1. تعارف
ريڊيو فريڪوئنسي (RF) انرجي هارويسٽنگ (RFEH) ۽ تابڪاري وائرليس پاور ٽرانسفر (WPT) بيٽري کان پاڪ پائيدار وائرليس نيٽ ورڪ حاصل ڪرڻ جي طريقن جي طور تي وڏي دلچسپي ورتي آهي. ريڪٽينا WPT ۽ RFEH سسٽم جو بنياد آهن ۽ ڊي سي پاور تي هڪ اهم اثر آهي لوڊ تائين پهچايو. ريڪٽينا جي اينٽينا عناصر سڌو سنئون فصل جي ڪارڪردگي تي اثر انداز ڪن ٿا، جيڪي حاصل ڪيل طاقت کي شدت جي ڪيترن ئي حڪمن سان تبديل ڪري سگھن ٿا. هي پيپر WPT ۽ محيطي RFEH ايپليڪيشنن ۾ ملازم اينٽينا ڊيزائن جو جائزو وٺندو آهي. ڄاڻايل ريڪٽينا کي ٻن مکيه معيارن جي مطابق درجه بندي ڪيو ويو آهي: اينٽينا ريڪٽيائينگ امپيڊنس بينڊوڊٿ ۽ اينٽينا جي تابڪاري خاصيتون. هر معيار لاءِ، مختلف ايپليڪيشنن لاءِ ميرٽ جو انگ (FOM) طئي ڪيو ويو آهي ۽ تقابلي طور تي جائزو ورتو وڃي ٿو.
WPT 20 صدي جي شروعات ۾ ٽيسلا پاران تجويز ڪيل طريقي سان هزارين هارس پاور کي منتقل ڪرڻ جو طريقو آهي. ريڪٽينا جو اصطلاح، جيڪو بيان ڪري ٿو هڪ اينٽينا جيڪو آر ايف پاور حاصل ڪرڻ لاءِ ريڪٽيفير سان ڳنڍيل آهي، 1950 جي ڏهاڪي ۾ خلائي مائڪرو ويڪرو پاور ٽرانسميشن ايپليڪيشنن ۽ خودمختيار ڊرونز کي طاقت ڏيڻ لاءِ ظاهر ٿيو. Omnidirectional، ڊگھي رينج WPT پروپيگيشن وچولي (ايئر) جي جسماني ملڪيت جي ڪري محدود آهي. تنهن ڪري، تجارتي WPT خاص طور تي وائرليس ڪنزيومر اليڪٽرانڪس چارجنگ يا RFID لاءِ ويجھي فيلڊ غير شعاع واري طاقت جي منتقلي تائين محدود آهي.
جيئن ته سيمي ڪنڊڪٽر ڊوائيسز ۽ وائرليس سينسر نوڊس جي بجلي جو استعمال گهٽجڻ جاري آهي، اهو وڌيڪ ممڪن ٿيندو آهي پاور سينسر نوڊس کي ايمبيئنٽ RFEH استعمال ڪندي يا ورهايل گهٽ-پاور omnidirectional transmitters استعمال ڪندي. الٽرا-لو-پاور وائرلیس پاور سسٽم عام طور تي هڪ آر ايف حاصل ڪرڻ واري فرنٽ اينڊ، ڊي سي پاور ۽ ميموري مئنيجمينٽ، ۽ گهٽ پاور مائڪرو پروسيسر ۽ ٽرانسيور تي مشتمل آهي.
شڪل 1 آر ايف اي ايڇ وائرليس نوڊ جي فن تعمير کي ڏيکاري ٿو ۽ عام طور تي ٻڌايو ويو آهي آر ايف فرنٽ-اينڊ تي عمل درآمد. وائرليس پاور سسٽم جي آخر کان آخر تائين ڪارڪردگي ۽ هم وقت سازي وائرليس انفارميشن ۽ پاور ٽرانسفر نيٽ ورڪ جو فن تعمير انفرادي اجزاء جي ڪارڪردگي تي منحصر آهي، جهڙوڪ اينٽينن، ريڪٽيفائرز، ۽ پاور مئنيجمينٽ سرڪٽ. سسٽم جي مختلف حصن لاء ڪيترائي ادبي سروي ڪيا ويا آهن. جدول 1 اختصار ڪري ٿو پاور ڪنورشن اسٽيج، اھم اجزاء کي موثر پاور ڪنورشن لاءِ، ۽ لاڳاپيل لٽريچر سروي هر حصي لاءِ. تازو ادب پاور ڪنورشن ٽيڪنالاجي، ريڪٽائيئر ٽوپولاجيز، يا نيٽ ورڪ کان واقف RFEH تي ڌيان ڏئي ٿو.
شڪل 1
بهرحال، اينٽينا ڊيزائن کي آر ايف اي ايڇ ۾ هڪ نازڪ جزو نه سمجهيو ويندو آهي. جيتوڻيڪ ڪجھ ادب اينٽينا بينڊوڊٿ ۽ ڪارڪردگي کي مجموعي نقطه نظر کان يا مخصوص اينٽينا ڊيزائن جي نقطه نظر کان سمجهي ٿو، جهڙوڪ ننڍو يا wearable اينٽينا، طاقت جي استقبال ۽ تبادلي جي ڪارڪردگي تي ڪجهه اينٽينا پيرا ميٽرز جو اثر تفصيل سان تجزيو نه ڪيو ويو آهي.
هي پيپر ريڪٽيناس ۾ اينٽينا ڊيزائن جي ٽيڪنڪ جو جائزو وٺي ٿو RFEH ۽ WPT مخصوص اينٽينا ڊيزائن جي چيلنجز کي معياري ڪميونيڪيشن اينٽينا ڊيزائن مان ڌار ڪرڻ جي مقصد سان. اينٽينن جو مقابلو ٻن نقطن کان ڪيو ويو آهي: آخر کان آخر تائين رڪاوٽ جو ميلاپ ۽ تابڪاري خاصيتون؛ هر صورت ۾، FoM جي سڃاڻپ ڪئي وئي آهي ۽ اسٽيٽ آف دي آرٽ (SoA) اينٽينن ۾ جائزو ورتو ويو آهي.
2. بينڊوڊٿ ۽ ميچنگ: غير 50Ω آر ايف نيٽ ورڪ
50Ω جي خصوصيت جي رڪاوٽ مائڪرو ويڪرو انجنيئرنگ ايپليڪيشنن ۾ attenuation ۽ طاقت جي وچ ۾ سمجھوتي جو هڪ ابتدائي غور آهي. اينٽينن ۾، رڪاوٽ بينڊوڊٿ کي تعدد جي حد جي طور تي بيان ڪيو ويو آهي جتي ظاهر ڪيل طاقت 10٪ کان گهٽ آهي (S11< - 10 dB). جيئن ته گهٽ شور ايمپليفائرز (LNAs)، پاور ايمپليفائرز، ۽ ڊيڪٽرز کي عام طور تي 50Ω ان پٽ امڪاني ميچ سان ٺهيل آهن، هڪ 50Ω ذريعو روايتي طور تي حوالو ڏنو ويو آهي.
ريڪٽينا ۾، اينٽينا جو آئوٽ پٽ سڌو سنئون ريڪٽيفير ۾ ڀريو ويندو آهي، ۽ ڊاءڊ جي غير لڪيريت ان پٽ جي رڪاوٽ ۾ وڏي تبديليءَ جو سبب بڻجندي آهي، جنهن ۾ ڪيپيسيٽو جزو غالب هوندو آهي. هڪ 50Ω اينٽينا فرض ڪندي، بنيادي چئلينج هڪ اضافي آر ايف ميچنگ نيٽ ورڪ کي ڊزائين ڪرڻ آهي ته جيئن ان پٽ جي رڪاوٽ کي دلچسپي جي تعدد تي ريڪٽيفائر جي رڪاوٽ کي تبديل ڪري ۽ ان کي مخصوص پاور ليول لاءِ بهتر بڻائي سگهجي. انهي صورت ۾، موثر آر ايف کي ڊي سي تبادلي کي يقيني بڻائڻ لاءِ آخر کان آخر تائين رڪاوٽ بينڊوڊٿ گهربل آهي. تنهن ڪري، جيتوڻيڪ اينٽيننا نظرياتي طور تي لامحدود يا الٽرا وائڊ بينڊوڊٿ حاصل ڪري سگھن ٿا وقتي عنصرن يا خود مڪمل جاميٽري استعمال ڪندي، ريڪٽينا جي بينڊوڊٿ کي ريڪٽيائير ميچنگ نيٽ ورڪ جي ذريعي رڪاوٽ ڪيو ويندو.
سنگل بينڊ ۽ ملٽي بينڊ هاريسٽنگ يا WPT حاصل ڪرڻ لاءِ ڪيترائي ريڪٽينا ٽوپولاجيون تجويز ڪيون ويون آهن ته جيئن انٽينا ۽ ريڪٽيفير جي وچ ۾ ريفريڪشن کي گھٽ ڪري ۽ وڌ کان وڌ پاور ٽرانسفر ڪري. شڪل 2 ڏيکاري ٿو رپورٽ ڪيل ريڪٽينا ٽوپولوجيز جي ڍانچي کي، انهن جي رڪاوٽ سان ملندڙ آرڪيٽيڪچر جي ترتيب سان. جدول 2 هر درجي لاءِ آخري کان آخر تائين بينڊوڊٿ (هن صورت ۾، FoM) جي حوالي سان اعليٰ ڪارڪردگي واري ريڪٽيناس جا مثال ڏيکاري ٿو.
شڪل 2 ريڪٽينا ٽوپولاجيز بئنڊوڊٿ ۽ مائپيڊنس ميچنگ جي نقطه نظر کان. (a) سنگل بينڊ ريڪٽينا معياري اينٽينا سان. (b) ملٽي بينڊ ريڪٽينا (ڪيترن ئي گڏيل طور تي ملندڙ اينٽينن تي مشتمل) ھڪڙي ريڪٽيفير ۽ ملندڙ نيٽ ورڪ في بينڊ سان. (c) براڊ بينڊ ريڪٽينا ڪيترن ئي آر ايف بندرگاهن سان ۽ هر بينڊ لاءِ الڳ ملندڙ نيٽ ورڪ. (d) براڊ بينڊ ريڪٽينا براڊ بينڊ اينٽينا ۽ براڊ بينڊ ميچنگ نيٽ ورڪ سان. (e) سنگل بينڊ ريڪٽينا استعمال ڪندي برقي طور تي ننڍي اينٽينا سڌو سنئون ريڪٽيفائر سان ملائي. (f) سنگل بينڊ، اليڪٽرڪ طور وڏو اينٽينا جنهن کي ريڪٽيفائر سان گڏ ڪرڻ لاءِ پيچيده رڪاوٽ سان. (g) براڊ بينڊ ريڪٽينا پيچيده رڪاوٽ سان گڏ ريڪٽيفير سان گڏ فريڪوئنسي جي حد تائين.
جڏهن ته وقف فيڊ مان WPT ۽ ايمبيئنٽ RFEH مختلف ريڪٽينا ايپليڪيشنون آهن، اينٽينا، ريڪٽيفائر ۽ لوڊ جي وچ ۾ پڇاڙيءَ کان آخر تائين ميلاپ حاصل ڪرڻ بينڊوڊٿ جي نقطه نظر کان اعليٰ پاور ڪنورشن ڪارڪردگي (PCE) حاصل ڪرڻ لاءِ بنيادي آهي. پر ان جي باوجود، WPT ريڪٽيناس خاص پاور ليولز تي سنگل بينڊ پي سي اي کي بهتر ڪرڻ لاءِ اعليٰ معيار جي فيڪٽر ميچنگ (لوئر S11) حاصل ڪرڻ تي وڌيڪ ڌيان ڏئي ٿو (ٽاپولوجيز a، e ۽ f). سنگل بينڊ WPT جي وسيع بينڊوڊٿ سسٽم جي مدافعتي کي بهتر بڻائي ٿي، ڊيٽوننگ، پيداوار جي خرابين ۽ پيڪنگنگ پاراسائيٽڪس. ٻئي طرف، آر ايف اي ايڇ ريڪٽيناس ملٽي بينڊ آپريشن کي ترجيح ڏين ٿا ۽ ٽوپولاجيز بي ڊي ۽ جي سان تعلق رکن ٿا، ڇاڪاڻ ته هڪ واحد بينڊ جي پاور اسپيڪٽرل ڊينسٽي (PSD) عام طور تي گهٽ آهي.
3. مستطيل اينٽينا ڊيزائن
1. سنگل فريڪوئنسي ريڪٽينا
سنگل فريڪوئنسي ريڪٽينا جي اينٽينا ڊيزائن (ٽپوولوجي اي) بنيادي طور تي معياري اينٽينا ڊيزائن تي ٻڌل آهي، جهڙوڪ لڪير پولرائزيشن (LP) يا سرڪيولر پولرائيزيشن (CP) ريڊيٽنگ پيچ زميني جهاز تي، ڊيپول اينٽينا ۽ انوٽيڊ F اينٽينا. ڊفرنشل بينڊ ريڪٽينا ڪيترن ئي اينٽينا يونٽن سان ترتيب ڏنل ڊي سي ميلاپ جي ترتيب تي ٻڌل آهي يا ڪيترن ئي پيچ يونٽن جي مخلوط ڊي سي ۽ آر ايف جي ميلاپ تي ٻڌل آهي.
جيئن ته ڪيترائي تجويز ڪيل اينٽينا سنگل فريڪوئنسي اينٽينا آهن ۽ سنگل فريڪوئنسي WPT جون گهرجون پوريون ڪن ٿا، جڏهن ماحولياتي ملٽي فريڪوئنسي آر ايف اي ايڇ کي ڳولڻ چاهيو ٿا، ڪيترن ئي سنگل فريڪئنسي اينٽينن کي ملائي بينڊ ريڪٽينا (ٽپوولوجي بي) ۾ ملائي ملٽي ڪپلنگ سپپريشن ۽ پاور مئنيجمينٽ سرڪٽ کان پوء آزاد ڊي سي ميلاپ انهن کي مڪمل طور تي آر ايف کان الڳ ڪرڻ لاء حصول ۽ تبادلي سرڪٽ. ھن کي ھر بئنڊ لاءِ گھڻن پاور مئنيجمينٽ سرڪٽس جي ضرورت آھي، جيڪا شايد بوسٽ ڪنورٽر جي ڪارڪردگي کي گھٽائي سگھي ٿي ڇو ته ھڪڙي بينڊ جي ڊي سي پاور گھٽ آھي.
2. ملٽي بينڊ ۽ براڊ بينڊ آر ايف اي ايڇ اينٽيننا
ماحولياتي آر ايف ايڇ اڪثر ڪري ملٽي بينڊ جي حصول سان لاڳاپيل آهي. تنهن ڪري، معياري اينٽينا ڊيزائن جي بينڊوڊٿ کي بهتر ڪرڻ ۽ ڊبل بينڊ يا بينڊ اينٽينا صفن ٺاهڻ جا طريقا مختلف طريقن جي تجويز ڪئي وئي آهي. هن حصي ۾، اسان RFEHs لاءِ ڪسٽم اينٽينا ڊيزائن جو جائزو وٺون ٿا، انهي سان گڏ کلاسڪ ملٽي بينڊ اينٽينن کي ريڪٽينا طور استعمال ڪرڻ جي صلاحيت سان.
Coplanar waveguide (CPW) monopole antennas هڪ ئي فريڪوئنسي تي microstrip patch antennas جي ڀيٽ ۾ گهٽ ايراضيءَ تي قبضو ڪن ٿا ۽ LP يا CP لهرون پيدا ڪن ٿا، ۽ اڪثر براڊ بينڊ ماحولياتي ريڪٽيناس لاءِ استعمال ٿيندا آهن. عڪاسي جهاز اڪيلائي کي وڌائڻ ۽ فائدي کي بهتر ڪرڻ لاءِ استعمال ڪيا ويندا آهن، جنهن جي نتيجي ۾ تابڪاري جا نمونا پيچ اينٽينن سان ملندڙ جلندڙ هوندا آهن. Slotted coplanar waveguide antennas استعمال ڪيا ويندا آھن impedance bandwidths کي بهتر ڪرڻ لاءِ گھڻن فريڪوئنسي بينڊز، جھڙوڪ 1.8–2.7 GHz يا 1–3 GHz. ملٽي-بينڊ ريڪٽينا ڊيزائن ۾ ملائي-فيڊ سلاٽ اينٽيننا ۽ پيچ اينٽيننا پڻ عام طور تي استعمال ٿيندا آهن. شڪل 3 ڏيکاري ٿو ڪجهه رپورٽ ٿيل ملٽي بينڊ اينٽينا جيڪي استعمال ڪن ٿا هڪ کان وڌيڪ بينڊوڊٿ بهتر ڪرڻ واري ٽيڪنڪ.
شڪل 3
Antenna-Rectifier Impedance Matching
هڪ 50Ω اينٽينا کي نان لائنر ريڪٽيفير سان ملائڻ مشڪل آهي ڇاڪاڻ ته ان جي ان پٽ جي رڪاوٽ تعدد سان تمام گهڻو مختلف آهي. ٽوپولوجيز A ۽ B ۾ (شڪل 2)، عام ملاپ وارو نيٽ ورڪ هڪ LC ميچ آهي جنهن ۾ lumped عناصر استعمال ڪندي؛ جڏهن ته، لاڳاپو بينڊوڊٿ عام طور تي اڪثر ڪميونيڪيشن بينڊ کان گهٽ هوندي آهي. سنگل بينڊ اسٽب ملاپ عام طور تي 6 GHz کان هيٺ مائيڪرو ويو ۽ مليميٽر-ويو بينڊز ۾ استعمال ڪيو ويندو آهي، ۽ ٻڌايو ويو آهي ته مليميٽر-ويو ريڪٽينا ۾ موروثي طور تي تنگ بينڊوڊٿ هوندي آهي ڇاڪاڻ ته انهن جي پي سي اي بينڊوڊٿ کي آئوٽ پُٽ هارمونڪ دٻائڻ ۾ رڪاوٽ هوندي آهي، جيڪا انهن کي خاص طور تي سنگل لاءِ موزون بڻائي ٿي. بينڊ WPT ايپليڪيشنون 24 GHz غير لائسنس ٿيل بينڊ ۾.
ٽوپولوجيز C ۽ D ۾ ريٽنا وڌيڪ پيچيده ملندڙ نيٽ ورڪ آهن. براڊ بينڊ ميچنگ لاءِ مڪمل طور تي ورهايل لائن ملاپ جا نيٽ ورڪ تجويز ڪيا ويا آهن، جن ۾ آر ايف بلاڪ/ڊي سي شارٽ سرڪٽ (پاس فلٽر) سان گڏ آئوٽ پٽ پورٽ تي يا ڊي سي بلاڪنگ ڪيپيسيٽر کي ڊيوڊ هارمونڪس جي واپسي واري رستي جي طور تي. ريڪٽائيئر اجزاء کي پرنٽ ٿيل سرڪٽ بورڊ (PCB) انٽر ڊيجيٽ ٿيل ڪيپيسٽرز سان تبديل ڪري سگھجي ٿو، جيڪي ڪمرشل اليڪٽرڪ ڊيزائن آٽوميشن ٽولز استعمال ڪندي ٺھيل آھن. ٻيا رپورٽ ٿيل براڊ بينڊ ريڪٽينا ميچنگ نيٽ ورڪ لمپ ٿيل عنصرن کي گڏ ڪن ٿا ملاپ لاءِ هيٺين فريڪوئنسيز ۽ ورهايل عنصرن کي ان پٽ تي آر ايف شارٽ ٺاهڻ لاءِ.
ان پٽ جي رڪاوٽ کي مختلف ڪرڻ سان لوڊ ذريعي هڪ ذريعو (جنهن کي ماخذ-پل ٽيڪنڪ جي نالي سان سڃاتو وڃي ٿو) هڪ براڊ بينڊ ريڪٽيفائر کي ڊزائين ڪرڻ لاءِ استعمال ڪيو ويو آهي 57% نسبتي بينڊوڊٿ (1.25–2.25 GHz) ۽ 10% وڌيڪ PCE لمپڊ يا ورهايل سرڪٽس جي مقابلي ۾ . جيتوڻيڪ ملاپ جا نيٽ ورڪ عام طور تي پوري 50Ω بينڊوڊٿ تي اينٽينن سان ملائڻ لاءِ ٺهيل آهن، ادب ۾ رپورٽون آهن جتي براڊ بينڊ اينٽينن کي تنگ بينڊ ريڪٽيفائرز سان ڳنڍيو ويو آهي.
هائبرڊ لمپڊ-ايليمينٽ ۽ ورهايل-عنصر ملاپ جا نيٽ ورڪ وڏي پيماني تي استعمال ڪيا ويا آهن ٽوپولاجيز سي ۽ ڊي ۾، سيريز انڊڪٽرز ۽ ڪيپيسٽرز سان گڏ سڀ کان وڌيڪ استعمال ٿيل lumped عناصر آهن. اهي پيچيده ڍانچي کان پاسو ڪن ٿا جهڙوڪ interdigitated capacitors، جن کي معياري مائڪرو اسٽريپ لائينن کان وڌيڪ صحيح ماڊلنگ ۽ ٺاھڻ جي ضرورت آھي.
ريڪٽائير کي ان پٽ پاور ان پٽ جي رڪاوٽ کي متاثر ڪري ٿي، ڇاڪاڻ ته ڊائوڊ جي غير لڪيريت جي ڪري. تنهن ڪري، ريڪٽينا هڪ مخصوص ان پٽ پاور ليول ۽ لوڊ جي رڪاوٽ لاءِ PCE کي وڌائڻ لاءِ ٺهيل آهي. جيئن ته ڊاءِڊس بنيادي طور تي 3 GHz کان گھٽ فريڪوئنسيز تي ڪيپيسيٽيو وڌيڪ رڪاوٽ آھن، ان ڪري براڊ بينڊ ريڪٽينا جيڪي ملندڙ نيٽ ورڪ کي ختم ڪن ٿا يا آسان ملاپ واري سرڪٽ کي گھٽ ڪن ٿا انھن فريڪوئنسيز Prf>0 dBm ۽ 1 GHz کان مٿي آھن، ڇو ته ڊاءِڊس ۾ گھٽ ڪيپيسيٽو رڪاوٽ آھي ۽ چڱيءَ طرح سان ملائي سگھجن ٿيون. اينٽينا ڏانهن، اهڙيء طرح جي ڊيزائن کان بچڻ اينٽينا ان پٽ جي رد عمل سان >1,000Ω.
Adaptive or reconfigurable impedance matching CMOS rectennas ۾ ڏٺو ويو آهي، جتي ملندڙ نيٽ ورڪ تي مشتمل هوندو آهي آن-چِپ ڪيپيسيٽر بئنڪ ۽ انڊڪٽرز. جامد CMOS ملندڙ نيٽ ورڪ پڻ تجويز ڪيا ويا آهن معياري 50Ω اينٽينا ۽ گڏوگڏ ٺهيل لوپ اينٽينن لاءِ. اهو ٻڌايو ويو آهي ته غير فعال CMOS پاور ڊيڪٽرز سوئچز کي ڪنٽرول ڪرڻ لاءِ استعمال ڪيا ويندا آهن جيڪي اينٽينا جي ٻاھرين کي سڌو ڪن ٿا مختلف ريڪٽيفائرز ۽ ملندڙ نيٽ ورڪن کي دستياب طاقت جي لحاظ سان. lumped tunable capacitors استعمال ڪندي هڪ ٻيهر ترتيب ڏيڻ وارو ملندڙ نيٽ ورڪ تجويز ڪيو ويو آهي، جيڪو ویکٹر نيٽ ورڪ اينالائيزر استعمال ڪندي ان پٽ جي رڪاوٽ کي ماپڻ دوران فائن ٽيوننگ ذريعي ترتيب ڏنو ويو آهي. reconfigurable microstrip ميچنگ نيٽ ورڪن ۾، فيلڊ اثر ٽرانزسٽر سوئچز استعمال ڪيا ويا آهن ملندڙ اسٽب کي ترتيب ڏيڻ لاءِ ڊبل بينڊ خاصيتون حاصل ڪرڻ لاءِ.
antennas بابت وڌيڪ ڄاڻڻ لاء، مهرباني ڪري دورو ڪريو:
پوسٽ جو وقت: آگسٽ-09-2024
