अँटेना-रेक्टिफायर सह-डिझाइन
आकृती २ मधील EG टोपोलॉजीनुसार असलेल्या रेक्टेनांचे वैशिष्ट्य हे आहे की, अँटेना ५०Ω मानकाऐवजी थेट रेक्टिफायरशी जुळवलेला असतो, ज्यामुळे रेक्टिफायरला पॉवर देण्यासाठी मॅचिंग सर्किट कमीत कमी करणे किंवा काढून टाकणे आवश्यक ठरते. या विभागात नॉन-५०Ω अँटेना असलेल्या SoA रेक्टेना आणि मॅचिंग नेटवर्क नसलेल्या रेक्टेनांच्या फायद्यांचा आढावा घेतला आहे.
१. विद्युतदृष्ट्या लहान अँटेना
ज्या अनुप्रयोगांमध्ये प्रणालीचा आकार महत्त्वपूर्ण असतो, तिथे एलसी रेझोनंट रिंग अँटेनांचा मोठ्या प्रमाणावर वापर केला जातो. १ GHz पेक्षा कमी वारंवारतेवर, तरंगलांबीमुळे मानक डिस्ट्रिब्युटेड एलिमेंट अँटेनांना प्रणालीच्या एकूण आकारापेक्षा जास्त जागा लागू शकते, आणि शरीरात बसवण्यासाठीच्या पूर्णपणे एकात्मिक ट्रान्सीव्हर्ससारख्या अनुप्रयोगांना WPT साठी विद्युतदृष्ट्या लहान अँटेनांच्या वापराचा विशेष फायदा होतो.
लहान अँटेनाच्या उच्च प्रेरक प्रतिबाधाचा (अनुनादाजवळ) उपयोग रेक्टिफायरला थेट जोडण्यासाठी किंवा अतिरिक्त ऑन-चिप कपॅसिटिव्ह मॅचिंग नेटवर्कसह केला जाऊ शकतो. १ GHz पेक्षा कमी फ्रिक्वेन्सीवर LP आणि CP सह WPT मध्ये विद्युतदृष्ट्या लहान अँटेना वापरल्याचे नोंदवले गेले आहे, ज्यात हायगेन्स डायपोल अँटेनाचा ka=0.645 असतो, तर सामान्य डायपोलमध्ये ka=5.91 (ka=2πr/λ0) असतो.
२. रेक्टिफायर कॉन्जुगेट अँटेना
डायोडचा सामान्य इनपुट इम्पेडन्स अत्यंत कपॅसिटिव्ह असतो, त्यामुळे कॉन्जुगेट इम्पेडन्स मिळवण्यासाठी इंडक्टिव्ह अँटेनाची आवश्यकता असते. चिपच्या कपॅसिटिव्ह इम्पेडन्समुळे, RFID टॅगमध्ये उच्च इम्पेडन्स इंडक्टिव्ह अँटेनांचा मोठ्या प्रमाणावर वापर केला जातो. कॉम्प्लेक्स इम्पेडन्स RFID अँटेनांमध्ये अलीकडे डायपोल अँटेना एक ट्रेंड बनले आहेत, जे त्यांच्या रेझोनंट फ्रिक्वेन्सीजवळ उच्च इम्पेडन्स (रेझिस्टन्स आणि रिॲक्टन्स) दर्शवतात.
इच्छित फ्रिक्वेन्सी बँडमध्ये रेक्टिफायरच्या उच्च कपॅसिटन्सशी जुळवून घेण्यासाठी इंडक्टिव्ह डायपोल अँटेनाचा वापर केला जातो. फोल्डेड डायपोल अँटेनामध्ये, दुहेरी शॉर्ट लाइन (डायपोल फोल्डिंग) इम्पेडन्स ट्रान्सफॉर्मर म्हणून कार्य करते, ज्यामुळे अत्यंत उच्च इम्पेडन्स अँटेनाची रचना करणे शक्य होते. याव्यतिरिक्त, बायस फीडिंगमुळे इंडक्टिव्ह रिॲक्टन्स तसेच प्रत्यक्ष इम्पेडन्स वाढतो. अनेक बायस्ड डायपोल घटकांना असंतुलित बो-टाय रेडियल स्टब्ससोबत एकत्र करून ड्युअल ब्रॉडबँड उच्च इम्पेडन्स अँटेना तयार होतो. आकृती ४ मध्ये काही नोंदवलेले रेक्टिफायर कॉन्जुगेट अँटेना दाखवले आहेत.
आकृती ४
RFEH आणि WPT मधील किरणोत्सर्ग वैशिष्ट्ये
फ्रिस मॉडेलमध्ये, ट्रान्समीटरपासून d अंतरावर असलेल्या अँटेनाद्वारे प्राप्त होणारी पॉवर PRX ही रिसीव्हर आणि ट्रान्समीटर गेन (GRX, GTX) चे थेट कार्य आहे.
अँटेनाच्या मुख्य लोबची दिशात्मकता आणि ध्रुवीकरण हे आपाती लहरीतून गोळा होणाऱ्या शक्तीच्या प्रमाणावर थेट परिणाम करतात. अँटेनाची प्रारण वैशिष्ट्ये हे प्रमुख मापदंड आहेत जे सभोवतालच्या RFEH आणि WPT मध्ये फरक करतात (आकृती ५). दोन्ही अनुप्रयोगांमध्ये प्रसारणाचे माध्यम अज्ञात असू शकते आणि प्राप्त लहरीवरील त्याच्या परिणामाचा विचार करणे आवश्यक असले तरी, प्रेषक अँटेनाच्या ज्ञानाचा उपयोग केला जाऊ शकतो. तक्ता ३ मध्ये या विभागात चर्चा केलेले प्रमुख मापदंड आणि RFEH व WPT साठी त्यांची उपयुक्तता दर्शविली आहे.
आकृती ५
१. दिशात्मकता आणि लाभ
बहुतेक RFEH आणि WPT अनुप्रयोगांमध्ये, असे गृहीत धरले जाते की संग्राहकाला आपाती प्रारणाची दिशा माहित नसते आणि कोणताही थेट दृष्टीरेषेचा (LoS) मार्ग नसतो. या कामामध्ये, ट्रान्समीटर आणि रिसीव्हरमधील मुख्य लोबच्या संरेखनावर अवलंबून न राहता, अज्ञात स्रोताकडून मिळणारी शक्ती जास्तीत जास्त करण्यासाठी अनेक अँटेना रचना आणि त्यांच्या स्थानांचा अभ्यास करण्यात आला आहे.
सर्वदिशात्मक अँटेनांचा वापर पर्यावरणीय RFEH रेक्टेनांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर केला जातो. उपलब्ध साहित्यानुसार, अँटेनाच्या अभिमुखतेनुसार PSD मध्ये बदल होतो. तथापि, पॉवरमधील या बदलाचे स्पष्टीकरण दिलेले नाही, त्यामुळे हा बदल अँटेनाच्या रेडिएशन पॅटर्नमुळे आहे की पोलरायझेशन मिसमॅचमुळे आहे, हे निश्चित करणे शक्य होत नाही.
RFEH अनुप्रयोगांव्यतिरिक्त, कमी RF पॉवर घनतेची संकलन कार्यक्षमता सुधारण्यासाठी किंवा प्रसारणातील नुकसान कमी करण्यासाठी मायक्रोवेव्ह WPT साठी उच्च-गेन दिशात्मक अँटेना आणि अॅरे मोठ्या प्रमाणावर वापरले गेले आहेत. यागी-उडा रेक्टेना अॅरे, बो-टाय अॅरे, स्पायरल अॅरे, टाइटली कपल्ड विवाल्डी अॅरे, CPW CP अॅरे आणि पॅच अॅरे हे स्केलेबल रेक्टेना अंमलबजावणींपैकी आहेत, जे एका विशिष्ट क्षेत्रात आपाती पॉवर घनता वाढवू शकतात. अँटेना गेन सुधारण्याच्या इतर पद्धतींमध्ये मायक्रोवेव्ह आणि मिलिमीटर वेव्ह बँडमधील सबस्ट्रेट इंटिग्रेटेड वेव्हगाइड (SIW) तंत्रज्ञानाचा समावेश आहे, जे विशेषतः WPT साठी आहे. तथापि, उच्च-गेन रेक्टेनाची वैशिष्ट्ये म्हणजे अरुंद बीमविड्थ, ज्यामुळे कोणत्याही दिशेने लहरींचे ग्रहण करणे अकार्यक्षम ठरते. अँटेना घटक आणि पोर्ट्सच्या संख्येवरील तपासणीतून असा निष्कर्ष निघाला की, त्रिमितीय अनियंत्रित आपतन गृहीत धरल्यास, सभोवतालच्या RFEH मध्ये उच्च दिशात्मकतेचा संबंध जास्त संकलित पॉवरशी नसतो; शहरी वातावरणातील क्षेत्रीय मोजमापांद्वारे याची पडताळणी करण्यात आली. उच्च-गेन अॅरे WPT अनुप्रयोगांपुरते मर्यादित असू शकतात.
उच्च-गेन अँटेनांचे फायदे कोणत्याही RFEH मध्ये हस्तांतरित करण्यासाठी, दिशात्मकतेच्या समस्येवर मात करण्याकरिता पॅकेजिंग किंवा लेआउट सोल्यूशन्सचा उपयोग केला जातो. सभोवतालच्या वाय-फाय RFEH मधून दोन दिशांनी ऊर्जा मिळवण्यासाठी ड्युअल-पॅच अँटेना रिस्टबँड प्रस्तावित आहे. सिस्टीमचे क्षेत्रफळ कमी करण्यासाठी आणि बहु-दिशात्मक ऊर्जा संकलन सक्षम करण्यासाठी, सभोवतालचे सेल्युलर RFEH अँटेना देखील 3D बॉक्सच्या स्वरूपात डिझाइन केले जातात आणि बाह्य पृष्ठभागांवर प्रिंट केले जातात किंवा चिकटवले जातात. क्यूबिक रेक्टेना संरचना सभोवतालच्या RFEH मध्ये ऊर्जा प्राप्त करण्याची अधिक शक्यता दर्शवतात.
२.४ GHz, ४ × १ ॲरेवर WPT सुधारण्यासाठी, बीमविड्थ वाढवण्याकरिता अँटेनाच्या डिझाइनमध्ये सुधारणा करण्यात आल्या, ज्यात सहाय्यक पॅरासिटिक पॅच एलिमेंट्सचा समावेश आहे. एकाधिक बीम क्षेत्रांसह ६ GHz मेश अँटेनाचा प्रस्तावही मांडण्यात आला, जो प्रति पोर्ट एकाधिक बीम दर्शवतो. बहु-दिशात्मक आणि बहु-ध्रुवीकृत RFEH साठी, सर्वदिशात्मक रेडिएशन पॅटर्न असलेले मल्टी-पोर्ट, मल्टी-रेक्टिफायर सरफेस रेक्टेना आणि ऊर्जा संचयन अँटेना प्रस्तावित करण्यात आले आहेत. उच्च-गेन, बहु-दिशात्मक ऊर्जा संचयनासाठी, बीमफॉर्मिंग मॅट्रिक्स असलेले मल्टी-रेक्टिफायर आणि मल्टी-पोर्ट अँटेना ॲरे देखील प्रस्तावित करण्यात आले आहेत.
थोडक्यात सांगायचे झाल्यास, कमी RF घनतेमधून मिळणारी शक्ती सुधारण्यासाठी उच्च-लाभ अँटेनांना प्राधान्य दिले जात असले तरी, ज्या अनुप्रयोगांमध्ये ट्रान्समीटरची दिशा अज्ञात असते (उदा., अज्ञात प्रसार चॅनेलमधून होणारे सभोवतालचे RFEH किंवा WPT), तिथे अत्यंत दिशात्मक रिसीव्हर्स आदर्श ठरू शकत नाहीत. या कामामध्ये, बहु-दिशात्मक उच्च-लाभ WPT आणि RFEH साठी अनेक बहु-शलाका पद्धती प्रस्तावित केल्या आहेत.
२. अँटेना ध्रुवीकरण
अँटेना ध्रुवीकरण म्हणजे अँटेनाच्या प्रसारणाच्या दिशेच्या सापेक्ष विद्युत क्षेत्र सदिशाची (इलेक्ट्रिक फील्ड व्हेक्टरची) हालचाल होय. मुख्य लोबच्या दिशा जुळलेल्या असल्या तरीही, ध्रुवीकरणातील विसंगतीमुळे अँटेनांमधील प्रेषण/ग्रहण कमी होऊ शकते. उदाहरणार्थ, जर प्रेषणासाठी उभ्या एलपी अँटेनाचा आणि ग्रहणासाठी आडव्या एलपी अँटेनाचा वापर केला, तर कोणतीही शक्ती प्राप्त होणार नाही. या विभागात, वायरलेस ग्रहण कार्यक्षमता वाढवण्यासाठी आणि ध्रुवीकरण विसंगतीमुळे होणारे नुकसान टाळण्यासाठी नोंदवलेल्या पद्धतींचा आढावा घेतला आहे. ध्रुवीकरणाच्या संदर्भात प्रस्तावित रेक्टेना आर्किटेक्चरचा सारांश आकृती ६ मध्ये दिला आहे आणि एसओएचे (SoA) एक उदाहरण तक्ता ४ मध्ये दिले आहे.
आकृती ६
सेल्युलर कम्युनिकेशनमध्ये, बेस स्टेशन आणि मोबाईल फोन यांच्यामध्ये रेषीय ध्रुवीकरण संरेखन (linear polarization alignment) साधणे शक्य नसते, त्यामुळे ध्रुवीकरण विसंगतीमुळे होणारे नुकसान टाळण्यासाठी बेस स्टेशन अँटेना दुहेरी-ध्रुवीकृत (dual-polarized) किंवा बहु-ध्रुवीकृत (multi-polarized) बनवले जातात. तथापि, मल्टिपाथ परिणामांमुळे (multipath effects) एलपी लहरींमध्ये (LP waves) होणारा ध्रुवीकरणातील बदल ही एक न सुटलेली समस्या आहे. बहु-ध्रुवीकृत मोबाईल बेस स्टेशनच्या गृहितकावर आधारित, सेल्युलर आरएफईएच अँटेना (cellurer RFEH antennas) हे एलपी अँटेना (LP antennas) म्हणून डिझाइन केले जातात.
CP रेक्टेनांचा वापर प्रामुख्याने WPT मध्ये केला जातो कारण ते मिसमॅचला तुलनेने प्रतिरोधक असतात. CP अँटेना सर्व LP लहरींव्यतिरिक्त, त्याच रोटेशन दिशेने (लेफ्ट-हँडेड किंवा राइट-हँडेड CP) CP रेडिएशन कोणत्याही पॉवर लॉसशिवाय प्राप्त करण्यास सक्षम असतात. कोणत्याही परिस्थितीत, CP अँटेना ट्रान्समिट करतो आणि LP अँटेना ३ dB लॉससह (५०% पॉवर लॉस) रिसिव्ह करतो. CP रेक्टेना हे ९०० MHz, २.४ GHz आणि ५.८ GHz औद्योगिक, वैज्ञानिक आणि वैद्यकीय बँड्स तसेच मिलीमीटर लहरींसाठी योग्य असल्याचे सांगितले जाते. अनियंत्रितपणे ध्रुवीकृत लहरींच्या RFEH मध्ये, ध्रुवीकरण मिसमॅच लॉससाठी ध्रुवीकरण विविधता हा एक संभाव्य उपाय आहे.
पूर्ण ध्रुवीकरण, ज्याला बहु-ध्रुवीकरण असेही म्हणतात, ध्रुवीकरण विसंगतीमुळे होणारे नुकसान पूर्णपणे दूर करण्यासाठी प्रस्तावित केले गेले आहे, ज्यामुळे CP आणि LP दोन्ही लहरींचे संकलन शक्य होते, जिथे दोन दुहेरी-ध्रुवीकृत लंबकोनीय LP घटक प्रभावीपणे सर्व LP आणि CP लहरी ग्रहण करतात. हे स्पष्ट करण्यासाठी, ध्रुवीकरण कोनाकडे दुर्लक्ष करून उभ्या आणि आडव्या निव्वळ व्होल्टेज (VV आणि VH) स्थिर राहतात:
CP विद्युत चुंबकीय तरंग “E” विद्युत क्षेत्र, जिथे शक्ती दोनदा गोळा केली जाते (प्रति युनिट एकदा), त्यामुळे CP घटक पूर्णपणे प्राप्त होतो आणि 3 dB ध्रुवीकरण विसंगती हानीवर मात केली जाते:
शेवटी, डीसी संयोजनाद्वारे, कोणत्याही ध्रुवीकरणाच्या आपाती लहरी स्वीकारल्या जाऊ शकतात. आकृती ७ मध्ये प्रस्तुत पूर्ण ध्रुवीकृत रेक्टेनाची भूमिती दर्शविली आहे.
आकृती ७
थोडक्यात, समर्पित वीज पुरवठा असलेल्या WPT अनुप्रयोगांमध्ये, CP ला प्राधान्य दिले जाते कारण ते अँटेनाच्या ध्रुवीकरण कोनाकडे दुर्लक्ष करून WPT कार्यक्षमता सुधारते. दुसरीकडे, बहु-स्रोत अधिग्रहणामध्ये, विशेषतः सभोवतालच्या स्रोतांकडून, पूर्णपणे ध्रुवीकृत अँटेना अधिक चांगले एकूण रिसेप्शन आणि कमाल सुवाह्यता साध्य करू शकतात; RF किंवा DC वर पूर्णपणे ध्रुवीकृत शक्ती एकत्रित करण्यासाठी मल्टी-पोर्ट/मल्टी-रेक्टिफायर आर्किटेक्चरची आवश्यकता असते.
सारांश
हा शोधनिबंध RFEH आणि WPT साठी अँटेना डिझाइनमधील अलीकडील प्रगतीचा आढावा घेतो आणि RFEH व WPT साठी अँटेना डिझाइनचे एक मानक वर्गीकरण प्रस्तावित करतो, जे पूर्वीच्या साहित्यात मांडले गेले नव्हते. उच्च RF-to-DC कार्यक्षमता प्राप्त करण्यासाठी अँटेनाच्या तीन मूलभूत आवश्यकता खालीलप्रमाणे ओळखल्या गेल्या आहेत:
१. संबंधित RFEH आणि WPT बँडसाठी अँटेना रेक्टिफायर इम्पेडन्स बँडविड्थ;
२. समर्पित फीडमधून WPT मध्ये ट्रान्समीटर आणि रिसीव्हर दरम्यान मुख्य लोब संरेखन;
३. कोन आणि स्थिती विचारात न घेता रेक्टेना आणि आपाती तरंग यांच्यामध्ये ध्रुवीकरणाचे जुळवणी.
इम्पेडन्सच्या आधारावर, रेक्टेनाचे ५०Ω आणि रेक्टिफायर कॉन्जुगेट रेक्टेना असे वर्गीकरण केले जाते, ज्यामध्ये वेगवेगळ्या बँड्स आणि लोड्समधील इम्पेडन्स मॅचिंग आणि प्रत्येक मॅचिंग पद्धतीच्या कार्यक्षमतेवर लक्ष केंद्रित केले जाते.
SoA रेक्टेनांच्या प्रारण वैशिष्ट्यांचा दिशात्मकता आणि ध्रुवीकरणाच्या दृष्टिकोनातून आढावा घेण्यात आला आहे. अरुंद बीमविड्थवर मात करण्यासाठी बीमफॉर्मिंग आणि पॅकेजिंगद्वारे गेन सुधारण्याच्या पद्धतींवर चर्चा केली आहे. शेवटी, WPT साठीच्या CP रेक्टेनांचा आढावा घेतला आहे, तसेच WPT आणि RFEH साठी ध्रुवीकरण-स्वतंत्र रिसेप्शन साध्य करण्याच्या विविध अंमलबजावणींचाही आढावा घेतला आहे.
अँटेनांबद्दल अधिक जाणून घेण्यासाठी, कृपया येथे भेट द्या:
पोस्ट करण्याची वेळ: १६ ऑगस्ट २०२४
