1 परिचय
रेडियो फ्रीक्वेंसी (आरएफ) एनर्जी हार्वेस्टिंग (आरएफईएच) और रेडिएटिव वायरलेस पावर ट्रांसफर (डब्ल्यूपीटी) ने बैटरी-मुक्त टिकाऊ वायरलेस नेटवर्क प्राप्त करने के तरीकों के रूप में बहुत रुचि आकर्षित की है। रेक्टेनास WPT और RFEH प्रणालियों की आधारशिला हैं और लोड को वितरित डीसी पावर पर महत्वपूर्ण प्रभाव डालते हैं। रेक्टेना के एंटीना तत्व सीधे कटाई दक्षता को प्रभावित करते हैं, जो परिमाण के कई आदेशों द्वारा कटाई की गई शक्ति को भिन्न कर सकते हैं। यह पेपर WPT और परिवेश 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 विशेषताएं। प्रत्येक मानदंड के लिए, विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए योग्यता का आंकड़ा (एफओएम) निर्धारित किया जाता है और तुलनात्मक रूप से समीक्षा की जाती है।
WPT को टेस्ला द्वारा 20वीं सदी की शुरुआत में हजारों अश्वशक्ति संचारित करने की एक विधि के रूप में प्रस्तावित किया गया था। रेक्टेना शब्द, जो आरएफ पावर प्राप्त 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 से बाधित है। इसलिए, वाणिज्यिक WPT मुख्य रूप से वायरलेस उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स चार्जिंग या आरएफआईडी के लिए निकट-क्षेत्र गैर-विकिरणीय बिजली हस्तांतरण तक सीमित है।
जैसे-जैसे अर्धचालक उपकरणों और वायरलेस सेंसर नोड्स की बिजली खपत कम होती जा रही है, परिवेश RFEH का उपयोग करके या वितरित कम-शक्ति सर्वदिशात्मक ट्रांसमीटरों का उपयोग करके सेंसर नोड्स को बिजली देना अधिक संभव हो जाता है। अल्ट्रा-लो-पावर वायरलेस पावर सिस्टम में आमतौर पर एक आरएफ अधिग्रहण फ्रंट एंड, डीसी पावर और मेमोरी प्रबंधन, और एक कम-पावर माइक्रोप्रोसेसर और ट्रांसीवर शामिल होता है।
चित्र 1 RFEH वायरलेस नोड की वास्तुकला और आमतौर पर रिपोर्ट किए गए RF फ्रंट-एंड कार्यान्वयन को दर्शाता है। वायरलेस पावर सिस्टम की एंड-टू-एंड दक्षता और सिंक्रोनाइज़्ड वायरलेस सूचना और पावर ट्रांसफर नेटवर्क की वास्तुकला व्यक्तिगत घटकों, जैसे एंटेना, रेक्टिफायर और पावर प्रबंधन सर्किट के प्रदर्शन पर निर्भर करती है। प्रणाली के विभिन्न भागों के लिए कई साहित्य सर्वेक्षण आयोजित किए गए हैं। तालिका 1 में बिजली रूपांतरण चरण, कुशल बिजली रूपांतरण के लिए प्रमुख घटक और प्रत्येक भाग के लिए संबंधित साहित्य सर्वेक्षण का सारांश दिया गया है। हालिया साहित्य बिजली रूपांतरण तकनीक, रेक्टिफायर टोपोलॉजी या नेटवर्क-जागरूक आरएफईएच पर केंद्रित है।
चित्र 1
हालाँकि, RFEH में एंटीना डिज़ाइन को एक महत्वपूर्ण घटक नहीं माना जाता है। हालाँकि कुछ साहित्य ऐन्टेना बैंडविड्थ और दक्षता पर समग्र परिप्रेक्ष्य से या विशिष्ट ऐन्टेना डिज़ाइन परिप्रेक्ष्य से विचार करते हैं, जैसे कि लघु या पहनने योग्य एंटेना, बिजली रिसेप्शन और रूपांतरण दक्षता पर कुछ ऐन्टेना मापदंडों के प्रभाव का विस्तार से विश्लेषण नहीं किया गया है।
यह पेपर मानक संचार एंटीना डिजाइन से आरएफईएच और डब्लूपीटी विशिष्ट एंटीना डिजाइन चुनौतियों को अलग करने के लक्ष्य के साथ रेक्टेनास में एंटीना डिजाइन तकनीकों की समीक्षा करता है। एंटेना की तुलना दो दृष्टिकोणों से की जाती है: अंत-से-अंत प्रतिबाधा मिलान और विकिरण विशेषताएँ; प्रत्येक मामले में, FoM की पहचान की जाती है और अत्याधुनिक (SoA) एंटेना में उसकी समीक्षा की जाती है।
2. बैंडविड्थ और मिलान: गैर-50Ω आरएफ नेटवर्क
50Ω की विशिष्ट प्रतिबाधा माइक्रोवेव इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में क्षीणन और शक्ति के बीच समझौते का एक प्रारंभिक विचार है। एंटेना में, प्रतिबाधा बैंडविड्थ को आवृत्ति रेंज के रूप में परिभाषित किया जाता है जहां परावर्तित शक्ति 10% (S11< - 10 dB) से कम होती है। चूंकि कम शोर वाले एम्पलीफायर (एलएनए), पावर एम्पलीफायर और डिटेक्टर आमतौर पर 50Ω इनपुट प्रतिबाधा मैच 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 डाला जाता है, और डायोड की गैर-रैखिकता कैपेसिटिव घटक के प्रभुत्व के साथ इनपुट प्रतिबाधा में एक बड़े बदलाव का कारण बनती है। 50Ω ऐन्टेना को मानते हुए, मुख्य चुनौती इनपुट प्रतिबाधा को ब्याज की आवृत्ति पर रेक्टिफायर की प्रतिबाधा में बदलने और इसे एक विशिष्ट शक्ति स्तर के लिए अनुकूलित करने के लिए एक अतिरिक्त आरएफ मिलान नेटवर्क डिजाइन करना है। इस मामले में, कुशल आरएफ से डीसी 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 हो जाएगी।
एंटीना और रेक्टिफायर के बीच परावर्तन को कम करके और पावर ट्रांसफर को अधिकतम करके सिंगल-बैंड और मल्टी-बैंड हार्वेस्टिंग या डब्लूपीटी प्राप्त करने के लिए कई रेक्टेना टोपोलॉजी का प्रस्ताव किया गया है। चित्र 2 रिपोर्ट किए गए रेक्टेना टोपोलॉजी की संरचनाओं को दर्शाता है, जो 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 वाले रेक्टेनास के उदाहरण दिखाती है।
चित्र 2 बैंडविड्थ और प्रतिबाधा मिलान के परिप्रेक्ष्य से रेक्टेना टोपोलॉजी। (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-अलग मिलान नेटवर्क के साथ ब्रॉडबैंड रेक्टेना। (डी) ब्रॉडबैंड एंटीना और ब्रॉडबैंड मिलान नेटवर्क के साथ ब्रॉडबैंड रेक्टेना। (ई) एकल-बैंड रेक्टेना विद्युत रूप से छोटे एंटीना का उपयोग करके सीधे रेक्टिफायर से मेल खाता है। (एफ) रेक्टिफायर के साथ जुड़ने के लिए जटिल प्रतिबाधा वाला एकल-बैंड, विद्युतीय रूप से बड़ा एंटीना। (छ) आवृत्तियों की एक श्रृंखला पर रेक्टिफायर के साथ संयुग्मित करने के लिए जटिल प्रतिबाधा वाला ब्रॉडबैंड रेक्टेना।
जबकि समर्पित फ़ीड से डब्लूपीटी और परिवेश आरएफईएच अलग-अलग रेक्टेना अनुप्रयोग हैं, बैंडविड्थ परिप्रेक्ष्य से उच्च शक्ति रूपांतरण दक्षता (पीसीई) प्राप्त करने के लिए एंटीना, रेक्टिफायर और लोड के बीच एंड-टू-एंड मिलान प्राप्त करना मौलिक है। फिर भी, WPT रेक्टेनास कुछ पावर स्तरों (टोपोलॉजी ए, ई और एफ) पर सिंगल-बैंड पीसीई को बेहतर बनाने के लिए उच्च गुणवत्ता वाले कारक मिलान (निचला एस 11) प्राप्त करने पर अधिक ध्यान केंद्रित करता है। सिंगल-बैंड डब्लूपीटी की विस्तृत बैंडविड्थ ट्यूनिंग, विनिर्माण दोषों और पैकेजिंग परजीवियों के प्रति सिस्टम की प्रतिरोधक क्षमता में सुधार करती है। दूसरी ओर, आरएफईएच रेक्टेनास मल्टी-बैंड ऑपरेशन को प्राथमिकता देते हैं और टोपोलॉजी बीडी और जी से संबंधित होते हैं, क्योंकि एकल बैंड की पावर स्पेक्ट्रल घनत्व (पीएसडी) आम तौर पर कम होती 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 होता है, जैसे कि रैखिक ध्रुवीकरण (एलपी) या गोलाकार ध्रुवीकरण (सीपी) ग्राउंड प्लेन, द्विध्रुवीय एंटीना और उल्टे एफ एंटीना पर विकिरण पैच। 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।
चूंकि प्रस्तावित एंटेना में से कई एकल-आवृत्ति एंटेना हैं और एकल-आवृत्ति डब्लूपीटी की आवश्यकताओं को पूरा करते हैं, जब पर्यावरणीय बहु-आवृत्ति आरएफईएच की मांग की जाती है, तो कई एकल-आवृत्ति एंटेना को पारस्परिक युग्मन दमन के साथ मल्टी-बैंड रेक्टेंना (टोपोलॉजी बी) में जोड़ा जाता है और पावर प्रबंधन सर्किट के बाद उन्हें आरएफ अधिग्रहण और रूपांतरण सर्किट से पूरी तरह से अलग करने के लिए स्वतंत्र डीसी संयोजन। इसके लिए प्रत्येक बैंड के लिए कई पावर प्रबंधन सर्किट की आवश्यकता होती है, जो बूस्ट कनवर्टर की दक्षता को कम कर सकता है क्योंकि एकल बैंड की डीसी पावर कम है।
2. मल्टी-बैंड और ब्रॉडबैंड RFEH एंटेना
पर्यावरणीय RFEH अक्सर मल्टी-बैंड अधिग्रहण से जुड़ा होता है; इसलिए, मानक एंटीना डिजाइनों की बैंडविड्थ में सुधार के लिए और डुअल-बैंड या बैंड एंटीना एरे बनाने के तरीकों के लिए कई तरह की तकनीकों का प्रस्ताव किया गया है। इस अनुभाग में, हम आरएफईएच के लिए कस्टम एंटीना डिज़ाइन की समीक्षा करते हैं, साथ ही रेक्टेना के रूप में उपयोग किए जाने की क्षमता वाले क्लासिक मल्टी-बैंड एंटेना की भी समीक्षा करते हैं।
कॉपलनार वेवगाइड (सीपीडब्ल्यू) मोनोपोल एंटेना समान आवृत्ति पर माइक्रोस्ट्रिप पैच एंटेना की तुलना में कम क्षेत्र घेरते हैं और एलपी या सीपी तरंगों का उत्पादन करते हैं, और अक्सर ब्रॉडबैंड पर्यावरण रेक्टेना के लिए उपयोग किया जाता है। परावर्तन विमानों का उपयोग अलगाव बढ़ाने और लाभ में सुधार करने के लिए किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप पैच एंटेना के समान विकिरण पैटर्न प्राप्त होते हैं। स्लॉटेड कॉपलनार वेवगाइड एंटेना का उपयोग कई आवृत्ति बैंड, जैसे 1.8-2.7 गीगाहर्ट्ज या 1-3 गीगाहर्ट्ज के लिए प्रतिबाधा बैंडविड्थ में सुधार करने के लिए किया जाता है। युग्मित-फ़ेड स्लॉट एंटेना और पैच एंटेना का उपयोग आमतौर पर मल्टी-बैंड रेक्टेना डिज़ाइन में भी किया जाता है। चित्र 3 कुछ रिपोर्ट किए गए मल्टी-बैंड एंटेना दिखाता है जो एक से अधिक बैंडविड्थ सुधार तकनीक का उपयोग करते हैं।
चित्र तीन
एंटीना-दिष्टकारी प्रतिबाधा मिलान
50Ω एंटीना को नॉनलाइनियर रेक्टिफायर से मिलाना चुनौतीपूर्ण है क्योंकि इसकी इनपुट प्रतिबाधा आवृत्ति के साथ बहुत भिन्न होती है। टोपोलॉजी ए और बी (चित्रा 2) में, सामान्य मिलान नेटवर्क लम्प्ड तत्वों का उपयोग करके एक एलसी मैच है; हालाँकि, सापेक्ष बैंडविड्थ आमतौर पर अधिकांश संचार बैंडों की तुलना में कम है। सिंगल-बैंड स्टब मिलान का उपयोग आमतौर पर 6 गीगाहर्ट्ज से नीचे के माइक्रोवेव और मिलीमीटर-वेव बैंड में किया जाता है, और रिपोर्ट किए गए मिलीमीटर-वेव रेक्टेंना में स्वाभाविक रूप से संकीर्ण बैंडविड्थ होती है क्योंकि उनका पीसीई बैंडविड्थ आउटपुट हार्मोनिक दमन द्वारा बाधित होता है, जो उन्हें सिंगल-वेव के लिए विशेष रूप से उपयुक्त बनाता है। 24 गीगाहर्ट्ज़ बिना लाइसेंस वाले बैंड में बैंड WPT अनुप्रयोग।
टोपोलॉजी सी और डी में रेक्टेनास में अधिक जटिल मिलान नेटवर्क हैं। ब्रॉडबैंड मिलान के लिए पूरी तरह से वितरित लाइन मिलान नेटवर्क प्रस्तावित किया गया है, जिसमें आउटपुट पोर्ट पर आरएफ ब्लॉक/डीसी शॉर्ट सर्किट (पास फिल्टर) या डायोड हार्मोनिक्स के लिए रिटर्न पथ के रूप में डीसी ब्लॉकिंग कैपेसिटर है। रेक्टिफायर घटकों को मुद्रित सर्किट बोर्ड (पीसीबी) इंटरडिजिटेड 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 को जोड़ते हैं और इनपुट पर आरएफ शॉर्ट बनाने के लिए वितरित तत्वों को जोड़ते हैं।
एक स्रोत के माध्यम से लोड द्वारा देखी गई इनपुट प्रतिबाधा को अलग करना (स्रोत-पुल तकनीक के रूप में जाना जाता है) का उपयोग 57% सापेक्ष बैंडविड्थ (1.25-2.25 गीगाहर्ट्ज) और लम्प्ड या वितरित सर्किट की तुलना में 10% अधिक पीसीई के साथ ब्रॉडबैंड रेक्टिफायर को डिजाइन करने के लिए किया गया है। . हालाँकि मिलान नेटवर्क आमतौर पर संपूर्ण 50Ω बैंडविड्थ पर एंटेना से मेल खाने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, साहित्य में ऐसी रिपोर्टें हैं जहां ब्रॉडबैंड एंटेना को नैरोबैंड रेक्टिफायर से जोड़ा गया है।
हाइब्रिड लम्प्ड-एलिमेंट और डिस्ट्रीब्यूटेड-एलिमेंट मैचिंग नेटवर्क का व्यापक रूप से टोपोलॉजी सी और डी में उपयोग किया गया है, जिसमें श्रृंखला इंडक्टर्स और कैपेसिटर सबसे अधिक इस्तेमाल किए जाने वाले लम्प्ड तत्व हैं। ये इंटरडिजिटेटेड कैपेसिटर जैसी जटिल संरचनाओं से बचते हैं, जिन्हें मानक माइक्रोस्ट्रिप लाइनों की तुलना में अधिक सटीक मॉडलिंग और निर्माण की आवश्यकता होती है।
डायोड की गैर-रैखिकता के कारण रेक्टिफायर की इनपुट शक्ति इनपुट प्रतिबाधा को प्रभावित करती है। इसलिए, रेक्टेना को एक विशिष्ट इनपुट पावर स्तर और लोड प्रतिबाधा के लिए पीसीई को अधिकतम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। चूंकि डायोड मुख्य रूप से 3 गीगाहर्ट्ज से कम आवृत्तियों पर कैपेसिटिव उच्च प्रतिबाधा होते हैं, ब्रॉडबैंड रेक्टेनास जो मिलान नेटवर्क को खत्म करते हैं या सरलीकृत मिलान सर्किट को कम करते हैं, आवृत्तियों पीआरएफ> 0 डीबीएम और 1 गीगाहर्ट्ज से ऊपर पर ध्यान केंद्रित किया गया है, क्योंकि डायोड में कम कैपेसिटिव प्रतिबाधा होती है और अच्छी तरह से मिलान किया जा सकता है ऐन्टेना के लिए, इस प्रकार इनपुट प्रतिक्रिया >1,000Ω वाले एंटेना के डिज़ाइन से बचा जाता है।
सीएमओएस रेक्टेनास में अनुकूली या पुन: कॉन्फ़िगर करने योग्य प्रतिबाधा मिलान देखा गया है, जहां मिलान नेटवर्क में ऑन-चिप कैपेसिटर बैंक और इंडक्टर्स होते हैं। मानक 50Ω एंटेना के साथ-साथ सह-डिज़ाइन किए गए लूप एंटेना के लिए स्टेटिक सीएमओएस मिलान नेटवर्क भी प्रस्तावित किया गया है। यह बताया गया है कि निष्क्रिय सीएमओएस पावर डिटेक्टरों का उपयोग उन स्विचों को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है जो उपलब्ध पावर के आधार पर एंटीना के आउटपुट को विभिन्न रेक्टिफायर और मिलान नेटवर्क पर निर्देशित करते हैं। लम्प्ड ट्यूनेबल कैपेसिटर का उपयोग करके एक पुन: कॉन्फ़िगर करने योग्य मिलान नेटवर्क प्रस्तावित किया गया है, जिसे वेक्टर नेटवर्क विश्लेषक का उपयोग करके इनपुट प्रतिबाधा को मापते समय फाइन-ट्यूनिंग द्वारा ट्यून किया जाता है। पुन: कॉन्फ़िगर करने योग्य माइक्रोस्ट्रिप मिलान नेटवर्क में, दोहरे बैंड विशेषताओं को प्राप्त करने के लिए मिलान स्टब्स को समायोजित करने के लिए फ़ील्ड प्रभाव ट्रांजिस्टर स्विच का उपयोग किया गया है।
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पोस्ट समय: अगस्त-09-2024
