1 परिचय
रेडियो फ्रीक्वेंसी (आरएफ) एनर्जी हार्वेस्टिंग (आरएफईएच) और रेडिएटिव वायरलेस पावर ट्रांसफर (डब्ल्यूपीटी) ने बैटरी-मुक्त संधारणीय वायरलेस नेटवर्क प्राप्त करने के तरीकों के रूप में बहुत रुचि आकर्षित की है। रेक्टेना WPT और RFEH सिस्टम की आधारशिला हैं और लोड को दी जाने वाली डीसी पावर पर महत्वपूर्ण प्रभाव डालते हैं। रेक्टेना के एंटीना तत्व सीधे हार्वेस्टिंग दक्षता को प्रभावित करते हैं, जो कई क्रमों के परिमाण से हार्वेस्टेड पावर को बदल सकता है। यह पेपर WPT और परिवेशी RFEH अनुप्रयोगों में नियोजित एंटीना डिज़ाइन की समीक्षा करता है। रिपोर्ट किए गए रेक्टेना को दो मुख्य मानदंडों के अनुसार वर्गीकृत किया गया है: एंटीना सुधारक प्रतिबाधा बैंडविड्थ और एंटीना की विकिरण विशेषताएँ। प्रत्येक मानदंड के लिए, विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए योग्यता का आंकड़ा (FoM) निर्धारित किया जाता है और तुलनात्मक रूप से समीक्षा की जाती है।
टेस्ला ने 20वीं सदी की शुरुआत में हज़ारों हॉर्सपावर संचारित करने की विधि के रूप में WPT का प्रस्ताव रखा था। रेक्टेना शब्द, जो आरएफ पावर को इकट्ठा करने के लिए एक रेक्टिफायर से जुड़े एंटीना का वर्णन करता है, 1950 के दशक में अंतरिक्ष माइक्रोवेव पावर ट्रांसमिशन अनुप्रयोगों और स्वायत्त ड्रोन को पावर देने के लिए उभरा। सर्वदिशात्मक, लंबी दूरी की WPT प्रसार माध्यम (वायु) के भौतिक गुणों द्वारा विवश है। इसलिए, वाणिज्यिक WPT मुख्य रूप से वायरलेस उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स चार्जिंग या RFID के लिए निकट-क्षेत्र गैर-विकिरणीय शक्ति हस्तांतरण तक सीमित है।
चूंकि सेमीकंडक्टर डिवाइस और वायरलेस सेंसर नोड्स की बिजली खपत में कमी जारी है, इसलिए परिवेशी RFEH का उपयोग करके या वितरित कम-शक्ति सर्वदिशात्मक ट्रांसमीटरों का उपयोग करके सेंसर नोड्स को पावर देना अधिक व्यवहार्य हो जाता है। अल्ट्रा-लो-पावर वायरलेस पावर सिस्टम में आमतौर पर एक RF अधिग्रहण फ्रंट एंड, DC पावर और मेमोरी मैनेजमेंट, और एक कम-पावर माइक्रोप्रोसेसर और ट्रांसीवर शामिल होते हैं।
चित्र 1 में RFEH वायरलेस नोड की वास्तुकला और सामान्य रूप से रिपोर्ट किए गए RF फ्रंट-एंड कार्यान्वयन दिखाए गए हैं। वायरलेस पावर सिस्टम की एंड-टू-एंड दक्षता और सिंक्रोनाइज्ड वायरलेस सूचना और पावर ट्रांसफर नेटवर्क की वास्तुकला एंटेना, रेक्टिफायर और पावर मैनेजमेंट सर्किट जैसे व्यक्तिगत घटकों के प्रदर्शन पर निर्भर करती है। सिस्टम के विभिन्न भागों के लिए कई साहित्य सर्वेक्षण किए गए हैं। तालिका 1 में पावर रूपांतरण चरण, कुशल पावर रूपांतरण के लिए प्रमुख घटक और प्रत्येक भाग के लिए संबंधित साहित्य सर्वेक्षणों का सारांश दिया गया है। हाल ही का साहित्य पावर रूपांतरण तकनीक, रेक्टिफायर टोपोलॉजी या नेटवर्क-जागरूक RFEH पर केंद्रित है।
आकृति 1
हालांकि, एंटीना डिजाइन को RFEH में एक महत्वपूर्ण घटक के रूप में नहीं माना जाता है। हालांकि कुछ साहित्य एंटीना बैंडविड्थ और दक्षता को समग्र दृष्टिकोण से या किसी विशिष्ट एंटीना डिजाइन दृष्टिकोण से, जैसे कि लघुकृत या पहनने योग्य एंटीना से मानते हैं, लेकिन पावर रिसेप्शन और रूपांतरण दक्षता पर कुछ एंटीना मापदंडों के प्रभाव का विस्तार से विश्लेषण नहीं किया गया है।
यह पेपर रेक्टेना में एंटीना डिजाइन तकनीकों की समीक्षा करता है, जिसका लक्ष्य RFEH और WPT विशिष्ट एंटीना डिजाइन चुनौतियों को मानक संचार एंटीना डिजाइन से अलग करना है। एंटेना की तुलना दो दृष्टिकोणों से की जाती है: अंत-से-अंत प्रतिबाधा मिलान और विकिरण विशेषताएँ; प्रत्येक मामले में, अत्याधुनिक (SoA) एंटेना में FoM की पहचान की जाती है और उसकी समीक्षा की जाती है।
2. बैंडविड्थ और मिलान: गैर-50Ω आरएफ नेटवर्क
50Ω की अभिलक्षणिक प्रतिबाधा माइक्रोवेव इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में क्षीणन और शक्ति के बीच समझौते का एक प्रारंभिक विचार है। एंटेना में, प्रतिबाधा बैंडविड्थ को आवृत्ति सीमा के रूप में परिभाषित किया जाता है जहाँ परावर्तित शक्ति 10% (S11< - 10 dB) से कम होती है। चूँकि कम शोर वाले एम्पलीफायर (LNA), पावर एम्पलीफायर और डिटेक्टर आमतौर पर 50Ω इनपुट प्रतिबाधा मिलान के साथ डिज़ाइन किए जाते हैं, इसलिए 50Ω स्रोत को पारंपरिक रूप से संदर्भित किया जाता है।
रेक्टेना में, एंटीना का आउटपुट सीधे रेक्टिफायर में फीड किया जाता है, और डायोड की गैर-रैखिकता इनपुट प्रतिबाधा में एक बड़ा बदलाव करती है, जिसमें कैपेसिटिव घटक हावी होता है। 50Ω एंटीना मानते हुए, मुख्य चुनौती एक अतिरिक्त RF मिलान नेटवर्क को डिज़ाइन करना है ताकि इनपुट प्रतिबाधा को रुचि की आवृत्ति पर रेक्टिफायर के प्रतिबाधा में परिवर्तित किया जा सके और इसे एक विशिष्ट पावर स्तर के लिए अनुकूलित किया जा सके। इस मामले में, कुशल RF से DC रूपांतरण सुनिश्चित करने के लिए एंड-टू-एंड प्रतिबाधा बैंडविड्थ की आवश्यकता होती है। इसलिए, हालांकि एंटेना आवधिक तत्वों या स्व-पूरक ज्यामिति का उपयोग करके सैद्धांतिक रूप से अनंत या अल्ट्रा-वाइड बैंडविड्थ प्राप्त कर सकते हैं, रेक्टेना की बैंडविड्थ रेक्टिफायर मिलान नेटवर्क द्वारा बाधित होगी।
एंटेना और रेक्टिफायर के बीच रिफ्लेक्शन को कम करके और पावर ट्रांसफर को अधिकतम करके सिंगल-बैंड और मल्टी-बैंड हार्वेस्टिंग या WPT को प्राप्त करने के लिए कई रेक्टेना टोपोलॉजी प्रस्तावित की गई हैं। चित्र 2 रिपोर्ट की गई रेक्टेना टोपोलॉजी की संरचनाओं को दर्शाता है, जिन्हें उनके प्रतिबाधा मिलान वास्तुकला द्वारा वर्गीकृत किया गया है। तालिका 2 प्रत्येक श्रेणी के लिए एंड-टू-एंड बैंडविड्थ (इस मामले में, FoM) के संबंध में उच्च-प्रदर्शन रेक्टेना के उदाहरण दिखाती है।
चित्र 2 बैंडविड्थ और प्रतिबाधा मिलान के परिप्रेक्ष्य से रेक्टेना टोपोलॉजीज। (ए) मानक एंटीना के साथ सिंगल-बैंड रेक्टेना। (बी) मल्टीबैंड रेक्टेना (कई परस्पर युग्मित एंटेना से बना) एक रेक्टिफायर और प्रति बैंड मिलान नेटवर्क के साथ। (सी) कई आरएफ पोर्ट और प्रत्येक बैंड के लिए अलग मिलान नेटवर्क के साथ ब्रॉडबैंड रेक्टेना। (डी) ब्रॉडबैंड एंटीना और ब्रॉडबैंड मिलान नेटवर्क के साथ ब्रॉडबैंड रेक्टेना। (ई) रेक्टिफायर से सीधे मेल खाने वाले विद्युत रूप से छोटे एंटीना का उपयोग करके सिंगल-बैंड रेक्टेना। (एफ) रेक्टिफायर के साथ संयुग्म करने के लिए जटिल प्रतिबाधा के साथ सिंगल-बैंड, विद्युत रूप से बड़ा एंटीना। (जी) आवृत्तियों की एक श्रृंखला पर रेक्टिफायर के साथ संयुग्म करने के लिए जटिल प्रतिबाधा के साथ ब्रॉडबैंड रेक्टेना।
जबकि समर्पित फ़ीड से WPT और परिवेशी RFEH अलग-अलग रेक्टेना अनुप्रयोग हैं, एंटीना, रेक्टिफायर और लोड के बीच एंड-टू-एंड मैचिंग प्राप्त करना बैंडविड्थ के दृष्टिकोण से उच्च शक्ति रूपांतरण दक्षता (PCE) प्राप्त करने के लिए मौलिक है। फिर भी, WPT रेक्टेना कुछ निश्चित पावर स्तरों (टोपोलॉजी a, e और f) पर सिंगल-बैंड PCE को बेहतर बनाने के लिए उच्च गुणवत्ता कारक मिलान (कम S11) प्राप्त करने पर अधिक ध्यान केंद्रित करते हैं। सिंगल-बैंड WPT की विस्तृत बैंडविड्थ डिट्यूनिंग, विनिर्माण दोष और पैकेजिंग परजीवी के लिए सिस्टम प्रतिरक्षा में सुधार करती है। दूसरी ओर, RFEH रेक्टेना मल्टी-बैंड ऑपरेशन को प्राथमिकता देते हैं और टोपोलॉजी bd और g से संबंधित होते हैं, क्योंकि एकल बैंड का पावर स्पेक्ट्रल घनत्व (PSD) आम तौर पर कम होता है।
3. आयताकार एंटीना डिजाइन
1. एकल आवृत्ति रेक्टेना
सिंगल-फ़्रीक्वेंसी रेक्टेना (टोपोलॉजी ए) का एंटीना डिज़ाइन मुख्य रूप से मानक एंटीना डिज़ाइन पर आधारित है, जैसे कि ग्राउंड प्लेन पर रैखिक ध्रुवीकरण (एलपी) या परिपत्र ध्रुवीकरण (सीपी) रेडिएटिंग पैच, द्विध्रुवीय एंटीना और उल्टे एफ एंटीना। डिफरेंशियल बैंड रेक्टेना कई एंटीना इकाइयों या कई पैच इकाइयों के मिश्रित डीसी और आरएफ संयोजन के साथ कॉन्फ़िगर किए गए डीसी संयोजन सरणी पर आधारित है।
चूँकि प्रस्तावित एंटेना में से कई एकल-आवृत्ति एंटेना हैं और एकल-आवृत्ति WPT की आवश्यकताओं को पूरा करते हैं, जब पर्यावरणीय बहु-आवृत्ति RFEH की तलाश की जाती है, तो कई एकल-आवृत्ति एंटेना को मल्टी-बैंड रेक्टेना (टोपोलॉजी बी) में परस्पर युग्मन दमन और स्वतंत्र डीसी संयोजन के साथ जोड़ा जाता है ताकि उन्हें आरएफ अधिग्रहण और रूपांतरण सर्किट से पूरी तरह से अलग किया जा सके। इसके लिए प्रत्येक बैंड के लिए कई पावर मैनेजमेंट सर्किट की आवश्यकता होती है, जो बूस्ट कनवर्टर की दक्षता को कम कर सकता है क्योंकि एकल बैंड की डीसी पावर कम होती है।
2. मल्टी-बैंड और ब्रॉडबैंड RFEH एंटेना
पर्यावरण संबंधी RFEH अक्सर मल्टी-बैंड अधिग्रहण से जुड़ा होता है; इसलिए, मानक एंटीना डिज़ाइन की बैंडविड्थ को बेहतर बनाने और दोहरे बैंड या बैंड एंटीना सरणियाँ बनाने के तरीकों के लिए कई तरह की तकनीकें प्रस्तावित की गई हैं। इस खंड में, हम RFEH के लिए कस्टम एंटीना डिज़ाइनों की समीक्षा करते हैं, साथ ही क्लासिक मल्टी-बैंड एंटीना की भी समीक्षा करते हैं जिन्हें रेक्टेना के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है।
कोप्लानर वेवगाइड (CPW) मोनोपोल एंटेना समान आवृत्ति पर माइक्रोस्ट्रिप पैच एंटेना की तुलना में कम क्षेत्र घेरते हैं और LP या CP तरंगें उत्पन्न करते हैं, और अक्सर ब्रॉडबैंड पर्यावरण रेक्टेना के लिए उपयोग किए जाते हैं। परावर्तन विमानों का उपयोग अलगाव को बढ़ाने और लाभ में सुधार करने के लिए किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप पैच एंटेना के समान विकिरण पैटर्न होते हैं। स्लॉटेड कोप्लानर वेवगाइड एंटेना का उपयोग कई आवृत्ति बैंड, जैसे 1.8-2.7 गीगाहर्ट्ज या 1-3 गीगाहर्ट्ज के लिए प्रतिबाधा बैंडविड्थ को बेहतर बनाने के लिए किया जाता है। युग्मित-फेड स्लॉट एंटेना और पैच एंटेना का उपयोग आमतौर पर मल्टी-बैंड रेक्टेना डिज़ाइन में भी किया जाता है। चित्र 3 में कुछ रिपोर्ट किए गए मल्टी-बैंड एंटेना दिखाए गए हैं जो एक से अधिक बैंडविड्थ सुधार तकनीक का उपयोग करते हैं।
चित्र तीन
एंटीना-रेक्टीफायर प्रतिबाधा मिलान
50Ω एंटीना को नॉनलाइनियर रेक्टिफायर से मैच करना चुनौतीपूर्ण है क्योंकि इसकी इनपुट प्रतिबाधा आवृत्ति के साथ बहुत भिन्न होती है। टोपोलॉजी ए और बी (चित्र 2) में, सामान्य मिलान नेटवर्क एक एलसी मैच है जो लंप्ड तत्वों का उपयोग करता है; हालाँकि, सापेक्ष बैंडविड्थ आमतौर पर अधिकांश संचार बैंडों से कम होता है। सिंगल-बैंड स्टब मैचिंग का उपयोग आमतौर पर 6 गीगाहर्ट्ज से नीचे के माइक्रोवेव और मिलीमीटर-वेव बैंड में किया जाता है, और रिपोर्ट किए गए मिलीमीटर-वेव रेक्टेना में स्वाभाविक रूप से संकीर्ण बैंडविड्थ होती है क्योंकि उनके पीसीई बैंडविड्थ को आउटपुट हार्मोनिक दमन द्वारा रोका जाता है, जो उन्हें 24 गीगाहर्ट्ज बिना लाइसेंस वाले बैंड में सिंगल-बैंड WPT अनुप्रयोगों के लिए विशेष रूप से उपयुक्त बनाता है।
टोपोलॉजी सी और डी में रेक्टेना में अधिक जटिल मिलान नेटवर्क होते हैं। ब्रॉडबैंड मिलान के लिए पूरी तरह से वितरित लाइन मिलान नेटवर्क प्रस्तावित किए गए हैं, जिसमें आउटपुट पोर्ट पर आरएफ ब्लॉक/डीसी शॉर्ट सर्किट (पास फ़िल्टर) या डायोड हार्मोनिक्स के लिए रिटर्न पथ के रूप में डीसी ब्लॉकिंग कैपेसिटर होता है। रेक्टिफायर घटकों को प्रिंटेड सर्किट बोर्ड (पीसीबी) इंटरडिजिटेटेड कैपेसिटर द्वारा प्रतिस्थापित किया जा सकता है, जिन्हें वाणिज्यिक इलेक्ट्रॉनिक डिज़ाइन ऑटोमेशन टूल का उपयोग करके संश्लेषित किया जाता है। अन्य रिपोर्ट किए गए ब्रॉडबैंड रेक्टेना मिलान नेटवर्क कम आवृत्तियों के मिलान के लिए लम्प्ड तत्वों और इनपुट पर आरएफ शॉर्ट बनाने के लिए वितरित तत्वों को जोड़ते हैं।
स्रोत के माध्यम से लोड द्वारा देखे गए इनपुट प्रतिबाधा को बदलना (जिसे स्रोत-पुल तकनीक के रूप में जाना जाता है) का उपयोग 57% सापेक्ष बैंडविड्थ (1.25-2.25 गीगाहर्ट्ज) और लंप्ड या वितरित सर्किट की तुलना में 10% अधिक पीसीई के साथ एक ब्रॉडबैंड रेक्टिफायर को डिजाइन करने के लिए किया गया है। हालाँकि मिलान नेटवर्क आमतौर पर पूरे 50Ω बैंडविड्थ पर एंटेना से मेल खाने के लिए डिज़ाइन किए जाते हैं, साहित्य में ऐसी रिपोर्टें हैं जहाँ ब्रॉडबैंड एंटेना को नैरोबैंड रेक्टिफायर से जोड़ा गया है।
हाइब्रिड लम्प्ड-एलिमेंट और वितरित-एलिमेंट मिलान नेटवर्क का इस्तेमाल टोपोलॉजी सी और डी में व्यापक रूप से किया गया है, जिसमें श्रृंखला प्रेरक और कैपेसिटर सबसे अधिक इस्तेमाल किए जाने वाले लम्प्ड तत्व हैं। ये इंटरडिजिटेटेड कैपेसिटर जैसी जटिल संरचनाओं से बचते हैं, जिसके लिए मानक माइक्रोस्ट्रिप लाइनों की तुलना में अधिक सटीक मॉडलिंग और निर्माण की आवश्यकता होती है।
डायोड की गैर-रैखिकता के कारण रेक्टिफायर को इनपुट पावर इनपुट प्रतिबाधा को प्रभावित करती है। इसलिए, रेक्टेना को एक विशिष्ट इनपुट पावर स्तर और लोड प्रतिबाधा के लिए PCE को अधिकतम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। चूँकि डायोड मुख्य रूप से 3 गीगाहर्ट्ज से कम आवृत्तियों पर कैपेसिटिव उच्च प्रतिबाधा होते हैं, इसलिए ब्रॉडबैंड रेक्टेना जो मिलान नेटवर्क को खत्म करते हैं या सरलीकृत मिलान सर्किट को कम करते हैं, उन्हें Prf>0 dBm और 1 गीगाहर्ट्ज से ऊपर की आवृत्तियों पर केंद्रित किया गया है, क्योंकि डायोड में कम कैपेसिटिव प्रतिबाधा होती है और इसे एंटीना से अच्छी तरह से मिलान किया जा सकता है, इस प्रकार इनपुट रिएक्टेंस>1,000Ω वाले एंटेना के डिज़ाइन से बचा जा सकता है।
CMOS रेक्टेना में अनुकूली या पुनर्संयोज्य प्रतिबाधा मिलान देखा गया है, जहां मिलान नेटवर्क में ऑन-चिप कैपेसिटर बैंक और इंडक्टर शामिल हैं। स्टैटिक CMOS मिलान नेटवर्क को मानक 50Ω एंटेना के साथ-साथ सह-डिज़ाइन किए गए लूप एंटेना के लिए भी प्रस्तावित किया गया है। यह बताया गया है कि निष्क्रिय CMOS पावर डिटेक्टरों का उपयोग स्विच को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है जो उपलब्ध शक्ति के आधार पर एंटेना के आउटपुट को विभिन्न रेक्टिफायर और मिलान नेटवर्क पर निर्देशित करते हैं। लुम्प्ड ट्यूनेबल कैपेसिटर का उपयोग करके एक पुनर्संयोज्य मिलान नेटवर्क प्रस्तावित किया गया है, जिसे वेक्टर नेटवर्क विश्लेषक का उपयोग करके इनपुट प्रतिबाधा को मापते समय फ़ाइन-ट्यूनिंग द्वारा ट्यून किया जाता है। पुनर्संयोज्य माइक्रोस्ट्रिप मिलान नेटवर्क में, दोहरे बैंड विशेषताओं को प्राप्त करने के लिए मिलान स्टब्स को समायोजित करने के लिए फ़ील्ड इफ़ेक्ट ट्रांजिस्टर स्विच का उपयोग किया गया है।
एंटेना के बारे में अधिक जानने के लिए कृपया यहां जाएं:
पोस्ट करने का समय: अगस्त-09-2024
