१.परिचय
बॅटरी-मुक्त शाश्वत वायरलेस नेटवर्क साध्य करण्यासाठी पद्धती म्हणून रेडिओ फ्रिक्वेन्सी (RF) एनर्जी हार्वेस्टिंग (RFEH) आणि रेडिएटिव्ह वायरलेस पॉवर ट्रान्सफर (WPT) यांनी खूप रस घेतला आहे. रेक्टेना हे WPT आणि RFEH सिस्टीमचे कोनशिला आहेत आणि लोडवर वितरित केलेल्या DC पॉवरवर त्यांचा महत्त्वपूर्ण प्रभाव पडतो. रेक्टेनाचे अँटेना घटक थेट कापणी कार्यक्षमतेवर परिणाम करतात, जे कापणी केलेल्या पॉवरमध्ये अनेक परिमाणांनी बदल करू शकतात. हा पेपर WPT आणि सभोवतालच्या RFEH अनुप्रयोगांमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या अँटेना डिझाइनचा आढावा घेतो. नोंदवलेले रेक्टेना दोन मुख्य निकषांनुसार वर्गीकृत केले आहेत: अँटेना रेक्टिफायिंग इम्पेडन्स बँडविड्थ आणि अँटेनाची रेडिएशन वैशिष्ट्ये. प्रत्येक निकषासाठी, वेगवेगळ्या अनुप्रयोगांसाठी गुणवत्तेचा आकडा (FoM) निर्धारित केला जातो आणि तुलनात्मकपणे पुनरावलोकन केला जातो.
२० व्या शतकाच्या सुरुवातीला टेस्लाने हजारो अश्वशक्ती प्रसारित करण्याच्या पद्धती म्हणून WPT प्रस्तावित केले होते. RF पॉवर मिळविण्यासाठी रेक्टिफायरशी जोडलेल्या अँटेनाचे वर्णन करणारा रेक्टेना हा शब्द १९५० च्या दशकात स्पेस मायक्रोवेव्ह पॉवर ट्रान्समिशन अनुप्रयोगांसाठी आणि स्वायत्त ड्रोनला उर्जा देण्यासाठी उदयास आला. सर्वदिशात्मक, लांब पल्ल्याच्या WPT प्रसार माध्यमाच्या (हवा) भौतिक गुणधर्मांमुळे मर्यादित आहे. म्हणून, व्यावसायिक WPT प्रामुख्याने वायरलेस ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्स चार्जिंग किंवा RFID साठी जवळ-क्षेत्र नॉन-रेडिएटिव्ह पॉवर ट्रान्सफरपर्यंत मर्यादित आहे.
सेमीकंडक्टर उपकरणांचा आणि वायरलेस सेन्सर नोड्सचा वीज वापर कमी होत असताना, अॅम्बियंट RFEH किंवा वितरित कमी-शक्तीचे सर्वदिशात्मक ट्रान्समीटर वापरून सेन्सर नोड्सना वीज पुरवणे अधिक व्यवहार्य बनते. अल्ट्रा-लो-शक्ती वायरलेस पॉवर सिस्टममध्ये सहसा RF अधिग्रहण फ्रंट एंड, DC पॉवर आणि मेमरी व्यवस्थापन आणि कमी-शक्तीचा मायक्रोप्रोसेसर आणि ट्रान्सीव्हर असतो.
आकृती १ मध्ये RFEH वायरलेस नोडची आर्किटेक्चर आणि सामान्यतः नोंदवलेले RF फ्रंट-एंड अंमलबजावणी दर्शविली आहे. वायरलेस पॉवर सिस्टमची एंड-टू-एंड कार्यक्षमता आणि सिंक्रोनाइझ वायरलेस माहिती आणि पॉवर ट्रान्सफर नेटवर्कची आर्किटेक्चर अँटेना, रेक्टिफायर्स आणि पॉवर मॅनेजमेंट सर्किट्स सारख्या वैयक्तिक घटकांच्या कामगिरीवर अवलंबून असते. सिस्टमच्या वेगवेगळ्या भागांसाठी अनेक साहित्य सर्वेक्षणे केली गेली आहेत. तक्ता १ मध्ये पॉवर रूपांतरण टप्पा, कार्यक्षम पॉवर रूपांतरणासाठी प्रमुख घटक आणि प्रत्येक भागासाठी संबंधित साहित्य सर्वेक्षणांचा सारांश दिला आहे. अलीकडील साहित्य पॉवर रूपांतरण तंत्रज्ञान, रेक्टिफायर टोपोलॉजीज किंवा नेटवर्क-जागरूक RFEH वर लक्ष केंद्रित करते.
आकृती १
तथापि, RFEH मध्ये अँटेना डिझाइन हा एक महत्त्वाचा घटक मानला जात नाही. जरी काही साहित्य अँटेना बँडविड्थ आणि कार्यक्षमतेचा एकूण दृष्टिकोनातून किंवा विशिष्ट अँटेना डिझाइन दृष्टिकोनातून विचार करतात, जसे की लघु किंवा घालण्यायोग्य अँटेना, परंतु पॉवर रिसेप्शन आणि रूपांतरण कार्यक्षमतेवर विशिष्ट अँटेना पॅरामीटर्सचा प्रभाव तपशीलवार विश्लेषण केलेला नाही.
हा पेपर रेक्टेनामधील अँटेना डिझाइन तंत्रांचा आढावा घेतो ज्याचा उद्देश मानक संप्रेषण अँटेना डिझाइनपासून RFEH आणि WPT विशिष्ट अँटेना डिझाइन आव्हाने वेगळे करणे आहे. अँटेनाची तुलना दोन दृष्टिकोनातून केली जाते: एंड-टू-एंड इम्पेडन्स मॅचिंग आणि रेडिएशन वैशिष्ट्ये; प्रत्येक बाबतीत, अत्याधुनिक (SoA) अँटेनामध्ये FoM ओळखले जाते आणि त्यांचे पुनरावलोकन केले जाते.
२. बँडविड्थ आणि जुळणी: ५०Ω नसलेले आरएफ नेटवर्क
५०Ω चा वैशिष्ट्यपूर्ण प्रतिबाधा हा मायक्रोवेव्ह अभियांत्रिकी अनुप्रयोगांमध्ये क्षीणन आणि शक्ती यांच्यातील तडजोडीचा प्रारंभिक विचार आहे. अँटेनामध्ये, प्रतिबाधा बँडविड्थ ही वारंवारता श्रेणी म्हणून परिभाषित केली जाते जिथे परावर्तित शक्ती १०% पेक्षा कमी असते (S11< − १० dB). कमी आवाजाचे अॅम्प्लिफायर (LNAs), पॉवर अॅम्प्लिफायर आणि डिटेक्टर सामान्यतः ५०Ω इनपुट इम्पेडन्स मॅचसह डिझाइन केलेले असल्याने, पारंपारिकपणे ५०Ω स्त्रोताचा संदर्भ दिला जातो.
रेक्टेनामध्ये, अँटेनाचे आउटपुट थेट रेक्टिफायरमध्ये दिले जाते आणि डायोडच्या नॉनलाइनरिटीमुळे इनपुट इम्पेडन्समध्ये मोठा फरक पडतो, ज्यामध्ये कॅपेसिटिव्ह घटकाचे वर्चस्व असते. ५०Ω अँटेना गृहीत धरल्यास, मुख्य आव्हान म्हणजे इंटरेस्ट फ्रिक्वेन्सीवर इनपुट इम्पेडन्सला रेक्टिफायरच्या इम्पेडन्समध्ये रूपांतरित करण्यासाठी आणि विशिष्ट पॉवर लेव्हलसाठी ते ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी अतिरिक्त आरएफ मॅचिंग नेटवर्क डिझाइन करणे. या प्रकरणात, कार्यक्षम आरएफ ते डीसी रूपांतरण सुनिश्चित करण्यासाठी एंड-टू-एंड इम्पेडन्स बँडविड्थ आवश्यक आहे. म्हणूनच, जरी अँटेना नियतकालिक घटक किंवा स्वयं-पूरक भूमिती वापरून सैद्धांतिकदृष्ट्या अनंत किंवा अल्ट्रा-वाइड बँडविड्थ प्राप्त करू शकतात, तरीही रेक्टिफायर मॅचिंग नेटवर्कमुळे रेक्टेनाची बँडविड्थ अडथळे निर्माण करेल.
अँटेना आणि रेक्टिफायरमधील परावर्तन कमी करून आणि पॉवर ट्रान्सफर जास्तीत जास्त करून सिंगल-बँड आणि मल्टी-बँड हार्वेस्टिंग किंवा WPT साध्य करण्यासाठी अनेक रेक्टेना टोपोलॉजीज प्रस्तावित केल्या आहेत. आकृती 2 मध्ये त्यांच्या प्रतिबाधा जुळणार्‍या आर्किटेक्चरनुसार वर्गीकृत केलेल्या रेक्टेना टोपोलॉजीजची रचना दर्शविली आहे. तक्ता 2 प्रत्येक श्रेणीसाठी एंड-टू-एंड बँडविड्थ (या प्रकरणात, FoM) च्या संदर्भात उच्च-कार्यक्षमता रेक्टेनाची उदाहरणे दर्शविते.
आकृती २ बँडविड्थ आणि इम्पेडन्स मॅचिंगच्या दृष्टिकोनातून रेक्टेना टोपोलॉजीज. (अ) मानक अँटेनासह सिंगल-बँड रेक्टेना. (ब) मल्टीबँड रेक्टेना (अनेक परस्पर जोडलेले अँटेना बनलेले) ज्यामध्ये प्रत्येक बँडमध्ये एक रेक्टिफायर आणि जुळणारे नेटवर्क आहे. (क) प्रत्येक बँडसाठी अनेक आरएफ पोर्ट आणि वेगळे जुळणारे नेटवर्क असलेले ब्रॉडबँड रेक्टेना. (ड) ब्रॉडबँड अँटेना आणि ब्रॉडबँड मॅचिंग नेटवर्क असलेले ब्रॉडबँड रेक्टेना. (इ) रेक्टिफायरशी थेट जुळणारे इलेक्ट्रिकली लहान अँटेना वापरून सिंगल-बँड रेक्टेना. (फ) रेक्टिफायरशी जोडण्यासाठी जटिल इम्पेडन्ससह सिंगल-बँड, इलेक्ट्रिकली मोठा अँटेना. (ग) फ्रिक्वेन्सीच्या श्रेणीवर रेक्टिफायरशी जोडण्यासाठी जटिल इम्पेडन्ससह ब्रॉडबँड रेक्टेना.
समर्पित फीडमधील WPT आणि अँबियंट RFEH हे वेगवेगळे रेक्टेना अनुप्रयोग आहेत, परंतु बँडविड्थच्या दृष्टिकोनातून उच्च पॉवर रूपांतरण कार्यक्षमता (PCE) साध्य करण्यासाठी अँटेना, रेक्टिफायर आणि लोड यांच्यातील एंड-टू-एंड मॅचिंग साध्य करणे मूलभूत आहे. तरीही, WPT रेक्टेना विशिष्ट पॉवर लेव्हल्सवर (टोपोलॉजीज a, e आणि f) सिंगल-बँड PCE सुधारण्यासाठी उच्च दर्जाचे फॅक्टर मॅचिंग (कमी S11) साध्य करण्यावर अधिक लक्ष केंद्रित करतात. सिंगल-बँड WPT ची विस्तृत बँडविड्थ डिट्यूनिंग, मॅन्युफॅक्चरिंग दोष आणि पॅकेजिंग परजीवींपासून सिस्टमची प्रतिकारशक्ती सुधारते. दुसरीकडे, RFEH रेक्टेना मल्टी-बँड ऑपरेशनला प्राधान्य देतात आणि टोपोलॉजीज bd आणि g शी संबंधित असतात, कारण सिंगल बँडची पॉवर स्पेक्ट्रल डेन्सिटी (PSD) सामान्यतः कमी असते.
३. आयताकृती अँटेना डिझाइन
१. सिंगल-फ्रिक्वेन्सी रेक्टेना
सिंगल-फ्रिक्वेन्सी रेक्टेना (टोपोलॉजी ए) चे अँटेना डिझाइन प्रामुख्याने मानक अँटेना डिझाइनवर आधारित आहे, जसे की रेषीय ध्रुवीकरण (एलपी) किंवा ग्राउंड प्लेनवरील वर्तुळाकार ध्रुवीकरण (सीपी) रेडिएटिंग पॅच, द्विध्रुवीय अँटेना आणि उलटा एफ अँटेना. डिफरेंशियल बँड रेक्टेना एकाधिक अँटेना युनिट्स किंवा एकाधिक पॅच युनिट्सच्या मिश्रित डीसी आणि आरएफ संयोजनासह कॉन्फिगर केलेल्या डीसी संयोजन अॅरेवर आधारित आहे.
प्रस्तावित अँटेनांपैकी बरेचसे सिंगल-फ्रिक्वेन्सी अँटेना असल्याने आणि सिंगल-फ्रिक्वेन्सी WPT च्या आवश्यकता पूर्ण करतात, पर्यावरणीय मल्टी-फ्रिक्वेन्सी RFEH शोधताना, अनेक सिंगल-फ्रिक्वेन्सी अँटेना मल्टी-बँड रेक्टेना (टोपोलॉजी B) मध्ये एकत्र केले जातात ज्यामध्ये म्युच्युअल कपलिंग सप्रेशन आणि पॉवर मॅनेजमेंट सर्किट नंतर स्वतंत्र DC संयोजन असते जेणेकरून त्यांना RF अधिग्रहण आणि रूपांतरण सर्किटपासून पूर्णपणे वेगळे केले जाऊ शकते. यासाठी प्रत्येक बँडसाठी अनेक पॉवर मॅनेजमेंट सर्किट आवश्यक असतात, ज्यामुळे बूस्ट कन्व्हर्टरची कार्यक्षमता कमी होऊ शकते कारण एकाच बँडची DC पॉवर कमी असते.
२. मल्टी-बँड आणि ब्रॉडबँड RFEH अँटेना
पर्यावरणीय RFEH बहुतेकदा मल्टी-बँड अधिग्रहणाशी संबंधित असते; म्हणून, मानक अँटेना डिझाइनची बँडविड्थ आणि ड्युअल-बँड किंवा बँड अँटेना अॅरे तयार करण्याच्या पद्धती सुधारण्यासाठी विविध तंत्रे प्रस्तावित केली गेली आहेत. या विभागात, आम्ही RFEH साठी कस्टम अँटेना डिझाइन तसेच रेक्टेना म्हणून वापरण्याची क्षमता असलेल्या क्लासिक मल्टी-बँड अँटेनाचे पुनरावलोकन करतो.
कोप्लानर वेव्हगाइड (CPW) मोनोपोल अँटेना समान फ्रिक्वेन्सीवर मायक्रोस्ट्रिप पॅच अँटेनापेक्षा कमी क्षेत्र व्यापतात आणि LP किंवा CP वेव्ह तयार करतात आणि बहुतेकदा ब्रॉडबँड पर्यावरणीय रेक्टेनासाठी वापरले जातात. परावर्तन प्लेनचा वापर आयसोलेशन वाढवण्यासाठी आणि गेन सुधारण्यासाठी केला जातो, ज्यामुळे पॅच अँटेनासारखे रेडिएशन पॅटर्न तयार होतात. स्लॉटेड कोप्लानर वेव्हगाइड अँटेना 1.8–2.7 GHz किंवा 1–3 GHz सारख्या अनेक फ्रिक्वेन्सी बँडसाठी प्रतिबाधा बँडविड्थ सुधारण्यासाठी वापरले जातात. कपल्ड-फेड स्लॉट अँटेना आणि पॅच अँटेना देखील सामान्यतः मल्टी-बँड रेक्टेना डिझाइनमध्ये वापरले जातात. आकृती 3 काही अहवालित मल्टी-बँड अँटेना दर्शविते जे एकापेक्षा जास्त बँडविड्थ सुधारणा तंत्र वापरतात.
आकृती ३
अँटेना-रेक्टिफायर इम्पेडन्स मॅचिंग
५०Ω अँटेना नॉनलाइनर रेक्टिफायरशी जुळवणे आव्हानात्मक आहे कारण त्याचा इनपुट इम्पेडन्स फ्रिक्वेन्सीनुसार खूप बदलतो. टोपोलॉजीज A आणि B मध्ये (आकृती २), सामान्य जुळणारे नेटवर्क हे लम्प्ड एलिमेंट्स वापरून LC मॅच असते; तथापि, सापेक्ष बँडविड्थ बहुतेक कम्युनिकेशन बँडपेक्षा कमी असते. सिंगल-बँड स्टब मॅचिंग सामान्यतः ६ GHz पेक्षा कमी मायक्रोवेव्ह आणि मिलिमीटर-वेव्ह बँडमध्ये वापरले जाते आणि नोंदवलेल्या मिलिमीटर-वेव्ह रेक्टेनामध्ये मूळतः अरुंद बँडविड्थ असते कारण त्यांची PCE बँडविड्थ आउटपुट हार्मोनिक सप्रेशनमुळे अडथळे निर्माण करते, ज्यामुळे ते २४ GHz विनापरवाना बँडमधील सिंगल-बँड WPT अनुप्रयोगांसाठी विशेषतः योग्य बनतात.
टोपोलॉजीज C आणि D मधील रेक्टेना अधिक जटिल जुळणारे नेटवर्क आहेत. ब्रॉडबँड जुळवणीसाठी पूर्णपणे वितरित लाइन जुळणारे नेटवर्क प्रस्तावित केले आहेत, ज्यामध्ये आउटपुट पोर्टवर RF ब्लॉक/DC शॉर्ट सर्किट (पास फिल्टर) किंवा डायोड हार्मोनिक्ससाठी रिटर्न पाथ म्हणून DC ब्लॉकिंग कॅपेसिटर आहे. रेक्टिफायर घटक प्रिंटेड सर्किट बोर्ड (PCB) इंटरडिजिटेटेड कॅपेसिटरने बदलले जाऊ शकतात, जे व्यावसायिक इलेक्ट्रॉनिक डिझाइन ऑटोमेशन टूल्स वापरून संश्लेषित केले जातात. इतर अहवालित ब्रॉडबँड रेक्टेना जुळणारे नेटवर्क कमी फ्रिक्वेन्सीशी जुळण्यासाठी लम्पेड घटक आणि इनपुटवर RF शॉर्ट तयार करण्यासाठी वितरित घटक एकत्र करतात.
एका स्रोताद्वारे (ज्याला सोर्स-पुल तंत्र म्हणून ओळखले जाते) लोडद्वारे निरीक्षण केलेल्या इनपुट प्रतिबाधेत बदल करून ५७% सापेक्ष बँडविड्थ (१.२५–२.२५ GHz) आणि लम्प्ड किंवा डिस्ट्रिब्युटेड सर्किट्सच्या तुलनेत १०% जास्त PCE असलेला ब्रॉडबँड रेक्टिफायर डिझाइन केला गेला आहे. जरी जुळणारे नेटवर्क सामान्यतः संपूर्ण ५०Ω बँडविड्थवर अँटेना जुळवण्यासाठी डिझाइन केले असले तरी, साहित्यात असे अहवाल आहेत जिथे ब्रॉडबँड अँटेना नॅरोबँड रेक्टिफायर्सशी जोडले गेले आहेत.
हायब्रिड लम्प्ड-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 लम्प्ड एलिमेंट्स आहेत. हे इंटरडिजिटेटेड कॅपेसिटरसारख्या जटिल संरचना टाळतात, ज्यांना मानक मायक्रोस्ट्रिप लाईन्सपेक्षा अधिक अचूक मॉडेलिंग आणि फॅब्रिकेशनची आवश्यकता असते.
डायोडच्या नॉनलाइनरिटीमुळे रेक्टिफायरला इनपुट पॉवर इनपुट इम्पेडन्सवर परिणाम करते. म्हणून, रेक्टेना विशिष्ट इनपुट पॉवर लेव्हल आणि लोड इम्पेडन्ससाठी PCE जास्तीत जास्त करण्यासाठी डिझाइन केले आहे. डायोड हे प्रामुख्याने 3 GHz पेक्षा कमी फ्रिक्वेन्सीवर कॅपेसिटिव्ह उच्च इम्पेडन्स असल्याने, जुळणारे नेटवर्क काढून टाकणारे किंवा सरलीकृत मॅचिंग सर्किट्स कमी करणारे ब्रॉडबँड रेक्टेना Prf>0 dBm आणि 1 GHz पेक्षा जास्त फ्रिक्वेन्सीवर केंद्रित केले गेले आहेत, कारण डायोडमध्ये कमी कॅपेसिटिव्ह इम्पेडन्स असतो आणि ते अँटेनाशी चांगले जुळवता येतात, त्यामुळे इनपुट रिअ‍ॅक्टन्स >1,000Ω असलेल्या अँटेनाची रचना टाळता येते.
CMOS रेक्टेनामध्ये अ‍ॅडॉप्टिव्ह किंवा रिकॉन्फिगर करण्यायोग्य इम्पेडन्स मॅचिंग दिसून आले आहे, जिथे मॅचिंग नेटवर्कमध्ये ऑन-चिप कॅपेसिटर बँक आणि इंडक्टर असतात. स्टॅटिक CMOS मॅचिंग नेटवर्क्स मानक 50Ω अँटेना तसेच सह-डिझाइन केलेल्या लूप अँटेनासाठी देखील प्रस्तावित केले आहेत. असे नोंदवले गेले आहे की पॅसिव्ह CMOS पॉवर डिटेक्टर्सचा वापर अँटेनाचे आउटपुट वेगवेगळ्या रेक्टिफायर्स आणि मॅचिंग नेटवर्क्सकडे निर्देशित करणारे स्विच नियंत्रित करण्यासाठी केला जातो जे उपलब्ध पॉवरवर अवलंबून असतात. लम्प्ड ट्युनेबल कॅपेसिटर वापरून रिकॉन्फिगर करण्यायोग्य मॅचिंग नेटवर्क प्रस्तावित केले आहे, जे वेक्टर नेटवर्क अॅनालायझर वापरून इनपुट इम्पेडन्स मोजताना फाइन-ट्यूनिंगद्वारे ट्यून केले जाते. रिकॉन्फिगर करण्यायोग्य मायक्रोस्ट्रिप मॅचिंग नेटवर्क्समध्ये, ड्युअल-बँड वैशिष्ट्ये प्राप्त करण्यासाठी मॅचिंग स्टब समायोजित करण्यासाठी फील्ड इफेक्ट ट्रान्झिस्टर स्विच वापरले गेले आहेत.
अँटेनाबद्दल अधिक जाणून घेण्यासाठी, कृपया भेट द्या:
पोस्ट वेळ: ऑगस्ट-०९-२०२४
