एंटीना-रेक्टिफायर सह-डिज़ाइन
चित्र 2 में दर्शाई गई EG टोपोलॉजी के अनुरूप रेक्टेना की विशेषता यह है कि इसमें एंटीना सीधे रेक्टिफायर से मेल खाता है, न कि 50Ω मानक से, जिसमें रेक्टिफायर को शक्ति प्रदान करने वाले मैचिंग सर्किट को कम करना या समाप्त करना आवश्यक होता है। यह खंड 50Ω से कम एंटीना वाले SoA रेक्टेना और बिना मैचिंग नेटवर्क वाले रेक्टेना के लाभों की समीक्षा करता है।
1. विद्युत रूप से छोटे एंटेना
एलसी अनुनादी रिंग एंटेना का व्यापक रूप से उन अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है जहां सिस्टम का आकार महत्वपूर्ण होता है। 1 GHz से कम आवृत्तियों पर, तरंगदैर्ध्य के कारण मानक वितरित तत्व एंटेना सिस्टम के समग्र आकार से अधिक स्थान घेर सकते हैं, और शरीर में प्रत्यारोपण के लिए पूर्णतः एकीकृत ट्रांससीवर जैसे अनुप्रयोगों को डब्ल्यूपीटी के लिए विद्युत रूप से छोटे एंटेना के उपयोग से विशेष रूप से लाभ होता है।
छोटे एंटीना की उच्च प्रेरक प्रतिबाधा (अनुनाद के निकट) का उपयोग रेक्टिफायर को सीधे युग्मित करने या अतिरिक्त ऑन-चिप कैपेसिटिव मैचिंग नेटवर्क के साथ किया जा सकता है। विद्युत रूप से छोटे एंटीना को 1 GHz से नीचे LP और CP के साथ WPT में ह्यूजेन्स द्विध्रुव एंटीना का उपयोग करके रिपोर्ट किया गया है, जिसमें ka=0.645 है, जबकि सामान्य द्विध्रुवों में ka=5.91 होता है (ka=2πr/λ0)।
2. रेक्टिफायर संयुग्मी एंटीना
डायोड का सामान्य इनपुट प्रतिबाधा अत्यधिक संधारित्रात्मक होता है, इसलिए संयुग्मी प्रतिबाधा प्राप्त करने के लिए एक प्रेरक प्रतिबाधा की आवश्यकता होती है। चिप की संधारित्रात्मक प्रतिबाधा के कारण, उच्च प्रतिबाधा वाले प्रेरक प्रतिबाधाओं का उपयोग RFID टैग में व्यापक रूप से किया जाता है। द्विध्रुवीय प्रतिबाधा वाले RFID प्रतिबाधाओं में हाल ही में द्विध्रुवीय प्रतिबाधा एक चलन बन गई है, जो अपनी अनुनाद आवृत्ति के निकट उच्च प्रतिबाधा (प्रतिरोध और प्रतिघात) प्रदर्शित करती है।
इंडक्टिव डाइपोल एंटेना का उपयोग वांछित आवृत्ति बैंड में रेक्टिफायर की उच्च धारिता से मेल खाने के लिए किया गया है। फोल्डेड डाइपोल एंटेना में, डबल शॉर्ट लाइन (डाइपोल फोल्डिंग) एक प्रतिबाधा ट्रांसफार्मर के रूप में कार्य करती है, जिससे अत्यंत उच्च प्रतिबाधा वाला एंटेना डिजाइन करना संभव हो जाता है। वैकल्पिक रूप से, बायस फीडिंग वास्तविक प्रतिबाधा के साथ-साथ इंडक्टिव रिएक्टेंस को बढ़ाने के लिए जिम्मेदार होती है। असंतुलित बो-टाई रेडियल स्टब्स के साथ कई बायस्ड डाइपोल तत्वों को मिलाकर एक ड्यूल ब्रॉडबैंड उच्च प्रतिबाधा वाला एंटेना बनता है। चित्र 4 में कुछ रिपोर्ट किए गए रेक्टिफायर कंजुगेट एंटेना दिखाए गए हैं।
चित्र 4
RFEH और WPT में विकिरण विशेषताएँ
फ्रिस मॉडल में, ट्रांसमीटर से d दूरी पर स्थित एक एंटीना द्वारा प्राप्त शक्ति PRX, रिसीवर और ट्रांसमीटर लाभ (GRX, GTX) का एक सीधा फलन है।
एंटेना के मुख्य लोब की दिशात्मकता और ध्रुवीकरण आपतित तरंग से प्राप्त शक्ति की मात्रा को सीधे प्रभावित करते हैं। एंटेना विकिरण विशेषताएँ वे प्रमुख पैरामीटर हैं जो परिवेशी RFEH और WPT के बीच अंतर करते हैं (चित्र 5)। यद्यपि दोनों अनुप्रयोगों में प्रसार माध्यम अज्ञात हो सकता है और प्राप्त तरंग पर इसके प्रभाव पर विचार करना आवश्यक है, फिर भी संचारित एंटेना के ज्ञान का लाभ उठाया जा सकता है। तालिका 3 इस खंड में चर्चा किए गए प्रमुख पैरामीटरों और RFEH और WPT में उनकी प्रयोज्यता को दर्शाती है।
चित्र 5
1. दिशात्मकता 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 सीधी 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 कई एंटीना डिज़ाइन और प्लेसमेंट की जांच की गई है।
सर्वदिशात्मक एंटेना का उपयोग पर्यावरणीय RFEH रेक्टेना में व्यापक रूप से किया जाता है। साहित्य में, PSD एंटेना के अभिविन्यास के आधार पर बदलता रहता है। हालांकि, शक्ति में इस भिन्नता की व्याख्या नहीं की गई है, इसलिए यह निर्धारित करना संभव नहीं है कि यह भिन्नता एंटेना के विकिरण पैटर्न के कारण है या ध्रुवीकरण बेमेल के कारण।
RFEH अनुप्रयोगों के अलावा, कम RF पावर घनत्व की संग्रहण दक्षता में सुधार करने या प्रसार हानियों को दूर करने के लिए माइक्रोवेव WPT में उच्च-लाभ वाले दिशात्मक एंटेना और सरणियों का व्यापक रूप से उपयोग किया गया है। यागी-उडा रेक्टेना सरणियाँ, बो टाई सरणियाँ, सर्पिल सरणियाँ, कसकर युग्मित विवल्डी सरणियाँ, CPW CP सरणियाँ और पैच सरणियाँ कुछ ऐसे स्केलेबल रेक्टेना कार्यान्वयन हैं जो एक निश्चित क्षेत्र के अंतर्गत आपतित पावर घनत्व को अधिकतम कर सकते हैं। एंटेना लाभ में सुधार के अन्य तरीकों में माइक्रोवेव और मिलीमीटर तरंग बैंड में सब्सट्रेट इंटीग्रेटेड वेवगाइड (SIW) तकनीक शामिल है, जो विशेष रूप से WPT के लिए है। हालांकि, उच्च-लाभ वाले रेक्टेना संकीर्ण बीमविड्थ द्वारा विशेषता रखते हैं, जिससे किसी भी दिशा में तरंगों का रिसेप्शन अप्रभावी हो जाता है। एंटेना तत्वों और पोर्टों की संख्या की जांच से यह निष्कर्ष निकला कि तीन-आयामी मनमानी आपतन को मानते हुए परिवेशी RFEH में उच्च दिशात्मकता उच्च संचित शक्ति के अनुरूप नहीं है; शहरी वातावरण में क्षेत्र माप द्वारा इसकी पुष्टि की गई। उच्च-लाभ वाली सरणियाँ WPT अनुप्रयोगों तक सीमित हो सकती हैं।
उच्च-लाभ वाले एंटेना के लाभों को किसी भी प्रकार के आरएफ़ईएच (रिमोट-फ्रीक्वेंसी एन्ट्राइस) तक पहुंचाने के लिए, दिशात्मकता की समस्या को दूर करने हेतु पैकेजिंग या लेआउट समाधानों का उपयोग किया जाता है। दो दिशाओं में परिवेशी वाई-फाई आरएफ़ईएच से ऊर्जा प्राप्त करने के लिए एक ड्यूल-पैच एंटेना रिस्टबैंड प्रस्तावित किया गया है। परिवेशी सेलुलर आरएफ़ईएच एंटेना को 3डी बॉक्स के रूप में भी डिज़ाइन किया गया है और सिस्टम क्षेत्र को कम करने और बहु-दिशात्मक ऊर्जा संचयन को सक्षम करने के लिए बाहरी सतहों पर मुद्रित या चिपकाया गया है। घनाकार रेक्टेना संरचनाएं परिवेशी आरएफ़ईएच में ऊर्जा ग्रहण करने की उच्च संभावना प्रदर्शित करती हैं।
2.4 GHz, 4 × 1 एरे पर WPT को बेहतर बनाने के लिए, सहायक पैरासिटिक पैच तत्वों सहित बीमविड्थ बढ़ाने हेतु एंटीना डिज़ाइन में सुधार किए गए। एकाधिक बीम क्षेत्रों वाला 6 GHz मेश एंटीना भी प्रस्तावित किया गया, जो प्रति पोर्ट कई बीम प्रदर्शित करता है। बहु-दिशात्मक और बहु-ध्रुवीकृत RFEH के लिए सर्वदिशात्मक विकिरण पैटर्न वाले मल्टी-पोर्ट, मल्टी-रेक्टिफायर सरफेस रेक्टेना और ऊर्जा संचयन एंटीना प्रस्तावित किए गए हैं। उच्च-लाभ, बहु-दिशात्मक ऊर्जा संचयन के लिए बीमफॉर्मिंग मैट्रिक्स वाले मल्टी-रेक्टिफायर और मल्टी-पोर्ट एंटीना एरे भी प्रस्तावित किए गए हैं।
संक्षेप में, कम आरएफ घनत्व से प्राप्त होने वाली शक्ति को बेहतर बनाने के लिए उच्च-लाभ वाले एंटेना को प्राथमिकता दी जाती है, लेकिन जहां ट्रांसमीटर की दिशा अज्ञात हो (जैसे कि परिवेशी आरएफईएच या अज्ञात प्रसार चैनलों के माध्यम से डब्ल्यूपीटी), वहां अत्यधिक दिशात्मक रिसीवर आदर्श नहीं हो सकते हैं। 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 के संचरण की दिशा के सापेक्ष विद्युत क्षेत्र सदिश की गति का वर्णन करता है। ध्रुवीकरण बेमेल होने पर, मुख्य लोब दिशाओं के संरेखित होने पर भी, एंटीना के बीच संचरण/प्राप्ति कम हो सकती है। उदाहरण के लिए, यदि संचरण के लिए एक ऊर्ध्वाधर एलपी एंटीना और प्राप्ति के लिए एक क्षैतिज एलपी एंटीना 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 उपलब्ध विधियों 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 स्टेशन और मोबाइल फोन के बीच रैखिक ध्रुवीकरण संरेखण प्राप्त करना मुश्किल होता है, इसलिए ध्रुवीकरण बेमेल हानियों से बचने के लिए बेस स्टेशन एंटेना को दोहरे ध्रुवीकृत या बहु-ध्रुवीकृत डिज़ाइन किया जाता है। हालांकि, मल्टीपाथ प्रभावों के कारण एलपी तरंगों के ध्रुवीकरण में होने वाला परिवर्तन एक अनसुलझी समस्या बनी हुई है। बहु-ध्रुवीकृत मोबाइल बेस स्टेशनों की धारणा के आधार पर, सेलुलर आरएफईएच एंटेना को एलपी एंटेना के रूप में डिज़ाइन किया गया है।
सीपी रेक्टेना मुख्य रूप से डब्ल्यूपीटी में उपयोग किए जाते हैं क्योंकि वे बेमेल के प्रति अपेक्षाकृत अधिक प्रतिरोधी होते हैं। सीपी एंटेना सभी एलपी तरंगों के अलावा समान घूर्णन दिशा (बाएं हाथ या दाएं हाथ सीपी) वाले सीपी विकिरण को बिना किसी शक्ति हानि के प्राप्त करने में सक्षम होते हैं। किसी भी स्थिति में, सीपी एंटेना संचारित करता है और एलपी एंटेना 3 dB हानि (50% शक्ति हानि) के साथ प्राप्त करता है। सीपी रेक्टेना 900 मेगाहर्ट्ज, 2.4 GHz और 5.8 GHz 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 का एक संभावित समाधान प्रस्तुत 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 सीपी और एलपी दोनों तरंगों का संग्रह संभव हो पाता है, जहां दो दोहरे ध्रुवीकृत ऑर्थोगोनल एलपी तत्व प्रभावी रूप से सभी एलपी और सीपी तरंगों को प्राप्त करते हैं। इसे स्पष्ट करने के लिए, ध्रुवीकरण कोण के बावजूद ऊर्ध्वाधर और क्षैतिज शुद्ध वोल्टेज (VV और VH) स्थिर रहते हैं:
सीपी विद्युत चुम्बकीय तरंग "ई" विद्युत क्षेत्र, जहां शक्ति दो बार (प्रति इकाई एक बार) एकत्रित की जाती है, जिससे सीपी घटक पूरी तरह से प्राप्त होता है और 3 डीबी ध्रुवीकरण बेमेल हानि पर काबू पाया जाता है:
अंततः, डीसी संयोजन के माध्यम से, किसी भी ध्रुवीकरण की आपतित तरंगों को प्राप्त किया जा सकता है। चित्र 7 में वर्णित 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 एंटेना 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; RF या DC पर पूर्णतः ध्रुवीकृत शक्ति को संयोजित करने के लिए बहु-पोर्ट/बहु-रेक्टिफायर आर्किटेक्चर की आवश्यकता होती है।
सारांश
यह शोधपत्र आरएफईएच और डब्ल्यूपीटी के लिए एंटेना डिजाइन में हुई हालिया प्रगति की समीक्षा करता है और आरएफईएच और डब्ल्यूपीटी के लिए एंटेना डिजाइन का एक मानक वर्गीकरण प्रस्तावित करता है, जो पूर्व साहित्य में प्रस्तावित नहीं किया गया है। उच्च आरएफ-से-डीसी दक्षता प्राप्त करने के लिए तीन मूलभूत एंटेना आवश्यकताओं की पहचान की गई है:
1. आरएफईएच और डब्ल्यूपीटी बैंड के लिए एंटीना रेक्टिफायर प्रतिबाधा बैंडविड्थ;
2. समर्पित फ़ीड से WPT में ट्रांसमीटर और रिसीवर के बीच मुख्य लोब संरेखण;
3. कोण और स्थिति की परवाह किए बिना रेक्टेना और आपतित तरंग के बीच ध्रुवीकरण मिलान।
प्रतिबाधा के आधार पर, रेक्टेना को 50Ω और रेक्टिफायर संयुग्मी रेक्टेना में वर्गीकृत किया जाता है, जिसमें विभिन्न बैंड और भार 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 परिप्रेक्ष्य से की गई है। संकीर्ण बीमविड्थ की समस्या को दूर करने के लिए बीमफॉर्मिंग और पैकेजिंग द्वारा लाभ में सुधार करने 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 रिसेप्शन प्राप्त करने के विभिन्न कार्यान्वयनों पर भी चर्चा की गई है।
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पोस्ट करने का समय: 16 अगस्त 2024
