1 परिचय
रेडियो आवृत्ति (आरएफ) ऊर्जा संचयन (आरएफईएच) और विकिरण आधारित वायरलेस पावर ट्रांसफर (डब्ल्यूपीटी) ने बैटरी-मुक्त स्थायी वायरलेस नेटवर्क प्राप्त करने के तरीकों के रूप में काफी रुचि आकर्षित की है। रेक्टेना डब्ल्यूपीटी और आरएफईएच प्रणालियों की आधारशिला हैं और लोड को दी जाने वाली डीसी पावर पर इनका महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। रेक्टेना के एंटीना तत्व संचयन दक्षता को सीधे प्रभावित करते हैं, जिससे संचित पावर में कई गुना परिवर्तन हो सकता है। यह शोधपत्र डब्ल्यूपीटी और परिवेशी आरएफईएच अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाने वाले एंटीना डिज़ाइनों की समीक्षा करता है। रिपोर्ट किए गए रेक्टेना को दो मुख्य मानदंडों के अनुसार वर्गीकृत किया गया है: एंटीना रेक्टिफाइंग प्रतिबाधा बैंडविड्थ और एंटीना की विकिरण विशेषताएँ। प्रत्येक मानदंड के लिए, विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए मेरिट का आंकड़ा (एफओएम) निर्धारित किया जाता है और तुलनात्मक रूप से समीक्षा की जाती है।
डब्ल्यूपीटी का प्रस्ताव 20वीं शताब्दी के आरंभ में टेस्ला द्वारा हजारों हॉर्सपावर संचारित करने की विधि के रूप में दिया गया था। रेक्टेना शब्द, जो आरएफ शक्ति को एकत्रित करने के लिए रेक्टिफायर से जुड़े एक एंटीना का वर्णन करता है, 1950 के दशक में अंतरिक्ष माइक्रोवेव शक्ति संचरण अनुप्रयोगों और स्वायत्त ड्रोन को शक्ति प्रदान करने के लिए सामने आया। सर्वदिशात्मक, लंबी दूरी की डब्ल्यूपीटी प्रसार माध्यम (वायु) के भौतिक गुणों द्वारा सीमित होती है। इसलिए, वाणिज्यिक डब्ल्यूपीटी मुख्य रूप से वायरलेस उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स चार्जिंग या आरएफआईडी के लिए निकट-क्षेत्र गैर-विकिरणकारी शक्ति हस्तांतरण तक ही सीमित है।
सेमीकंडक्टर उपकरणों और वायरलेस सेंसर नोड्स की बिजली खपत में लगातार कमी आने के साथ, परिवेशी RFEH या वितरित कम-शक्ति वाले सर्वदिशात्मक ट्रांसमीटरों का उपयोग करके सेंसर नोड्स को बिजली प्रदान करना अधिक व्यवहार्य हो जाता है। अल्ट्रा-लो-पावर वायरलेस पावर सिस्टम में आमतौर पर एक RF अधिग्रहण फ्रंट एंड, DC पावर और मेमोरी प्रबंधन, और एक कम-शक्ति वाला माइक्रोप्रोसेसर और ट्रांससीवर शामिल होते हैं।
चित्र 1 में RFEH वायरलेस नोड की संरचना और आमतौर पर रिपोर्ट किए गए RF फ्रंट-एंड कार्यान्वयन दर्शाए गए हैं। वायरलेस पावर सिस्टम की समग्र दक्षता और सिंक्रोनाइज़्ड वायरलेस सूचना एवं पावर ट्रांसफर नेटवर्क की संरचना, 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 से संबंधित साहित्य सर्वेक्षणों का सारांश दिया गया है। हाल के साहित्य में पावर रूपांतरण प्रौद्योगिकी, रेक्टिफायर टोपोलॉजी या नेटवर्क-अवेयर RFEH पर ध्यान केंद्रित किया गया है।
चित्र 1
हालांकि, RFEH में एंटीना डिज़ाइन को एक महत्वपूर्ण घटक नहीं माना जाता है। यद्यपि कुछ साहित्य समग्र दृष्टिकोण से या विशिष्ट एंटीना डिज़ाइन दृष्टिकोण से, जैसे कि लघु या पहनने योग्य एंटीना, एंटीना बैंडविड्थ और दक्षता पर विचार करते हैं, लेकिन बिजली प्राप्ति और रूपांतरण दक्षता पर कुछ एंटीना मापदंडों के प्रभाव का विस्तृत विश्लेषण नहीं किया गया है।
इस शोधपत्र में रेक्टेना में एंटीना डिज़ाइन तकनीकों की समीक्षा की गई है, जिसका उद्देश्य RFEH और WPT से संबंधित विशिष्ट एंटीना डिज़ाइन चुनौतियों को मानक संचार एंटीना डिज़ाइन से अलग करना है। एंटीना की तुलना दो दृष्टिकोणों से की गई है: एंड-टू-एंड प्रतिबाधा मिलान और विकिरण विशेषताएँ; प्रत्येक मामले में, अत्याधुनिक (SoA) एंटीना में FoM की पहचान की गई है और उसकी समीक्षा की गई है।
2. बैंडविड्थ और मिलान: गैर-50Ω आरएफ नेटवर्क
माइक्रोवेव इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में क्षीणन और शक्ति के बीच संतुलन स्थापित करने के लिए 50Ω की विशिष्ट प्रतिबाधा को प्रारंभिक रूप से ध्यान में रखा जाता है। एंटेना में, प्रतिबाधा बैंडविड्थ को उस आवृत्ति सीमा के रूप में परिभाषित किया जाता है जहां परावर्तित शक्ति 10% से कम होती है (S11 < − 10 dB)। चूंकि कम शोर वाले एम्पलीफायर (LNA), पावर एम्पलीफायर और डिटेक्टर आमतौर पर 50Ω इनपुट प्रतिबाधा मिलान के साथ डिज़ाइन किए जाते हैं, इसलिए पारंपरिक रूप से 50Ω स्रोत को संदर्भ के रूप में उपयोग किया जाता है।
रेक्टेना में, एंटीना का आउटपुट सीधे रेक्टिफायर में जाता है, और डायोड की नॉनलाइनैरिटी के कारण इनपुट प्रतिबाधा में काफी बदलाव होता है, जिसमें कैपेसिटिव घटक हावी रहता है। 50Ω एंटीना मानते हुए, मुख्य चुनौती एक अतिरिक्त RF मैचिंग नेटवर्क को डिज़ाइन करना है ताकि इनपुट प्रतिबाधा को वांछित आवृत्ति पर रेक्टिफायर की प्रतिबाधा में परिवर्तित किया जा सके और इसे एक विशिष्ट पावर स्तर के लिए अनुकूलित किया जा सके। इस स्थिति में, कुशल RF से DC रूपांतरण सुनिश्चित करने के लिए एंड-टू-एंड प्रतिबाधा बैंडविड्थ आवश्यक है। इसलिए, यद्यपि एंटीना आवधिक तत्वों या स्व-पूरक ज्यामिति का उपयोग करके सैद्धांतिक रूप से अनंत या अति-विस्तृत बैंडविड्थ प्राप्त कर सकते हैं, रेक्टेना की बैंडविड्थ रेक्टिफायर मैचिंग नेटवर्क द्वारा सीमित हो जाएगी।
एंटीना और रेक्टिफायर के बीच परावर्तन को कम करने और पावर ट्रांसफर को अधिकतम करने के लिए सिंगल-बैंड और मल्टी-बैंड हार्वेस्टिंग (डब्ल्यूपीटी) प्राप्त करने हेतु कई रेक्टेना टोपोलॉजी प्रस्तावित की गई हैं। चित्र 2 में रिपोर्ट की गई रेक्टेना टोपोलॉजी की संरचनाएं दिखाई गई हैं, जिन्हें उनके प्रतिबाधा मिलान आर्किटेक्चर के आधार पर वर्गीकृत किया गया है। तालिका 2 में प्रत्येक श्रेणी के लिए एंड-टू-एंड बैंडविड्थ (इस मामले में, FoM) के संदर्भ में उच्च-प्रदर्शन वाले रेक्टेना के उदाहरण दिखाए गए हैं।
चित्र 2 बैंडविड्थ और प्रतिबाधा मिलान के परिप्रेक्ष्य से रेक्टेना टोपोलॉजी। (a) मानक एंटीना वाला सिंगल-बैंड रेक्टेना। (b) प्रत्येक बैंड के लिए एक रेक्टिफायर और मैचिंग नेटवर्क वाला मल्टीबैंड रेक्टेना (आपस में जुड़े कई एंटीना से बना)। (c) कई RF पोर्ट और प्रत्येक बैंड के लिए अलग-अलग मैचिंग नेटवर्क वाला ब्रॉडबैंड रेक्टेना। (d) ब्रॉडबैंड एंटीना और ब्रॉडबैंड मैचिंग नेटवर्क वाला ब्रॉडबैंड रेक्टेना। (e) रेक्टिफायर से सीधे मेल खाने वाले विद्युत रूप से छोटे एंटीना का उपयोग करने वाला सिंगल-बैंड रेक्टेना। (f) रेक्टिफायर के साथ संयुग्मित होने के लिए जटिल प्रतिबाधा वाला सिंगल-बैंड, विद्युत रूप से बड़ा एंटीना। (g) आवृत्तियों की एक श्रृंखला पर रेक्टिफायर के साथ संयुग्मित होने के लिए जटिल प्रतिबाधा वाला ब्रॉडबैंड रेक्टेना।
हालांकि समर्पित फीड से प्राप्त WPT और परिवेशी RFEH रेक्टेना के विभिन्न अनुप्रयोग हैं, लेकिन बैंडविड्थ के दृष्टिकोण से उच्च शक्ति रूपांतरण दक्षता (PCE) प्राप्त करने के लिए एंटीना, रेक्टिफायर और लोड के बीच पूर्णतः मिलान करना आवश्यक है। फिर भी, WPT रेक्टेना कुछ शक्ति स्तरों (टोपोलॉजी a, e और f) पर एकल-बैंड PCE को बेहतर बनाने के लिए उच्च गुणवत्ता कारक मिलान (निम्न S11) प्राप्त करने पर अधिक ध्यान केंद्रित करते हैं। एकल-बैंड WPT की विस्तृत बैंडविड्थ डीट्यूनिंग, निर्माण दोषों और पैकेजिंग परजीवियों के प्रति सिस्टम की प्रतिरोधक क्षमता को बढ़ाती है। दूसरी ओर, RFEH रेक्टेना बहु-बैंड संचालन को प्राथमिकता देते हैं और टोपोलॉजी bd और g से संबंधित हैं, क्योंकि एकल बैंड का शक्ति स्पेक्ट्रल घनत्व (PSD) आमतौर पर कम होता है।
3. आयताकार एंटीना डिजाइन
1. एकल-आवृत्ति रेक्टेना
एकल आवृत्ति रेक्टेना (टोपोलॉजी A) का एंटीना डिज़ाइन मुख्य रूप से मानक एंटीना डिज़ाइन पर आधारित है, जैसे कि ग्राउंड प्लेन पर रैखिक ध्रुवीकरण (LP) या वृत्ताकार ध्रुवीकरण (CP) विकिरण पैच, द्विध्रुवीय एंटीना और व्युत्क्रमित F एंटीना। डिफरेंशियल बैंड रेक्टेना, कई एंटीना इकाइयों से निर्मित DC संयोजन सरणी या कई पैच इकाइयों के मिश्रित DC और RF संयोजन पर आधारित है।
चूंकि प्रस्तावित एंटेना में से कई एकल-आवृत्ति एंटेना हैं और एकल-आवृत्ति WPT की आवश्यकताओं को पूरा करते हैं, इसलिए पर्यावरणीय बहु-आवृत्ति RFEH की खोज करते समय, कई एकल-आवृत्ति एंटेना को पारस्परिक युग्मन दमन और स्वतंत्र DC संयोजन के साथ बहु-बैंड रेक्टेना (टोपोलॉजी B) में संयोजित किया जाता है। पावर प्रबंधन सर्किट के बाद, उन्हें RF अधिग्रहण और रूपांतरण सर्किट से पूरी तरह से अलग करने के लिए ऐसा किया जाता है। इसके लिए प्रत्येक बैंड के लिए कई पावर प्रबंधन सर्किट की आवश्यकता होती है, जिससे बूस्ट कनवर्टर की दक्षता कम हो सकती है क्योंकि एकल बैंड की DC शक्ति कम होती है।
2. मल्टी-बैंड और ब्रॉडबैंड आरएफईएच एंटेना
पर्यावरणीय RFEH अक्सर मल्टी-बैंड अधिग्रहण से जुड़ा होता है; इसलिए, मानक एंटीना डिज़ाइनों की बैंडविड्थ में सुधार करने और ड्यूल-बैंड या बैंड एंटीना सरणियों के निर्माण के लिए विभिन्न तकनीकों का प्रस्ताव दिया गया है। इस खंड में, हम RFEH के लिए कस्टम एंटीना डिज़ाइनों के साथ-साथ रेक्टेना के रूप में उपयोग किए जाने की क्षमता वाले क्लासिक मल्टी-बैंड एंटीना की समीक्षा करते हैं।
कोप्लेनर वेवगाइड (CPW) मोनोपोल एंटेना समान आवृत्ति पर माइक्रोस्ट्रिप पैच एंटेना की तुलना में कम क्षेत्रफल घेरते हैं और LP या CP तरंगें उत्पन्न करते हैं, और अक्सर ब्रॉडबैंड पर्यावरणीय रेक्टेना के लिए उपयोग किए जाते हैं। परावर्तन तलों का उपयोग पृथक्करण बढ़ाने और लाभ में सुधार करने के लिए किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप पैच एंटेना के समान विकिरण पैटर्न प्राप्त होते हैं। स्लॉटेड कोप्लेनर वेवगाइड एंटेना का उपयोग 1.8–2.7 GHz या 1–3 GHz जैसे कई आवृत्ति बैंडों के लिए प्रतिबाधा बैंडविड्थ में सुधार करने के लिए किया जाता है। युग्मित-फेड स्लॉट एंटेना और पैच एंटेना का उपयोग भी आमतौर पर मल्टी-बैंड रेक्टेना डिज़ाइनों में किया जाता है। चित्र 3 कुछ रिपोर्ट किए गए मल्टी-बैंड एंटेना को दर्शाता है जो एक से अधिक बैंडविड्थ सुधार तकनीकों का उपयोग करते हैं।
चित्र तीन
एंटीना-रेक्टिफायर प्रतिबाधा मिलान
50Ω एंटीना को नॉनलाइनियर रेक्टिफायर से मिलाना चुनौतीपूर्ण है क्योंकि इसकी इनपुट प्रतिबाधा आवृत्ति के साथ बहुत अधिक बदलती रहती है। टोपोलॉजी A और B (चित्र 2) में, सामान्य मिलान नेटवर्क लम्पड तत्वों का उपयोग करके एक LC मिलान है; हालाँकि, सापेक्ष बैंडविड्थ आमतौर पर अधिकांश संचार बैंडों की तुलना में कम होती है। सिंगल-बैंड स्टब मिलान आमतौर पर 6 GHz से नीचे के माइक्रोवेव और मिलीमीटर-वेव बैंडों में उपयोग किया जाता है, और रिपोर्ट किए गए मिलीमीटर-वेव रेक्टेना में स्वाभाविक रूप से संकीर्ण बैंडविड्थ होती है क्योंकि उनकी PCE बैंडविड्थ आउटपुट हार्मोनिक दमन द्वारा बाधित होती है, जो उन्हें 24 GHz अनलाइसेंस्ड बैंड में सिंगल-बैंड WPT अनुप्रयोगों के लिए विशेष रूप से उपयुक्त बनाती है।
टोपोलॉजी C और D में रेक्टेना में अधिक जटिल मिलान नेटवर्क होते हैं। ब्रॉडबैंड मिलान के लिए पूर्णतः वितरित लाइन मिलान नेटवर्क प्रस्तावित किए गए हैं, जिनमें आउटपुट पोर्ट पर RF ब्लॉक/DC शॉर्ट सर्किट (पास फ़िल्टर) या डायोड हार्मोनिक्स के लिए रिटर्न पाथ के रूप में DC ब्लॉकिंग कैपेसिटर का उपयोग किया जाता है। रेक्टिफायर घटकों को प्रिंटेड सर्किट बोर्ड (PCB) इंटरडिजिटेटेड कैपेसिटर से बदला जा सकता है, जिन्हें व्यावसायिक इलेक्ट्रॉनिक डिज़ाइन ऑटोमेशन टूल का उपयोग करके संश्लेषित किया जाता है। अन्य रिपोर्ट किए गए ब्रॉडबैंड रेक्टेना मिलान नेटवर्क कम आवृत्तियों से मिलान के लिए लम्पड तत्वों और इनपुट पर RF शॉर्ट सर्किट बनाने के लिए वितरित तत्वों का संयोजन करते हैं।
स्रोत के माध्यम से लोड द्वारा प्राप्त इनपुट प्रतिबाधा को बदलकर (जिसे सोर्स-पुल तकनीक के रूप में जाना जाता है) लम्पड या डिस्ट्रीब्यूटेड सर्किट की तुलना में 57% सापेक्ष बैंडविड्थ (1.25–2.25 GHz) और 10% अधिक PCE वाला ब्रॉडबैंड रेक्टिफायर डिज़ाइन किया गया है। हालांकि मैचिंग नेटवर्क आमतौर पर पूरे 50Ω बैंडविड्थ पर एंटेना को मैच करने के लिए डिज़ाइन किए जाते हैं, लेकिन साहित्य में ऐसे उदाहरण भी मिलते हैं जहां ब्रॉडबैंड एंटेना को नैरोबैंड रेक्टिफायर से जोड़ा गया है।
हाइब्रिड लम्पड-एलिमेंट और डिस्ट्रीब्यूटेड-एलिमेंट मैचिंग नेटवर्क का उपयोग टोपोलॉजी C और D में व्यापक रूप से किया गया है, जिसमें श्रृंखला इंडक्टर और कैपेसिटर सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले लम्पड एलिमेंट हैं। ये इंटरडिजिटेटेड कैपेसिटर जैसी जटिल संरचनाओं से बचते हैं, जिनके लिए मानक माइक्रोस्ट्रिप लाइनों की तुलना में अधिक सटीक मॉडलिंग और निर्माण की आवश्यकता होती है।
डायोड की नॉनलाइनैरिटी के कारण रेक्टिफायर में इनपुट पावर इनपुट इंपीडेंस को प्रभावित करती है। इसलिए, रेक्टेना को एक विशिष्ट इनपुट पावर लेवल और लोड इंपीडेंस के लिए PCE को अधिकतम करने के लिए डिज़ाइन किया जाता है। चूंकि डायोड मुख्य रूप से 3 GHz से कम आवृत्तियों पर कैपेसिटिव उच्च इंपीडेंस वाले होते हैं, इसलिए ब्रॉडबैंड रेक्टेना जो मैचिंग नेटवर्क को समाप्त करते हैं या सरलीकृत मैचिंग सर्किट को कम करते हैं, उन्हें Prf>0 dBm और 1 GHz से ऊपर की आवृत्तियों पर केंद्रित किया गया है, क्योंकि डायोड में कम कैपेसिटिव इंपीडेंस होता है और उन्हें एंटीना के साथ अच्छी तरह से मैच किया जा सकता है, इस प्रकार 1,000Ω से अधिक इनपुट रिएक्टेंस वाले एंटीना के डिज़ाइन से बचा जा सकता है।
CMOS रेक्टेना में अनुकूली या पुन: विन्यास योग्य प्रतिबाधा मिलान देखा गया है, जहाँ मिलान नेटवर्क में ऑन-चिप कैपेसिटर बैंक और इंडक्टर शामिल होते हैं। मानक 50Ω एंटेना के साथ-साथ सह-डिज़ाइन किए गए लूप एंटेना के लिए भी स्थिर CMOS मिलान नेटवर्क प्रस्तावित किए गए हैं। यह बताया गया है कि निष्क्रिय CMOS पावर डिटेक्टरों का उपयोग स्विचों को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है जो उपलब्ध शक्ति के आधार पर एंटेना के आउटपुट को विभिन्न रेक्टिफायर और मिलान नेटवर्क की ओर निर्देशित करते हैं। लम्पड ट्यूनेबल कैपेसिटर का उपयोग करके एक पुन: विन्यास 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: विन्यास योग्य माइक्रोस्ट्रिप मिलान नेटवर्क में, दोहरे बैंड विशेषताओं को प्राप्त करने के लिए मिलान स्टब्स को समायोजित करने के लिए फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर स्विच का उपयोग किया गया है।
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पोस्ट करने का समय: 09 अगस्त 2024
