१. प्रस्तावना
बॅटरी-मुक्त शाश्वत वायरलेस नेटवर्क साध्य करण्याच्या पद्धती म्हणून रेडिओ फ्रिक्वेन्सी (RF) एनर्जी हार्वेस्टिंग (RFEH) आणि रेडिएटिव्ह वायरलेस पॉवर ट्रान्सफर (WPT) यांनी खूप रस निर्माण केला आहे. रेक्टेना हे WPT आणि RFEH प्रणालींचा आधारस्तंभ आहेत आणि लोडला पुरवल्या जाणाऱ्या डीसी पॉवरवर त्यांचा महत्त्वपूर्ण परिणाम होतो. रेक्टेनाचे अँटेना घटक थेट ऊर्जा संकलनाच्या कार्यक्षमतेवर परिणाम करतात, ज्यामुळे संकलित पॉवरमध्ये अनेक पटींनी बदल होऊ शकतो. हा शोधनिबंध WPT आणि ॲम्बियंट RFEH अनुप्रयोगांमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या अँटेना डिझाइनचा आढावा घेतो. सादर केलेल्या रेक्टेनांचे वर्गीकरण दोन मुख्य निकषांनुसार केले आहे: अँटेना रेक्टिफायिंग इम्पेडन्स बँडविड्थ आणि अँटेनाची रेडिएशन वैशिष्ट्ये. प्रत्येक निकषासाठी, वेगवेगळ्या अनुप्रयोगांकरिता फिगर ऑफ मेरिट (FoM) निश्चित केले जाते आणि त्याचा तुलनात्मक आढावा घेतला जातो.
विसाव्या शतकाच्या सुरुवातीला टेस्लाने हजारो हॉर्सपॉवर प्रसारित करण्याची एक पद्धत म्हणून WPT चा प्रस्ताव मांडला होता. 'रेक्टेना' ही संज्ञा, जी RF ऊर्जा मिळवण्यासाठी रेक्टिफायरला जोडलेल्या अँटेनाचे वर्णन करते, १९५० च्या दशकात अवकाशातील मायक्रोवेव्ह ऊर्जा प्रसारण अनुप्रयोगांसाठी आणि स्वायत्त ड्रोनला ऊर्जा देण्यासाठी उदयास आली. सर्वदिशात्मक, दूर पल्ल्याच्या WPT वर प्रसारण माध्यमाच्या (हवा) भौतिक गुणधर्मांमुळे मर्यादा येतात. त्यामुळे, व्यावसायिक WPT मुख्यत्वे वायरलेस ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्स चार्जिंग किंवा RFID साठी जवळच्या क्षेत्रातील नॉन-रेडिएटिव्ह ऊर्जा हस्तांतरणापुरते मर्यादित आहे.
सेमीकंडक्टर उपकरणे आणि वायरलेस सेन्सर नोड्सचा वीज वापर सतत कमी होत असल्यामुळे, सभोवतालच्या RFEH चा वापर करून किंवा वितरित कमी-शक्तीच्या सर्वदिशात्मक ट्रान्समीटर्सचा वापर करून सेन्सर नोड्सना वीजपुरवठा करणे अधिक व्यवहार्य होत आहे. अल्ट्रा-लो-पॉवर वायरलेस पॉवर सिस्टीममध्ये सामान्यतः एक RF ॲक्विझिशन फ्रंट एंड, DC पॉवर आणि मेमरी मॅनेजमेंट, आणि एक कमी-शक्तीचा मायक्रोप्रोसेसर व ट्रान्सीव्हर यांचा समावेश असतो.
आकृती १ मध्ये RFEH वायरलेस नोडची रचना आणि सामान्यतः नोंदवलेल्या RF फ्रंट-एंड अंमलबजावणी दर्शविल्या आहेत. वायरलेस पॉवर सिस्टीमची एंड-टू-एंड कार्यक्षमता आणि सिंक्रोनाइझ्ड वायरलेस माहिती व पॉवर ट्रान्सफर नेटवर्कची रचना ही अँटेना, रेक्टिफायर आणि पॉवर मॅनेजमेंट सर्किट्स यांसारख्या वैयक्तिक घटकांच्या कामगिरीवर अवलंबून असते. सिस्टीमच्या विविध भागांसाठी अनेक साहित्य सर्वेक्षणे करण्यात आली आहेत. तक्ता १ मध्ये पॉवर कन्व्हर्जनचा टप्पा, कार्यक्षम पॉवर कन्व्हर्जनसाठीचे प्रमुख घटक आणि प्रत्येक भागाशी संबंधित साहित्य सर्वेक्षणांचा सारांश दिला आहे. अलीकडील साहित्य पॉवर कन्व्हर्जन तंत्रज्ञान, रेक्टिफायर टोपोलॉजी किंवा नेटवर्क-अवेअर RFEH वर लक्ष केंद्रित करते.
आकृती १
तथापि, RFEH मध्ये अँटेना डिझाइनला एक महत्त्वपूर्ण घटक मानले जात नाही. जरी काही साहित्य अँटेना बँडविड्थ आणि कार्यक्षमतेचा विचार सर्वांगीण दृष्टिकोनातून किंवा सूक्ष्म किंवा परिधान करण्यायोग्य अँटेनासारख्या विशिष्ट अँटेना डिझाइनच्या दृष्टिकोनातून करते, तरीही काही अँटेना पॅरामीटर्सचा पॉवर रिसेप्शन आणि रूपांतरण कार्यक्षमतेवर होणाऱ्या परिणामाचे तपशीलवार विश्लेषण केले जात नाही.
या शोधनिबंधात, मानक कम्युनिकेशन अँटेना डिझाइनपासून RFEH आणि WPT विशिष्ट अँटेना डिझाइनमधील आव्हाने वेगळी करण्याच्या उद्देशाने रेक्टेनामधील अँटेना डिझाइन तंत्रांचा आढावा घेतला आहे. अँटेनांची तुलना दोन दृष्टिकोनांतून केली जाते: एंड-टू-एंड इम्पेडन्स मॅचिंग आणि रेडिएशन वैशिष्ट्ये; प्रत्येक बाबतीत, अत्याधुनिक (SoA) अँटेनांमध्ये FoM ओळखला जातो आणि त्याचा आढावा घेतला जातो.
२. बँडविड्थ आणि मॅचिंग: नॉन-५०Ω आरएफ नेटवर्क्स
मायक्रोवेव्ह अभियांत्रिकी अनुप्रयोगांमध्ये क्षीणन आणि शक्ती यांच्यातील तडजोडीचा विचार म्हणून ५०Ω चा वैशिष्ट्यपूर्ण प्रतिबाधा विचारात घेतला जातो. अँटेनामध्ये, प्रतिबाधा बँडविड्थ ही अशी वारंवारता श्रेणी म्हणून परिभाषित केली जाते जिथे परावर्तित शक्ती १०% पेक्षा कमी असते (S11< − 10 dB). कमी आवाजाचे अँप्लिफायर (LNAs), पॉवर अँप्लिफायर आणि डिटेक्टर सामान्यतः ५०Ω इनपुट प्रतिबाधा जुळणीसह डिझाइन केलेले असल्यामुळे, पारंपरिकरित्या ५०Ω स्त्रोताचा संदर्भ घेतला जातो.
रेक्टेनामध्ये, अँटेनाचा आउटपुट थेट रेक्टिफायरला दिला जातो आणि डायोडच्या नॉन-लिनिअरिटीमुळे इनपुट इम्पेडन्समध्ये मोठा बदल होतो, ज्यात कपॅसिटिव्ह घटक प्रभावी असतो. ५०Ω अँटेना गृहीत धरल्यास, मुख्य आव्हान म्हणजे इनपुट इम्पेडन्सला इच्छित फ्रिक्वेन्सीवर रेक्टिफायरच्या इम्पेडन्समध्ये रूपांतरित करण्यासाठी आणि एका विशिष्ट पॉवर लेव्हलसाठी त्याला ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी एक अतिरिक्त RF मॅचिंग नेटवर्क डिझाइन करणे. या प्रकरणात, कार्यक्षम RF ते DC रूपांतरण सुनिश्चित करण्यासाठी एंड-टू-एंड इम्पेडन्स बँडविड्थ आवश्यक असते. त्यामुळे, जरी अँटेना पिरिऑडिक एलिमेंट्स किंवा सेल्फ-कॉम्प्लिमेंटरी जिओमेट्री वापरून सैद्धांतिकदृष्ट्या अनंत किंवा अल्ट्रा-वाइड बँडविड्थ मिळवू शकत असले, तरी रेक्टेनाची बँडविड्थ रेक्टिफायर मॅचिंग नेटवर्कमुळे मर्यादित होते.
अँटेना आणि रेक्टिफायरमधील परावर्तन कमी करून आणि पॉवर ट्रान्सफर वाढवून सिंगल-बँड आणि मल्टी-बँड हार्वेस्टिंग किंवा WPT साध्य करण्यासाठी अनेक रेक्टेना टोपोलॉजी प्रस्तावित केल्या गेल्या आहेत. आकृती २ मध्ये, त्यांच्या इम्पेडन्स मॅचिंग आर्किटेक्चरनुसार वर्गीकृत केलेल्या, अहवालित रेक्टेना टोपोलॉजींची रचना दर्शविली आहे. सारणी २ मध्ये प्रत्येक श्रेणीसाठी एंड-टू-एंड बँडविड्थच्या (या प्रकरणात, FoM) संदर्भात उच्च-कार्यक्षम रेक्टेनांची उदाहरणे दर्शविली आहेत.
आकृती २ बँडविड्थ आणि इम्पेडन्स मॅचिंगच्या दृष्टिकोनातून रेक्टेनाची रचना. (अ) मानक अँटेनासह सिंगल-बँड रेक्टेना. (ब) प्रत्येक बँडसाठी एक रेक्टिफायर आणि मॅचिंग नेटवर्कसह मल्टीबँड रेक्टेना (अनेक परस्पर जोडलेल्या अँटेनांनी बनलेला). (क) अनेक आरएफ पोर्ट्स आणि प्रत्येक बँडसाठी स्वतंत्र मॅचिंग नेटवर्कसह ब्रॉडबँड रेक्टेना. (ड) ब्रॉडबँड अँटेना आणि ब्रॉडबँड मॅचिंग नेटवर्कसह ब्रॉडबँड रेक्टेना. (इ) रेक्टिफायरशी थेट जुळवलेल्या विद्युतदृष्ट्या लहान अँटेनाचा वापर करून सिंगल-बँड रेक्टेना. (फ) रेक्टिफायरशी कॉन्जुगेट करण्यासाठी कॉम्प्लेक्स इम्पेडन्स असलेला सिंगल-बँड, विद्युतदृष्ट्या मोठा अँटेना. (ग) फ्रिक्वेन्सीच्या एका विशिष्ट रेंजवर रेक्टिफायरशी कॉन्जुगेट करण्यासाठी कॉम्प्लेक्स इम्पेडन्स असलेला ब्रॉडबँड रेक्टेना.
जरी डेडिकेटेड फीडमधून मिळणारे WPT आणि ॲम्बियंट RFEH हे वेगवेगळे रेक्टेना ॲप्लिकेशन्स असले तरी, बँडविड्थच्या दृष्टिकोनातून उच्च पॉवर कन्व्हर्जन एफिशियन्सी (PCE) मिळवण्यासाठी अँटेना, रेक्टिफायर आणि लोड यांच्यात एंड-टू-एंड मॅचिंग साधणे मूलभूत आहे. तरीही, WPT रेक्टेना विशिष्ट पॉवर लेव्हल्सवर (टॉपोलॉजी a, e आणि f) सिंगल-बँड PCE सुधारण्यासाठी उच्च क्वालिटी फॅक्टर मॅचिंग (कमी S11) साधण्यावर अधिक लक्ष केंद्रित करतात. सिंगल-बँड WPT ची विस्तृत बँडविड्थ डिट्यूनिंग, उत्पादन दोष आणि पॅकेजिंग पॅरासिटिक्सपासून सिस्टमची प्रतिकारशक्ती सुधारते. दुसरीकडे, RFEH रेक्टेना मल्टी-बँड ऑपरेशनला प्राधान्य देतात आणि ते टॉपोलॉजी bd आणि g मध्ये मोडतात, कारण सिंगल बँडची पॉवर स्पेक्ट्रल डेन्सिटी (PSD) सामान्यतः कमी असते.
३. आयताकृती अँटेना डिझाइन
१. एकल-फ्रिक्वेन्सी रेक्टेना
सिंगल-फ्रिक्वेन्सी रेक्टेना (टोपोलॉजी A) ची अँटेना रचना प्रामुख्याने मानक अँटेना रचनेवर आधारित असते, जसे की ग्राउंड प्लेनवरील लिनियर पोलरायझेशन (LP) किंवा सर्क्युलर पोलरायझेशन (CP) रेडिएटिंग पॅच, डायपोल अँटेना आणि इन्व्हर्टेड F अँटेना. डिफरेंशियल बँड रेक्टेना हा अनेक अँटेना युनिट्ससह कॉन्फिगर केलेल्या DC कॉम्बिनेशन अॅरेवर किंवा अनेक पॅच युनिट्सच्या मिश्र DC आणि RF संयोजनावर आधारित असतो.
प्रस्तावित अँटेनांपैकी बरेचसे अँटेना सिंगल-फ्रिक्वेन्सी अँटेना असल्याने आणि ते सिंगल-फ्रिक्वेन्सी WPT च्या आवश्यकता पूर्ण करत असल्याने, एन्व्हायर्नमेंटल मल्टी-फ्रिक्वेन्सी RFEH शोधताना, RF अधिग्रहण आणि रूपांतरण सर्किटपासून त्यांना पूर्णपणे वेगळे करण्यासाठी, पॉवर मॅनेजमेंट सर्किटनंतर म्युच्युअल कपलिंग दमन आणि स्वतंत्र DC संयोजनासह अनेक सिंगल-फ्रिक्वेन्सी अँटेनांना मल्टी-बँड रेक्टेना (टोपोलॉजी B) मध्ये एकत्र केले जाते. यासाठी प्रत्येक बँडकरिता अनेक पॉवर मॅनेजमेंट सर्किट्सची आवश्यकता असते, ज्यामुळे बूस्ट कन्व्हर्टरची कार्यक्षमता कमी होऊ शकते, कारण एका बँडची DC पॉवर कमी असते.
२. मल्टी-बँड आणि ब्रॉडबँड RFEH अँटेना
पर्यावरणीय RFEH हे अनेकदा मल्टी-बँड अधिग्रहणाशी संबंधित असते; त्यामुळे, मानक अँटेना डिझाइनची बँडविड्थ सुधारण्यासाठी आणि ड्युअल-बँड किंवा बँड अँटेना अॅरे तयार करण्याच्या पद्धतींसाठी विविध तंत्रे प्रस्तावित केली गेली आहेत. या विभागात, आम्ही RFEH साठीच्या कस्टम अँटेना डिझाइनचा, तसेच रेक्टेना म्हणून वापरण्याची क्षमता असलेल्या क्लासिक मल्टी-बँड अँटेनांचा आढावा घेणार आहोत.
कोप्लॅनर वेव्हगाईड (CPW) मोनोपोल अँटेना, त्याच फ्रिक्वेन्सीवर मायक्रोस्ट्रिप पॅच अँटेनापेक्षा कमी जागा व्यापतात आणि LP किंवा CP लहरी निर्माण करतात, आणि ते अनेकदा ब्रॉडबँड एन्व्हायर्नमेंटल रेक्टेनासाठी वापरले जातात. आयसोलेशन वाढवण्यासाठी आणि गेन सुधारण्यासाठी रिफ्लेक्शन प्लेनचा वापर केला जातो, ज्यामुळे पॅच अँटेनासारखे रेडिएशन पॅटर्न तयार होतात. स्लॉटेड कोप्लॅनर वेव्हगाईड अँटेना 1.8–2.7 GHz किंवा 1–3 GHz सारख्या अनेक फ्रिक्वेन्सी बँडसाठी इम्पेडन्स बँडविड्थ सुधारण्यासाठी वापरले जातात. कपल्ड-फेड स्लॉट अँटेना आणि पॅच अँटेना देखील मल्टी-बँड रेक्टेना डिझाइनमध्ये सामान्यतः वापरले जातात. आकृती 3 मध्ये काही नोंदवलेले मल्टी-बँड अँटेना दाखवले आहेत, जे एकापेक्षा जास्त बँडविड्थ सुधारणा तंत्रांचा वापर करतात.
आकृती ३
अँटेना-रेक्टिफायर इम्पेडन्स मॅचिंग
५०Ω अँटेनाला नॉनलाइनर रेक्टिफायरशी जुळवणे आव्हानात्मक आहे, कारण त्याचा इनपुट इम्पेडन्स फ्रिक्वेन्सीनुसार मोठ्या प्रमाणात बदलतो. टोपोलॉजी A आणि B मध्ये (आकृती २), सामान्य मॅचिंग नेटवर्क हे लंप्ड एलिमेंट्स वापरून केलेले LC मॅच असते; तथापि, त्याची सापेक्ष बँडविड्थ बहुतेक कम्युनिकेशन बँड्सपेक्षा सामान्यतः कमी असते. सिंगल-बँड स्टब मॅचिंग सामान्यतः ६ GHz खालील मायक्रोवेव्ह आणि मिलिमीटर-वेव्ह बँड्समध्ये वापरले जाते, आणि नोंदवलेल्या मिलिमीटर-वेव्ह रेक्टेनांची बँडविड्थ स्वाभाविकपणे अरुंद असते कारण त्यांच्या PCE बँडविड्थवर आउटपुट हार्मोनिक सप्रेशनमुळे मर्यादा येते, ज्यामुळे ते २४ GHz अनलायसेन्स्ड बँडमधील सिंगल-बँड WPT ॲप्लिकेशन्ससाठी विशेषतः योग्य ठरतात.
टोपोलॉजी C आणि D मधील रेक्टेनांमध्ये अधिक जटिल मॅचिंग नेटवर्क्स असतात. ब्रॉडबँड मॅचिंगसाठी पूर्णपणे वितरित लाइन मॅचिंग नेटवर्क्स प्रस्तावित केले गेले आहेत, ज्यात आउटपुट पोर्टवर RF ब्लॉक/DC शॉर्ट सर्किट (पास फिल्टर) किंवा डायोड हार्मोनिक्ससाठी रिटर्न पाथ म्हणून DC ब्लॉकिंग कपॅसिटर असतो. रेक्टिफायरचे घटक प्रिंटेड सर्किट बोर्ड (PCB) इंटरडिजिटेड कपॅसिटर्सने बदलले जाऊ शकतात, जे व्यावसायिक इलेक्ट्रॉनिक डिझाइन ऑटोमेशन टूल्स वापरून संश्लेषित केले जातात. इतर नोंदवलेल्या ब्रॉडबँड रेक्टेना मॅचिंग नेटवर्क्समध्ये कमी फ्रिक्वेन्सीशी मॅचिंगसाठी लंप्ड एलिमेंट्स आणि इनपुटवर RF शॉर्ट तयार करण्यासाठी वितरित एलिमेंट्स एकत्र केले जातात.
लंप्ड किंवा डिस्ट्रिब्युटेड सर्किट्सच्या तुलनेत ५७% सापेक्ष बँडविड्थ (१.२५–२.२५ GHz) आणि १०% जास्त PCE असलेला ब्रॉडबँड रेक्टिफायर डिझाइन करण्यासाठी, स्त्रोताद्वारे लोडवर दिसणाऱ्या इनपुट इम्पेडन्समध्ये बदल करण्याच्या पद्धतीचा (ज्याला सोर्स-पुल तंत्र म्हणतात) वापर केला गेला आहे. जरी मॅचिंग नेटवर्क्स सामान्यतः संपूर्ण ५०Ω बँडविड्थवर अँटेना जुळवण्यासाठी डिझाइन केलेले असले तरी, साहित्यात असे अहवाल आहेत जिथे ब्रॉडबँड अँटेना नॅरोबँड रेक्टिफायरला जोडले गेले आहेत.
हायब्रीड लंप्ड-एलिमेंट आणि डिस्ट्रिब्युटेड-एलिमेंट मॅचिंग नेटवर्क्सचा वापर टोपोलॉजी C आणि D मध्ये मोठ्या प्रमाणावर केला जातो, ज्यामध्ये सिरीज इंडक्टर्स आणि कपॅसिटर्स हे सर्वात सामान्यपणे वापरले जाणारे लंप्ड एलिमेंट्स आहेत. यामुळे इंटरडिजिटेड कपॅसिटर्ससारख्या गुंतागुंतीच्या संरचना टाळल्या जातात, ज्यांच्यासाठी मानक मायक्रोस्ट्रिप लाईन्सपेक्षा अधिक अचूक मॉडेलिंग आणि फॅब्रिकेशनची आवश्यकता असते.
रेक्टिफायरला मिळणारी इनपुट पॉवर डायोडच्या नॉन-लिनिअरिटीमुळे इनपुट इम्पेडन्सवर परिणाम करते. त्यामुळे, एका विशिष्ट इनपुट पॉवर लेव्हल आणि लोड इम्पेडन्ससाठी PCE (पॉवर कन्व्हर्जन एफिशियन्सी) कमाल करण्यासाठी रेक्टेनाची रचना केली जाते. ३ GHz पेक्षा कमी फ्रिक्वेन्सीवर डायोड प्रामुख्याने कपॅसिटिव्ह हाय इम्पेडन्सचे असल्यामुळे, Prf>0 dBm आणि १ GHz पेक्षा जास्त फ्रिक्वेन्सीवर मॅचिंग नेटवर्क्स काढून टाकणाऱ्या किंवा सरलीकृत मॅचिंग सर्किट्स कमीत कमी करणाऱ्या ब्रॉडबँड रेक्टेनांवर लक्ष केंद्रित केले गेले आहे, कारण या फ्रिक्वेन्सीवर डायोडचा कपॅसिटिव्ह इम्पेडन्स कमी असतो आणि ते अँटेनाशी चांगल्या प्रकारे मॅच केले जाऊ शकतात, ज्यामुळे >१,०००Ω इनपुट रिॲक्टन्स असलेल्या अँटेनांची रचना टाळता येते.
CMOS रेक्टेनामध्ये अनुकूलनशील किंवा पुनर्रचनाक्षम इम्पेडन्स मॅचिंग आढळून आले आहे, जिथे मॅचिंग नेटवर्कमध्ये ऑन-चिप कपॅसिटर बँक्स आणि इंडक्टर्सचा समावेश असतो. मानक ५०Ω अँटेना तसेच सह-डिझाइन केलेल्या लूप अँटेनासाठी स्टॅटिक CMOS मॅचिंग नेटवर्क्स देखील प्रस्तावित करण्यात आले आहेत. असे नोंदवले गेले आहे की, उपलब्ध पॉवरनुसार अँटेनाचे आउटपुट वेगवेगळ्या रेक्टिफायर्स आणि मॅचिंग नेटवर्क्सकडे निर्देशित करणाऱ्या स्विचेस नियंत्रित करण्यासाठी पॅसिव्ह CMOS पॉवर डिटेक्टर्सचा वापर केला जातो. लंप्ड ट्यूनेबल कपॅसिटर्स वापरून एक पुनर्रचनाक्षम मॅचिंग नेटवर्क प्रस्तावित करण्यात आले आहे, जे वेक्टर नेटवर्क ॲनालायझर वापरून इनपुट इम्पेडन्स मोजताना फाइन-ट्यूनिंगद्वारे ट्यून केले जाते. पुनर्रचनाक्षम मायक्रोस्ट्रिप मॅचिंग नेटवर्क्समध्ये, ड्युअल-बँड वैशिष्ट्ये प्राप्त करण्यासाठी मॅचिंग स्टब्स समायोजित करण्याकरिता फील्ड इफेक्ट ट्रान्झिस्टर स्विचेसचा वापर केला गेला आहे.
अँटेनांबद्दल अधिक जाणून घेण्यासाठी, कृपया येथे भेट द्या:
पोस्ट करण्याची वेळ: ०९-ऑगस्ट-२०२४
