1 परिचय
रेडियो आवृत्ति (आरएफ) ऊर्जा संचयन (आरएफईएच) और विकिरणीय वायरलेस शक्ति हस्तांतरण (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 शक्ति पर महत्वपूर्ण प्रभाव डालते हैं। रेक्टेना के एंटीना तत्व संचयन दक्षता को सीधे प्रभावित करते हैं, जिससे संचित शक्ति में कई क्रमों का परिमाण परिवर्तन हो सकता है। यह शोधपत्र डब्ल्यूपीटी और परिवेशी आरएफईएच अनुप्रयोगों में प्रयुक्त एंटीना डिज़ाइनों की समीक्षा करता है। रिपोर्ट किए गए रेक्टेना को दो मुख्य मानदंडों के अनुसार वर्गीकृत किया गया है: एंटीना दिष्टकारी प्रतिबाधा बैंडविड्थ और एंटीना की विकिरण विशेषताएँ। प्रत्येक मानदंड के लिए, विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए योग्यता का आंकड़ा (FoM) निर्धारित किया गया है और तुलनात्मक रूप से समीक्षा की गई है।
WPT को टेस्ला ने 20वीं सदी के आरंभ में हज़ारों हॉर्सपावर संचारित करने की एक विधि के रूप में प्रस्तावित किया था। रेक्टेना शब्द, जो RF शक्ति 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 शक्ति प्रदान करने के लिए उभरा। सर्वदिशात्मक, लंबी दूरी का WPT संचरण माध्यम (वायु) के भौतिक गुणों द्वारा सीमित होता है। इसलिए, वाणिज्यिक WPT मुख्य रूप से वायरलेस उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स चार्जिंग या RFID के लिए निकट-क्षेत्र गैर-विकिरणीय शक्ति हस्तांतरण तक सीमित है।
जैसे-जैसे अर्धचालक उपकरणों और वायरलेस सेंसर नोड्स की बिजली खपत लगातार कम होती जा रही है, परिवेशी RFEH का उपयोग करके या वितरित कम-शक्ति सर्वदिशात्मक ट्रांसमीटरों का उपयोग करके सेंसर नोड्स को बिजली देना अधिक व्यवहार्य होता जा रहा है। अति-निम्न-शक्ति वायरलेस पावर सिस्टम में आमतौर पर एक RF अधिग्रहण फ्रंट एंड, DC पावर और मेमोरी प्रबंधन, और एक कम-शक्ति माइक्रोप्रोसेसर और ट्रांसीवर शामिल होते हैं।
चित्र 1 एक RFEH वायरलेस नोड की वास्तुकला और सामान्यतः रिपोर्ट किए गए RF फ्रंट-एंड कार्यान्वयनों को दर्शाता है। वायरलेस पावर सिस्टम की संपूर्ण दक्षता और सिंक्रोनाइज़्ड वायरलेस सूचना एवं पावर ट्रांसफर नेटवर्क की वास्तुकला, एंटेना, रेक्टिफायर और पावर प्रबंधन सर्किट जैसे अलग-अलग 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 घटकों और प्रत्येक भाग के लिए संबंधित साहित्य सर्वेक्षणों का सारांश दिया गया है। हालिया साहित्य पावर रूपांतरण तकनीक, रेक्टिफायर टोपोलॉजी या नेटवर्क-जागरूक RFEH पर केंद्रित है।
चित्र 1
हालाँकि, एंटीना डिज़ाइन को RFEH में एक महत्वपूर्ण घटक नहीं माना जाता है। हालाँकि कुछ साहित्य एंटीना बैंडविड्थ और दक्षता को समग्र दृष्टिकोण से या विशिष्ट एंटीना डिज़ाइन के दृष्टिकोण से, जैसे कि लघुकृत या पहनने योग्य एंटीना, देखते हैं, फिर भी पावर रिसेप्शन और रूपांतरण दक्षता पर कुछ एंटीना मापदंडों के प्रभाव का विस्तार से विश्लेषण नहीं किया गया है।
यह शोधपत्र रेक्टेना में एंटीना डिज़ाइन तकनीकों की समीक्षा करता है, जिसका उद्देश्य मानक संचार एंटीना डिज़ाइन से RFEH और WPT विशिष्ट एंटीना डिज़ाइन चुनौतियों को अलग करना है। एंटीना की तुलना दो दृष्टिकोणों से की जाती है: अंत-से-अंत प्रतिबाधा मिलान और विकिरण विशेषताएँ; प्रत्येक मामले में, अत्याधुनिक (SoA) एंटीना में FoM की पहचान और समीक्षा की जाती है।
2. बैंडविड्थ और मिलान: गैर-50Ω आरएफ नेटवर्क
माइक्रोवेव इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में क्षीणन और शक्ति के बीच समझौते के लिए 50Ω की अभिलक्षणिक प्रतिबाधा एक प्रारंभिक विचार है। एंटेना में, प्रतिबाधा बैंडविड्थ को उस आवृत्ति परास के रूप में परिभाषित किया जाता है जहाँ परावर्तित शक्ति 10% से कम होती है (S11< − 10 dB)। चूँकि निम्न-रव प्रवर्धक (LNA), शक्ति प्रवर्धक और संसूचक आमतौर पर 50Ω इनपुट प्रतिबाधा मिलान के साथ डिज़ाइन किए जाते हैं, इसलिए पारंपरिक रूप से 50Ω स्रोत का संदर्भ लिया जाता है।
एक रेक्टेना में, एंटीना का आउटपुट सीधे रेक्टिफायर में भेजा जाता है, और डायोड की अरैखिकता इनपुट प्रतिबाधा में भारी बदलाव लाती है, जिसमें कैपेसिटिव घटक प्रमुख होता है। 50Ω एंटीना मानते हुए, मुख्य चुनौती एक अतिरिक्त आरएफ मिलान नेटवर्क डिज़ाइन करना है जो इनपुट प्रतिबाधा को वांछित आवृत्ति पर रेक्टिफायर की प्रतिबाधा में परिवर्तित कर सके और इसे एक विशिष्ट पावर स्तर के लिए अनुकूलित कर सके। इस स्थिति में, कुशल आरएफ से डीसी रूपांतरण सुनिश्चित करने के लिए एंड-टू-एंड प्रतिबाधा बैंडविड्थ की आवश्यकता होती 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 मिलान नेटवर्क द्वारा बाधित होगी।
परावर्तन को न्यूनतम करके और एंटीना तथा रेक्टिफायर के बीच शक्ति हस्तांतरण को अधिकतम करके सिंगल-बैंड और मल्टी-बैंड हार्वेस्टिंग या WPT प्राप्त करने के लिए कई रेक्टेना टोपोलॉजी प्रस्तावित की गई हैं। चित्र 2 में रिपोर्ट की गई रेक्टेना टोपोलॉजी की संरचनाओं को उनके प्रतिबाधा मिलान संरचना के आधार पर वर्गीकृत किया गया है। तालिका 2 प्रत्येक श्रेणी के लिए एंड-टू-एंड बैंडविड्थ (इस मामले में, FoM) के संबंध में उच्च-प्रदर्शन वाले रेक्टेना 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 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 एंटेना का उपयोग करने वाला सिंगल-बैंड रेक्टेना। (एफ) रेक्टिफायर के साथ संयुग्म करने के लिए जटिल प्रतिबाधा के साथ सिंगल-बैंड, विद्युत रूप से बड़ा एंटेना। (जी) आवृत्तियों की एक सीमा 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, ऐन्टेना, रेक्टिफायर और लोड के बीच एंड-टू-एंड मिलान प्राप्त करना बैंडविड्थ के दृष्टिकोण से उच्च शक्ति रूपांतरण दक्षता (PCE) प्राप्त करने के लिए आवश्यक है। फिर भी, WPT रेक्टेना कुछ निश्चित शक्ति स्तरों (टोपोलॉजी a, e और f) पर एकल-बैंड PCE में सुधार के लिए उच्च गुणवत्ता कारक मिलान (निम्न S11) प्राप्त करने पर अधिक ध्यान केंद्रित करते हैं। एकल-बैंड WPT की विस्तृत बैंडविड्थ, डिट्यूनिंग, निर्माण दोषों और पैकेजिंग परजीवियों के प्रति सिस्टम की प्रतिरोधक क्षमता में सुधार करती है। दूसरी ओर, RFEH रेक्टेना बहु-बैंड संचालन को प्राथमिकता देते हैं और bd और g टोपोलॉजी से संबंधित होते हैं, क्योंकि एकल बैंड का पावर स्पेक्ट्रल घनत्व (PSD) आमतौर पर कम होता है।
3. आयताकार एंटीना डिज़ाइन
1. एकल-आवृत्ति रेक्टेना
एकल-आवृत्ति रेक्टेना (टोपोलॉजी A) का एंटीना डिज़ाइन मुख्यतः मानक एंटीना डिज़ाइन पर आधारित होता है, जैसे कि रैखिक ध्रुवीकरण (LP) या वृत्ताकार ध्रुवीकरण (CP) विकिरणित पैच, भू-तल पर द्विध्रुवीय एंटीना और उल्टा F एंटीना। विभेदक बैंड रेक्टेना, बहुल एंटीना इकाइयों से विन्यस्त DC संयोजन सारणी या बहुल पैच इकाइयों के मिश्रित DC और RF संयोजन पर आधारित होता है।
चूँकि 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 तलाश करते समय, कई एकल-आवृत्ति एंटेना को बहु-बैंड रेक्टेना (टोपोलॉजी B) में परस्पर युग्मन दमन और स्वतंत्र DC संयोजन के साथ संयोजित किया जाता है ताकि उन्हें RF अधिग्रहण और रूपांतरण सर्किट से पूरी तरह अलग किया जा सके। 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 पावर कम होती है।
2. मल्टी-बैंड और ब्रॉडबैंड RFEH एंटेना
पर्यावरणीय RFEH अक्सर बहु-बैंड अधिग्रहण से जुड़ा होता है; इसलिए, मानक एंटीना डिज़ाइनों की बैंडविड्थ में सुधार के लिए कई तकनीकों और दोहरे-बैंड या बैंड एंटीना सरणियाँ बनाने के तरीकों का प्रस्ताव दिया गया है। इस खंड में, हम RFEH के लिए कस्टम एंटीना डिज़ाइनों के साथ-साथ रेक्टेना के रूप में उपयोग किए जा सकने वाले क्लासिक बहु-बैंड एंटेना की समीक्षा करते हैं।
कोपलनार 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 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 कोपलनार वेवगाइड एंटेना का उपयोग 1.8–2.7 GHz या 1–3 GHz जैसी कई आवृत्ति बैंडों के लिए प्रतिबाधा बैंडविड्थ में सुधार के लिए किया जाता है। युग्मित-संयोजित स्लॉट एंटेना और पैच एंटेना का भी बहु-बैंड रेक्टेना डिज़ाइनों में सामान्यतः उपयोग किया जाता है। चित्र 3 कुछ ज्ञात बहु-बैंड एंटेना दिखाता है जो एक से अधिक बैंडविड्थ सुधार तकनीकों का उपयोग करते हैं।
चित्र तीन
एंटीना-रेक्टिफायर प्रतिबाधा मिलान
50Ω एंटीना का एक अरैखिक दिष्टकारी से मिलान करना चुनौतीपूर्ण है क्योंकि इसकी इनपुट प्रतिबाधा आवृत्ति के साथ बहुत भिन्न होती है। टोपोलॉजी A और B (चित्र 2) में, सामान्य मिलान नेटवर्क संकुलित तत्वों का उपयोग करके एक LC मिलान है; हालाँकि, सापेक्ष बैंडविड्थ आमतौर पर अधिकांश संचार बैंडों से कम होती है। एकल-बैंड स्टब मिलान का उपयोग आमतौर पर 6 GHz से नीचे के माइक्रोवेव और मिलीमीटर-तरंग बैंड में किया जाता है, और रिपोर्ट किए गए मिलीमीटर-तरंग रेक्टेना में स्वाभाविक रूप से संकीर्ण बैंडविड्थ होती है क्योंकि उनकी PCE बैंडविड्थ आउटपुट हार्मोनिक दमन द्वारा बाधित होती है, जो उन्हें 24 GHz गैर-लाइसेंस प्राप्त बैंड में एकल-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 एक RF ब्लॉक/DC शॉर्ट सर्किट (पास फ़िल्टर) या डायोड हार्मोनिक्स के लिए वापसी पथ के रूप में एक DC ब्लॉकिंग कैपेसिटर होता है। रेक्टिफायर घटकों को प्रिंटेड सर्किट बोर्ड (PCB) इंटरडिजिटेटेड कैपेसिटर से बदला जा सकता है, जिन्हें वाणिज्यिक इलेक्ट्रॉनिक डिज़ाइन ऑटोमेशन टूल्स का उपयोग करके संश्लेषित किया जाता है। अन्य रिपोर्ट किए गए ब्रॉडबैंड रेक्टेना मिलान नेटवर्क निम्न आवृत्तियों के मिलान के लिए संकुलित तत्वों और इनपुट पर एक RF शॉर्ट बनाने के लिए वितरित तत्वों को जोड़ते हैं।
स्रोत के माध्यम से लोड द्वारा देखे गए इनपुट प्रतिबाधा को परिवर्तित करने (जिसे स्रोत-पुल तकनीक के रूप में जाना जाता है) का उपयोग एक ब्रॉडबैंड रेक्टिफायर को डिज़ाइन करने के लिए किया गया है, जिसकी सापेक्ष बैंडविड्थ 57% (1.25-2.25 गीगाहर्ट्ज़) और संकुलित या वितरित सर्किट की तुलना में 10% अधिक पीसीई है। हालाँकि मिलान नेटवर्क आमतौर पर पूरे 50Ω बैंडविड्थ पर एंटेना के मिलान के लिए डिज़ाइन किए जाते हैं, साहित्य में ऐसी रिपोर्टें हैं जहाँ ब्रॉडबैंड एंटेना को नैरोबैंड रेक्टिफायर से जोड़ा गया है।
टोपोलॉजी C और D में हाइब्रिड लम्प्ड-एलिमेंट और वितरित-एलिमेंट मिलान नेटवर्क का व्यापक रूप से उपयोग किया गया है, जहाँ श्रेणी प्रेरक और संधारित्र सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले लम्प्ड तत्व 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 अरैखिकता के कारण, रेक्टिफायर को दी जाने वाली इनपुट शक्ति, इनपुट प्रतिबाधा को प्रभावित करती है। इसलिए, रेक्टेना को एक विशिष्ट इनपुट शक्ति स्तर और लोड प्रतिबाधा के लिए PCE को अधिकतम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। चूँकि डायोड मुख्यतः 3 GHz से कम आवृत्तियों पर उच्च धारिता प्रतिबाधा वाले होते हैं, इसलिए ब्रॉडबैंड रेक्टेना, जो मिलान नेटवर्क को समाप्त करते हैं या सरलीकृत मिलान परिपथों को न्यूनतम करते हैं, Prf>0 dBm और 1 GHz से अधिक आवृत्तियों पर केंद्रित होते हैं, क्योंकि डायोड की धारिता प्रतिबाधा कम होती है और इन्हें एंटीना से अच्छी तरह से मिलान किया जा सकता है, इस प्रकार 1,000Ω से अधिक इनपुट प्रतिबाधा वाले एंटीना के डिज़ाइन से बचा जा सकता है।
CMOS रेक्टेना में अनुकूली या पुनर्विन्यास योग्य प्रतिबाधा मिलान देखा गया है, जहाँ मिलान नेटवर्क में ऑन-चिप कैपेसिटर बैंक और प्रेरक 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 उन स्विचों को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है जो उपलब्ध शक्ति के आधार पर एंटेना के आउटपुट को विभिन्न रेक्टिफायर्स और मिलान नेटवर्कों की ओर निर्देशित करते हैं। लम्प्ड ट्यूनेबल कैपेसिटर का उपयोग करते हुए एक पुनर्विन्यास योग्य 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। पुनर्विन्यास योग्य माइक्रोस्ट्रिप मिलान नेटवर्कों में, दोहरे बैंड विशेषताओं को प्राप्त करने के लिए मिलान स्टब्स को समायोजित करने हेतु फ़ील्ड इफ़ेक्ट ट्रांजिस्टर स्विच का उपयोग किया गया है।
एंटेना के बारे में अधिक जानने के लिए कृपया देखें:
पोस्ट करने का समय: अगस्त-09-2024
