिकदृष्ट्या अनंत किंवा अल्ट्रा-वाइड बँडविड्थ साध्य करू शकतात, तरीही रेक्टेनाची बँडविड्थ रेक्टिफायर मॅचिंग नेटवर्कद्वारे अडथळे आणली जाईल.
अनेक रेक्टेना टोपोलॉजीज एकल-बँड आणि मल्टी-बँड हार्वेस्टिंग किंवा डब्ल्यूपीटी प्राप्त करण्यासाठी प्रतिबिंब कमी करून आणि अँटेना आणि रेक्टिफायर दरम्यान जास्तीत जास्त पॉवर ट्रान्सफर करून प्रस्तावित केल्या आहेत. आकृती 2 रिपोर्ट केलेल्या रेक्टेना टोपोलॉजीजच्या संरचना दर्शविते, त्यांच्या प्रतिबाधा जुळणाऱ्या आर्किटेक्चरद्वारे वर्गीकृत. तक्ता 2 प्रत्येक श्रेणीसाठी एंड-टू-एंड बँडविड्थ (या प्रकरणात, FoM) च्या संदर्भात उच्च-कार्यक्षमता रेक्टेनाची उदाहरणे दर्शवते.
आकृती 2 बँडविड्थ आणि प्रतिबाधा जुळणीच्या दृष्टीकोनातून रेक्टेना टोपोलॉजीज. (a) मानक अँटेनासह सिंगल-बँड रेक्टेना. (b) मल्टीबँड रेक्टेना (एकाहून अधिक परस्पर जोडलेल्या अँटेनापासून बनलेले) एक रेक्टिफायर आणि प्रत्येक बँडशी जुळणारे नेटवर्क. (c) ब्रॉडबँड रेक्टेना एकाधिक RF पोर्ट आणि प्रत्येक बँडसाठी वेगळे जुळणारे नेटवर्क. (d) ब्रॉडबँड अँटेना आणि ब्रॉडबँड मॅचिंग नेटवर्कसह ब्रॉडबँड रेक्टेना. (e) एकल-बँड रेक्टेना थेट रेक्टिफायरशी जुळणारे इलेक्ट्रिकली लहान अँटेना वापरून. (f) एकल-बँड, रेक्टिफायरसह संयुग्मित करण्यासाठी जटिल प्रतिबाधासह विद्युतदृष्ट्या मोठा अँटेना. (g) ब्रॉडबँड रेक्टेना जटिल प्रतिबाधासह रेक्टिफायरसह फ्रिक्वेन्सीच्या श्रेणीवर संयुग्मित करण्यासाठी.
समर्पित फीडमधील WPT आणि सभोवतालचे RFEH हे भिन्न रेक्टेना ऍप्लिकेशन्स असताना, बँडविड्थच्या दृष्टीकोनातून उच्च पॉवर रूपांतरण कार्यक्षमता (PCE) प्राप्त करण्यासाठी अँटेना, रेक्टिफायर आणि लोड यांच्यातील एंड-टू-एंड जुळणी साधणे मूलभूत आहे. तरीसुद्धा, WPT रेक्टेना विशिष्ट पॉवर स्तरांवर (टोपोलॉजीज a, e आणि f) सिंगल-बँड PCE सुधारण्यासाठी उच्च दर्जाचे घटक जुळणी (लोअर S11) साध्य करण्यावर अधिक लक्ष केंद्रित करतात. सिंगल-बँड डब्ल्यूपीटीची विस्तृत बँडविड्थ डिट्यूनिंग, मॅन्युफॅक्चरिंग दोष आणि पॅकेजिंग परजीवींसाठी सिस्टम प्रतिकारशक्ती सुधारते. दुसरीकडे, RFEH रेक्टेना मल्टी-बँड ऑपरेशनला प्राधान्य देतात आणि टोपोलॉजीज bd आणि g शी संबंधित असतात, कारण एका बँडची पॉवर स्पेक्ट्रल घनता (PSD) साधारणपणे कमी असते.
3. आयताकृती अँटेना डिझाइन
1. सिंगल-फ्रिक्वेंसी रेक्टेना
सिंगल-फ्रिक्वेंसी रेक्टेना (टोपोलॉजी A) चे अँटेना डिझाइन प्रामुख्याने मानक अँटेना डिझाइनवर आधारित आहे, जसे की रेखीय ध्रुवीकरण (LP) किंवा ग्राउंड प्लेनवरील वर्तुळाकार ध्रुवीकरण (CP) रेडिएटिंग पॅच, द्विध्रुवीय अँटेना आणि इनव्हर्टेड F अँटेना. डिफरेंशियल बँड रेक्टेना एकाधिक अँटेना युनिट्ससह कॉन्फिगर केलेल्या DC संयोजन ॲरेवर आधारित आहे किंवा एकाधिक पॅच युनिट्सच्या मिश्रित DC आणि RF संयोजनावर आधारित आहे.
अनेक प्रस्तावित अँटेना सिंगल-फ्रिक्वेंसी अँटेना आहेत आणि सिंगल-फ्रिक्वेंसी डब्ल्यूपीटीच्या गरजा पूर्ण करतात, पर्यावरणीय मल्टी-फ्रिक्वेंसी RFEH शोधताना, एकाधिक सिंगल-फ्रिक्वेंसी अँटेना म्युच्युअल कपलिंग सप्रेशनसह मल्टी-बँड रेक्टेना (टोपोलॉजी बी) मध्ये एकत्र केले जातात आणि आरएफपासून पूर्णपणे विलग करण्यासाठी पॉवर मॅनेजमेंट सर्किट नंतर स्वतंत्र डीसी संयोजन संपादन आणि रूपांतरण सर्किट. यासाठी प्रत्येक बँडसाठी एकाधिक पॉवर मॅनेजमेंट सर्किट्सची आवश्यकता असते, ज्यामुळे बूस्ट कन्व्हर्टरची कार्यक्षमता कमी होऊ शकते कारण एकाच बँडची DC पॉवर कमी असते.
2. मल्टी-बँड आणि ब्रॉडबँड RFEH अँटेना
पर्यावरणीय RFEH बहुधा बहु-बँड संपादनाशी संबंधित आहे; म्हणून, मानक अँटेना डिझाइनची बँडविड्थ सुधारण्यासाठी आणि ड्युअल-बँड किंवा बँड अँटेना ॲरे तयार करण्याच्या पद्धती सुधारण्यासाठी विविध तंत्रे प्रस्तावित केली गेली आहेत. या विभागात, आम्ही RFEH साठी सानुकूल अँटेना डिझाइनचे पुनरावलोकन करतो, तसेच रेक्टेना म्हणून वापरण्याची क्षमता असलेल्या क्लासिक मल्टी-बँड अँटेनाचे.
कॉप्लॅनर वेव्हगाइड (CPW) मोनोपोल अँटेना मायक्रोस्ट्रिप पॅच अँटेनापेक्षा कमी क्षेत्रफळ एकाच फ्रिक्वेन्सीवर व्यापतात आणि LP किंवा CP लाटा तयार करतात आणि ब्रॉडबँड पर्यावरणीय रेक्टेनासाठी वापरतात. रिफ्लेक्शन प्लेनचा वापर अलगाव वाढवण्यासाठी आणि फायदा सुधारण्यासाठी केला जातो, परिणामी रेडिएशन पॅटर्न पॅच अँटेनासारखेच असतात. स्लॉटेड कॉप्लॅनर वेव्हगाइड अँटेना 1.8-2.7 GHz किंवा 1-3 GHz सारख्या एकाधिक वारंवारता बँडसाठी प्रतिबाधा बँडविड्थ सुधारण्यासाठी वापरले जातात. कपल्ड-फेड स्लॉट अँटेना आणि पॅच अँटेना देखील सामान्यतः मल्टी-बँड रेक्टेना डिझाइनमध्ये वापरले जातात. आकृती 3 काही रिपोर्ट केलेले मल्टी-बँड अँटेना दाखवते जे एकापेक्षा जास्त बँडविड्थ सुधारणा तंत्राचा वापर करतात.
आकृती 3
अँटेना-रेक्टिफायर इम्पेडन्स मॅचिंग
50Ω अँटेना नॉनलाइनर रेक्टिफायरशी जुळवणे आव्हानात्मक आहे कारण त्याचा इनपुट प्रतिबाधा वारंवारतेनुसार खूप बदलतो. टोपोलॉजीज A आणि B (आकृती 2) मध्ये, सामान्य जुळणारे नेटवर्क हे lumped घटकांचा वापर करून LC जुळणारे आहे; तथापि, संबंधित बँडविड्थ बहुतेक कम्युनिकेशन बँडपेक्षा कमी असते. सिंगल-बँड स्टब मॅचिंग सामान्यत: 6 GHz पेक्षा कमी मायक्रोवेव्ह आणि मिलिमीटर-वेव्ह बँडमध्ये वापरले जाते आणि नोंदवलेले मिलीमीटर-वेव्ह रेक्टेनामध्ये अंतर्निहित अरुंद बँडविड्थ असते कारण त्यांची PCE बँडविड्थ आउटपुट हार्मोनिक सप्रेशनमुळे अडथळे आणते, ज्यामुळे ते विशेषतः सिंगल-वेव्हसाठी योग्य बनतात. 24 GHz विनापरवाना बँडमध्ये WPT अनुप्रयोग.
टोपोलॉजीज C आणि D मधील रेक्टेना अधिक जटिल जुळणारे नेटवर्क आहेत. आउटपुट पोर्टवर आरएफ ब्लॉक/डीसी शॉर्ट सर्किट (पास फिल्टर) किंवा डायोड हार्मोनिक्ससाठी रिटर्न पाथ म्हणून डीसी ब्लॉकिंग कॅपेसिटरसह ब्रॉडबँड मॅचिंगसाठी पूर्णपणे वितरित लाइन मॅचिंग नेटवर्क प्रस्तावित केले आहेत. रेक्टिफायर घटक प्रिंटेड सर्किट बोर्ड (PCB) इंटरडिजिटेटेड कॅपेसिटरद्वारे बदलले जाऊ शकतात, जे व्यावसायिक इलेक्ट्रॉनिक डिझाइन ऑटोमेशन टूल्स वापरून संश्लेषित केले जातात. इतर नोंदवलेले ब्रॉडबँड रेक्टेना जुळणारे नेटवर्क कमी फ्रिक्वेन्सीशी जुळण्यासाठी लंप केलेले घटक आणि इनपुटवर आरएफ शॉर्ट तयार करण्यासाठी वितरित घटक एकत्र करतात.
स्त्रोताद्वारे लोडद्वारे पाहिलेले इनपुट प्रतिबाधा बदलणे (स्रोत-पुल तंत्र म्हणून ओळखले जाते) ब्रॉडबँड रेक्टिफायर डिझाइन करण्यासाठी 57% सापेक्ष बँडविड्थ (1.25–2.25 GHz) आणि 10% जास्त PCE लंप केलेले किंवा वितरित सर्किट्सच्या तुलनेत वापरले गेले आहे. . जरी जुळणारे नेटवर्क सामान्यत: संपूर्ण 50Ω बँडविड्थवर अँटेना जुळण्यासाठी डिझाइन केलेले असले तरी, साहित्यात असे अहवाल आहेत जेथे ब्रॉडबँड अँटेना नॅरोबँड रेक्टिफायर्सशी जोडलेले आहेत.
हायब्रीड लम्पेड-एलिमेंट आणि डिस्ट्रिब्युटेड-एलिमेंट मॅचिंग नेटवर्क्सचा वापर टोपोलॉजीज C आणि D मध्ये मोठ्या प्रमाणावर केला गेला आहे, ज्यामध्ये सिरीज इंडक्टर्स आणि कॅपेसिटर हे सर्वात जास्त वापरले जाणारे लम्पेड घटक आहेत. हे इंटरडिजिटेटेड कॅपेसिटरसारख्या जटिल संरचना टाळतात, ज्यांना मानक मायक्रोस्ट्रिप लाइनपेक्षा अधिक अचूक मॉडेलिंग आणि फॅब्रिकेशन आवश्यक असते.
डायोडच्या नॉनलाइनरिटीमुळे रेक्टिफायरला इनपुट पॉवर इनपुट प्रतिबाधावर परिणाम करते. म्हणून, रेक्टेना विशिष्ट इनपुट पॉवर लेव्हल आणि लोड प्रतिबाधासाठी PCE जास्तीत जास्त करण्यासाठी डिझाइन केले आहे. डायोड हे प्रामुख्याने 3 GHz पेक्षा कमी फ्रिक्वेन्सीवर कॅपॅसिटिव्ह उच्च प्रतिबाधा असल्याने, ब्रॉडबँड रेक्टेना जे जुळणारे नेटवर्क काढून टाकतात किंवा सरलीकृत जुळणारे सर्किट कमी करतात Prf>0 dBm आणि 1 GHz वरील फ्रिक्वेन्सीवर लक्ष केंद्रित केले आहे, कारण डायोडमध्ये कमी कॅपेसिटिव्ह प्रतिबाधा आहे आणि ते चांगले जुळू शकतात. ऍन्टीनाला, अशा प्रकारे डिझाइन टाळत आहे 1,000Ω इनपुट रिॲक्टन्ससह अँटेना.
CMOS रेक्टेनामध्ये अनुकूली किंवा पुनर्रचना करण्यायोग्य प्रतिबाधा जुळणी पाहिली गेली आहे, जेथे जुळणारे नेटवर्क ऑन-चिप कॅपेसिटर बँक आणि इंडक्टर्सचा समावेश आहे. स्टॅटिक CMOS जुळणारे नेटवर्क मानक 50Ω अँटेना तसेच सह-डिझाइन केलेल्या लूप अँटेनासाठी देखील प्रस्तावित केले आहेत. असे नोंदवले गेले आहे की निष्क्रिय CMOS पॉवर डिटेक्टर्सचा वापर स्विच नियंत्रित करण्यासाठी केला जातो जे ऍन्टीनाचे आउटपुट वेगवेगळ्या रेक्टिफायर्सकडे निर्देशित करतात आणि उपलब्ध पॉवरवर अवलंबून नेटवर्क जुळतात. लम्पड ट्यूनेबल कॅपेसिटर वापरून पुन्हा कॉन्फिगर करण्यायोग्य जुळणारे नेटवर्क प्रस्तावित केले आहे, जे वेक्टर नेटवर्क विश्लेषक वापरून इनपुट प्रतिबाधा मोजताना फाइन-ट्यूनिंगद्वारे ट्यून केले जाते. रीकॉन्फिगर करण्यायोग्य मायक्रोस्ट्रिप मॅचिंग नेटवर्क्समध्ये, फील्ड इफेक्ट ट्रान्झिस्टर स्विचचा वापर ड्युअल-बँड वैशिष्ट्ये प्राप्त करण्यासाठी जुळणारे स्टब समायोजित करण्यासाठी केला गेला आहे.
अँटेनाबद्दल अधिक जाणून घेण्यासाठी, कृपया भेट द्या:
पोस्ट वेळ: ऑगस्ट-०९-२०२४
