एंटीना-रेक्टिफायर सह-डिजाइन
चित्र 2 में EG टोपोलॉजी का पालन करने वाले रेक्टेना की विशेषता यह है कि एंटीना सीधे रेक्टिफायर से मेल खाता है, न कि 50Ω मानक से, जिसके लिए रेक्टिफायर को शक्ति प्रदान करने हेतु मैचिंग सर्किट को न्यूनतम या समाप्त करना आवश्यक होता है। यह खंड गैर-50Ω एंटेना वाले SoA रेक्टेना और बिना मैचिंग नेटवर्क वाले रेक्टेना के लाभों की समीक्षा करता है।
1. विद्युतीय रूप से छोटे एंटेना
एलसी अनुनाद रिंग एंटेना का व्यापक रूप से उन अनुप्रयोगों में उपयोग किया गया है जहाँ सिस्टम का आकार महत्वपूर्ण होता है। 1 गीगाहर्ट्ज़ से कम आवृत्तियों पर, तरंगदैर्घ्य के कारण मानक वितरित तत्व एंटेना सिस्टम के समग्र आकार से अधिक स्थान घेर सकते हैं, और शरीर प्रत्यारोपण के लिए पूर्णतः एकीकृत ट्रांसीवर जैसे अनुप्रयोगों में WPT के लिए विद्युत रूप से छोटे एंटेना के उपयोग से विशेष रूप से लाभ होता है।
छोटे एंटीना (अनुनाद के निकट) की उच्च प्रेरणिक प्रतिबाधा का उपयोग रेक्टिफायर को सीधे युग्मित करने या एक अतिरिक्त ऑन-चिप कैपेसिटिव मैचिंग नेटवर्क के साथ करने के लिए किया जा सकता है। 1 गीगाहर्ट्ज़ से कम एलपी और सीपी के साथ डब्ल्यूपीटी में हाइजेंस द्विध्रुवीय एंटेना का उपयोग करते हुए विद्युत रूप से छोटे एंटेना की सूचना मिली है, जिनमें ka=0.645 है, जबकि सामान्य द्विध्रुवों में ka=5.91 (ka=2πr/λ0)।
2. रेक्टिफायर संयुग्मी एंटीना
डायोड का विशिष्ट इनपुट प्रतिबाधा अत्यधिक धारिता वाला होता है, इसलिए संयुग्मी प्रतिबाधा प्राप्त करने के लिए एक प्रेरणिक एंटीना की आवश्यकता होती है। चिप की धारिता प्रतिबाधा के कारण, RFID टैग में उच्च प्रतिबाधा वाले प्रेरणिक एंटीना का व्यापक रूप से उपयोग किया गया है। द्विध्रुवीय एंटीना हाल ही में जटिल प्रतिबाधा वाले RFID एंटीना में एक चलन बन गए हैं, जो अपनी अनुनाद आवृत्ति के निकट उच्च प्रतिबाधा (प्रतिरोध और प्रतिघात) प्रदर्शित करते हैं।
वांछित आवृत्ति बैंड में दिष्टकारी की उच्च धारिता से मेल खाने के लिए प्रेरणिक द्विध्रुवीय एंटेना का उपयोग किया गया है। एक फ़ोल्डेड द्विध्रुवीय एंटेना में, दोहरी लघु रेखा (द्विध्रुवीय फ़ोल्डिंग) एक प्रतिबाधा ट्रांसफार्मर के रूप में कार्य करती है, जिससे एक अत्यंत उच्च प्रतिबाधा एंटेना का डिज़ाइन संभव होता है। वैकल्पिक रूप से, बायस फीडिंग, प्रेरणिक प्रतिघात के साथ-साथ वास्तविक प्रतिबाधा को बढ़ाने के लिए उत्तरदायी है। असंतुलित बो-टाई रेडियल स्टब्स के साथ अनेक अभिनत द्विध्रुवीय तत्वों के संयोजन से एक द्वि-बैंड उच्च प्रतिबाधा एंटेना बनता है। चित्र 4 कुछ ज्ञात दिष्टकारी संयुग्मी एंटेना दर्शाता है।
चित्र 4
आरएफईएच और डब्ल्यूपीटी में विकिरण विशेषताएँ
फ्रिस मॉडल में, ट्रांसमीटर से d दूरी पर स्थित एंटीना द्वारा प्राप्त शक्ति PRX, रिसीवर और ट्रांसमीटर लाभ (GRX, GTX) का प्रत्यक्ष कार्य है।
एंटीना की मुख्य लोब दिशात्मकता और ध्रुवीकरण, आपतित तरंग से एकत्रित शक्ति की मात्रा को सीधे प्रभावित करते हैं। एंटीना विकिरण विशेषताएँ प्रमुख पैरामीटर हैं जो परिवेशी RFEH और WPT (चित्र 5) के बीच अंतर करती हैं। हालाँकि दोनों अनुप्रयोगों में प्रसार माध्यम अज्ञात हो सकता है और प्राप्त तरंग पर उसके प्रभाव पर विचार करने की आवश्यकता होती है, फिर भी प्रेषक एंटीना के ज्ञान का उपयोग किया जा सकता है। तालिका 3 इस खंड में चर्चा किए गए प्रमुख पैरामीटरों और RFEH तथा WPT पर उनकी प्रयोज्यता को दर्शाती है।
चित्र 5
1. दिशिकता और लाभ
अधिकांश RFEH और WPT अनुप्रयोगों में, यह माना जाता है कि संग्राहक को आपतित विकिरण की दिशा का पता नहीं होता है और कोई दृष्टि-रेखा (LoS) पथ नहीं होता है। इस कार्य में, ट्रांसमीटर और रिसीवर के बीच मुख्य लोब संरेखण से स्वतंत्र, अज्ञात स्रोत से प्राप्त शक्ति को अधिकतम करने के लिए बहु-एंटेना डिज़ाइन और प्लेसमेंट की जाँच की गई है।
सर्वदिशात्मक एंटेना का व्यापक रूप से पर्यावरणीय RFEH रेक्टेना में उपयोग किया गया है। साहित्य में, PSD एंटेना के अभिविन्यास के आधार पर बदलता रहता है। हालाँकि, शक्ति में परिवर्तन की व्याख्या नहीं की गई है, इसलिए यह निर्धारित करना संभव नहीं है कि यह परिवर्तन एंटेना के विकिरण पैटर्न के कारण है या ध्रुवीकरण बेमेल के कारण।
RFEH अनुप्रयोगों के अतिरिक्त, उच्च-लाभ दिशात्मक एंटेना और सरणियाँ माइक्रोवेव WPT के लिए व्यापक रूप से रिपोर्ट की गई हैं ताकि कम RF शक्ति घनत्व की संग्रहण दक्षता में सुधार हो या प्रसार हानियों पर काबू पाया जा सके। यागी-उदा रेक्टेना सरणियाँ, बो-टाई सरणियाँ, सर्पिल सरणियाँ, कसकर युग्मित विवाल्डी सरणियाँ, CPW CP सरणियाँ, और पैच सरणियाँ उन स्केलेबल रेक्टेना कार्यान्वयनों में से हैं जो एक निश्चित क्षेत्र में आपतित शक्ति घनत्व को अधिकतम कर सकते हैं। एंटेना लाभ में सुधार के अन्य तरीकों में WPT के लिए विशिष्ट माइक्रोवेव और मिलीमीटर तरंग बैंड में सब्सट्रेट एकीकृत वेवगाइड (SIW) तकनीक शामिल है। हालाँकि, उच्च-लाभ रेक्टेना की विशेषता संकीर्ण बीम-चौड़ाई होती है, जिससे मनमाने दिशाओं में तरंगों का ग्रहण अक्षम हो जाता है। एंटेना तत्वों और पोर्टों की संख्या के अध्ययन से यह निष्कर्ष निकला कि त्रि-आयामी मनमाने आपतन को मानते हुए, परिवेशी RFEH में उच्च दिशिकता उच्च एकत्रित शक्ति के अनुरूप नहीं होती है; शहरी वातावरण में क्षेत्र मापों द्वारा इसकी पुष्टि की गई। उच्च-लाभ सरणियों को WPT अनुप्रयोगों तक सीमित किया जा सकता है।
उच्च-लाभ वाले एंटेना के लाभों को मनमाने RFEHs तक पहुँचाने के लिए, पैकेजिंग या लेआउट समाधानों का उपयोग दिशात्मकता की समस्या को दूर करने के लिए किया जाता है। परिवेशी वाई-फ़ाई RFEHs से दो दिशाओं में ऊर्जा प्राप्त करने के लिए एक दोहरे पैच वाला एंटेना रिस्टबैंड प्रस्तावित है। परिवेशी सेलुलर RFEH एंटेना को 3D बॉक्स के रूप में भी डिज़ाइन किया गया है और सिस्टम क्षेत्र को कम करने और बहु-दिशात्मक संग्रहण को सक्षम करने के लिए बाहरी सतहों पर मुद्रित या चिपकाया जाता है। घन रेक्टेना संरचनाएँ परिवेशी RFEHs में ऊर्जा ग्रहण की उच्च संभावना प्रदर्शित करती हैं।
2.4 GHz, 4 × 1 ऐरे पर WPT में सुधार के लिए, बीम-चौड़ाई बढ़ाने हेतु, सहायक परजीवी पैच तत्वों सहित, एंटीना डिज़ाइन में सुधार किए गए। एकाधिक बीम क्षेत्रों वाला 6 GHz मेश एंटीना भी प्रस्तावित किया गया, जो प्रति पोर्ट एकाधिक बीम प्रदर्शित करता है। बहु-दिशात्मक और बहु-ध्रुवीकृत RFEH के लिए, सर्वदिशात्मक विकिरण पैटर्न वाले बहु-पोर्ट, बहु-रेक्टिफायर सतह रेक्टेना और ऊर्जा संचयन एंटीना प्रस्तावित किए गए हैं। उच्च-लाभ, बहु-दिशात्मक ऊर्जा संचयन के लिए, बीमफॉर्मिंग मैट्रिसेस और बहु-पोर्ट एंटीना ऐरे वाले बहु-रेक्टिफायर भी प्रस्तावित किए गए हैं।
संक्षेप में, जहाँ कम आरएफ घनत्वों से प्राप्त शक्ति में सुधार के लिए उच्च-लाभ वाले एंटेना को प्राथमिकता दी जाती है, वहीं उच्च दिशात्मक रिसीवर उन अनुप्रयोगों में आदर्श नहीं हो सकते जहाँ ट्रांसमीटर की दिशा अज्ञात हो (जैसे, अज्ञात प्रसार चैनलों के माध्यम से परिवेशी आरएफईएच या डब्ल्यूपीटी)। इस कार्य में, बहु-दिशात्मक उच्च-लाभ वाले डब्ल्यूपीटी और आरएफईएच के लिए कई बहु-बीम दृष्टिकोण प्रस्तावित किए गए हैं।
2. एंटीना ध्रुवीकरण
एंटीना ध्रुवीकरण, एंटीना प्रसार दिशा के सापेक्ष विद्युत क्षेत्र सदिश की गति को दर्शाता है। ध्रुवीकरण बेमेल होने पर, मुख्य लोब दिशाएँ संरेखित होने पर भी, एंटेना के बीच संचरण/ग्रहण कम हो सकता है। उदाहरण के लिए, यदि संचरण के लिए एक ऊर्ध्वाधर LP एंटेना और ग्रहण के लिए एक क्षैतिज LP एंटेना का उपयोग किया जाता है, तो कोई शक्ति प्राप्त नहीं होगी। इस खंड में, वायरलेस रिसेप्शन दक्षता को अधिकतम करने और ध्रुवीकरण बेमेल हानियों से बचने के लिए बताए गए तरीकों की समीक्षा की गई है। ध्रुवीकरण के संबंध में प्रस्तावित रेक्टेना आर्किटेक्चर का सारांश चित्र 6 में दिया गया है और एक उदाहरण SoA तालिका 4 में दिया गया है।
चित्र 6
सेलुलर संचार में, बेस स्टेशनों और मोबाइल फ़ोनों के बीच रैखिक ध्रुवीकरण संरेखण प्राप्त करना असंभव है, इसलिए ध्रुवीकरण बेमेल क्षति से बचने के लिए बेस स्टेशन एंटेना को द्वि-ध्रुवीकृत या बहु-ध्रुवीकृत डिज़ाइन किया जाता है। हालाँकि, बहुपथ प्रभावों के कारण LP तरंगों के ध्रुवीकरण में परिवर्तन एक अनसुलझी समस्या बनी हुई है। बहु-ध्रुवीकृत मोबाइल बेस स्टेशनों की धारणा के आधार पर, सेलुलर RFEH एंटेना को LP एंटेना के रूप में डिज़ाइन किया गया है।
सीपी रेक्टेना मुख्यतः WPT में उपयोग किए जाते हैं क्योंकि वे बेमेल के प्रति अपेक्षाकृत प्रतिरोधी होते हैं। सीपी एंटेना सभी एलपी तरंगों के अलावा समान घूर्णन दिशा (बाएँ या दाएँ सीपी) के साथ सीपी विकिरण को बिना किसी शक्ति हानि के ग्रहण करने में सक्षम होते हैं। किसी भी स्थिति में, सीपी एंटेना 3 डीबी हानि (50% शक्ति हानि) के साथ संचारित करता है और एलपी एंटेना ग्रहण करता है। सीपी रेक्टेना 900 मेगाहर्ट्ज, 2.4 गीगाहर्ट्ज और 5.8 गीगाहर्ट्ज औद्योगिक, वैज्ञानिक और चिकित्सा बैंड के साथ-साथ मिलीमीटर तरंगों के लिए भी उपयुक्त बताए गए हैं। मनमाने ढंग से ध्रुवीकृत तरंगों के आरएफईएच में, ध्रुवीकरण विविधता ध्रुवीकरण बेमेल हानियों के एक संभावित समाधान का प्रतिनिधित्व करती है।
पूर्ण ध्रुवीकरण, जिसे बहु-ध्रुवीकरण भी कहा जाता है, ध्रुवीकरण बेमेल हानियों को पूरी तरह से दूर करने के लिए प्रस्तावित किया गया है, जिससे CP और LP दोनों तरंगों का संग्रहण संभव हो जाता है, जहाँ दो द्वि-ध्रुवीकृत ऑर्थोगोनल LP अवयव प्रभावी रूप से सभी LP और CP तरंगों को ग्रहण करते हैं। इसे स्पष्ट करने के लिए, ऊर्ध्वाधर और क्षैतिज शुद्ध वोल्टेज (VV और VH) ध्रुवीकरण कोण की परवाह किए बिना स्थिर रहते हैं:
सीपी विद्युत चुम्बकीय तरंग "ई" विद्युत क्षेत्र, जहां शक्ति दो बार (प्रति इकाई एक बार) एकत्र की जाती है, जिससे सीपी घटक पूरी तरह से प्राप्त होता है और 3 डीबी ध्रुवीकरण बेमेल नुकसान पर काबू पाया जाता है:
अंततः, डीसी संयोजन के माध्यम से, मनमाने ध्रुवीकरण की आपतित तरंगें प्राप्त की जा सकती हैं। चित्र 7 में रिपोर्ट किए गए पूर्णतः ध्रुवीकृत रेक्टेना की ज्यामिति दर्शाई गई है।
चित्र 7
संक्षेप में, समर्पित विद्युत आपूर्ति वाले WPT अनुप्रयोगों में, CP को प्राथमिकता दी जाती है क्योंकि यह एंटीना के ध्रुवीकरण कोण की परवाह किए बिना WPT दक्षता में सुधार करता है। दूसरी ओर, बहु-स्रोत अधिग्रहण में, विशेष रूप से परिवेशी स्रोतों से, पूर्णतः ध्रुवीकृत एंटेना बेहतर समग्र रिसेप्शन और अधिकतम सुवाह्यता प्राप्त कर सकते हैं; पूर्णतः ध्रुवीकृत विद्युत को RF या DC पर संयोजित करने के लिए बहु-पोर्ट/बहु-रेक्टिफायर आर्किटेक्चर की आवश्यकता होती है।
सारांश
यह शोधपत्र RFEH और WPT के लिए एंटीना डिज़ाइन में हालिया प्रगति की समीक्षा करता है, और RFEH और WPT के लिए एंटीना डिज़ाइन का एक मानक वर्गीकरण प्रस्तावित करता है जो पिछले साहित्य में प्रस्तावित नहीं किया गया है। उच्च RF-से-DC दक्षता प्राप्त करने के लिए तीन बुनियादी एंटीना आवश्यकताओं की पहचान इस प्रकार की गई है:
1. रुचि के RFEH और WPT बैंड के लिए एंटीना रेक्टिफायर प्रतिबाधा बैंडविड्थ;
2. एक समर्पित फ़ीड से WPT में ट्रांसमीटर और रिसीवर के बीच मुख्य लोब संरेखण;
3. कोण और स्थिति की परवाह किए बिना रेक्टेना और घटना तरंग के बीच ध्रुवीकरण मिलान।
प्रतिबाधा के आधार पर, रेक्टेना को 50Ω और रेक्टिफायर संयुग्मित रेक्टेना में वर्गीकृत किया जाता है, जिसमें विभिन्न बैंडों और भारों के बीच प्रतिबाधा मिलान और प्रत्येक मिलान विधि की दक्षता पर ध्यान केंद्रित किया जाता है।
SoA रेक्टेना की विकिरण विशेषताओं की समीक्षा दिशात्मकता और ध्रुवीकरण के दृष्टिकोण से की गई है। संकीर्ण बीम-चौड़ाई पर काबू पाने के लिए बीमफॉर्मिंग और पैकेजिंग द्वारा लाभ में सुधार के तरीकों पर चर्चा की गई है। अंत में, WPT के लिए CP रेक्टेना की समीक्षा की गई है, साथ ही WPT और RFEH के लिए ध्रुवीकरण-स्वतंत्र अभिग्रहण प्राप्त करने के विभिन्न कार्यान्वयनों की भी समीक्षा की गई है।
एंटेना के बारे में अधिक जानने के लिए कृपया देखें:
पोस्ट करने का समय: 16 अगस्त 2024
