1. مقدمة
حظيت تقنيات حصاد طاقة الترددات الراديوية (RFEH) ونقل الطاقة اللاسلكي الإشعاعي (WPT) باهتمام كبير باعتبارها طرقًا لتحقيق شبكات لاسلكية مستدامة لا تحتاج إلى بطاريات. تُعدّ هوائيات التقويم حجر الزاوية في أنظمة WPT وRFEH، ولها تأثير كبير على طاقة التيار المستمر المُوَصَّلة إلى الحمل. تؤثر عناصر هوائي التقويم بشكل مباشر على كفاءة الحصاد، مما قد يُغيّر الطاقة المحصودة بعدة مراتب. تستعرض هذه الورقة تصميمات الهوائيات المُستخدمة في تطبيقات WPT وRFEH في البيئات المحيطة. تُصنَّف هوائيات التقويم المذكورة وفقًا لمعيارين رئيسيين: عرض نطاق معاوقة تقويم الهوائي وخصائص إشعاع الهوائي. لكل معيار، يتم تحديد قيمة الجدارة (FoM) لتطبيقات مختلفة ومراجعتها بشكل مقارن.
اقترح تسلا تقنية نقل الطاقة اللاسلكية (WPT) في أوائل القرن العشرين كوسيلة لنقل آلاف الأحصنة. وظهر مصطلح "الهوائي المُقوِّم" (rectenna)، الذي يصف هوائيًا موصولًا بمقوِّم لاستخلاص طاقة الترددات الراديوية، في خمسينيات القرن الماضي لتطبيقات نقل طاقة الموجات الميكروية في الفضاء ولتشغيل الطائرات المسيّرة ذاتية القيادة. وتُقيَّد تقنية نقل الطاقة اللاسلكية متعددة الاتجاهات وطويلة المدى بالخصائص الفيزيائية لوسط الانتشار (الهواء). ولذلك، يقتصر استخدام تقنية نقل الطاقة اللاسلكية تجاريًا بشكل أساسي على نقل الطاقة غير الإشعاعي في المجال القريب لشحن الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية لاسلكيًا أو تقنية تحديد الهوية بموجات الراديو (RFID).
مع استمرار انخفاض استهلاك الطاقة لأجهزة أشباه الموصلات وعُقد الاستشعار اللاسلكية، أصبح من الممكن تزويد عُقد الاستشعار بالطاقة باستخدام طاقة الترددات الراديوية المحيطة أو باستخدام أجهزة إرسال موزعة منخفضة الطاقة ومتعددة الاتجاهات. تتكون أنظمة الطاقة اللاسلكية منخفضة الطاقة للغاية عادةً من وحدة أمامية لاكتساب إشارات الترددات الراديوية، ووحدة إدارة طاقة التيار المستمر والذاكرة، ومعالج دقيق وجهاز إرسال واستقبال منخفض الطاقة.
يوضح الشكل 1 بنية عقدة لاسلكية لتقنية RFEH وتطبيقات الواجهة الأمامية للترددات الراديوية الشائعة. تعتمد كفاءة نظام الطاقة اللاسلكي وبنية شبكة نقل المعلومات والطاقة اللاسلكية المتزامنة على أداء المكونات الفردية، مثل الهوائيات والمقومات ودوائر إدارة الطاقة. وقد أُجريت العديد من الدراسات الاستقصائية للأدبيات المتعلقة بأجزاء مختلفة من النظام. يلخص الجدول 1 مرحلة تحويل الطاقة، والمكونات الرئيسية لتحويل الطاقة بكفاءة، والدراسات الاستقصائية ذات الصلة بكل جزء. وتركز الدراسات الحديثة على تقنية تحويل الطاقة، وطوبولوجيات المقومات، أو تقنية RFEH المُدركة للشبكة.
الشكل 1
مع ذلك، لا يُعتبر تصميم الهوائي عنصرًا حاسمًا في تقنية تدفئة الطاقة بالترددات الراديوية. فعلى الرغم من أن بعض الدراسات تتناول عرض نطاق الهوائي وكفاءته من منظور عام أو من منظور تصميم هوائي محدد، كالهوائيات المصغرة أو القابلة للارتداء، إلا أن تأثير بعض معايير الهوائي على استقبال الطاقة وكفاءة تحويلها لا يُحلل بالتفصيل.
تستعرض هذه الورقة البحثية تقنيات تصميم الهوائيات في هوائيات التقويم بهدف التمييز بين تحديات تصميم الهوائيات الخاصة بتقنيات RFEH وWPT وتصميم هوائيات الاتصالات القياسية. تتم مقارنة الهوائيات من منظورين: مطابقة المعاوقة من طرف إلى طرف وخصائص الإشعاع؛ وفي كل حالة، يتم تحديد عامل الجودة (FoM) ومراجعته في أحدث الهوائيات (SoA).
2. عرض النطاق الترددي والمطابقة: شبكات الترددات اللاسلكية غير 50 أوم
تُعدّ المعاوقة المميزة البالغة 50 أوم أحد الاعتبارات المبكرة للموازنة بين التوهين والقدرة في تطبيقات هندسة الموجات الميكروية. في الهوائيات، يُعرَّف عرض نطاق المعاوقة بأنه نطاق التردد الذي تكون فيه القدرة المنعكسة أقل من 10% (S11 < -10 ديسيبل). ونظرًا لأن مضخمات الضوضاء المنخفضة (LNAs) ومضخمات القدرة والكواشف تُصمَّم عادةً بمطابقة معاوقة دخل تبلغ 50 أوم، يُستخدم مصدر 50 أوم كمرجع تقليدي.
في هوائي التقويم، يُغذى خرج الهوائي مباشرةً إلى المقوم، وتتسبب اللاخطية في الصمام الثنائي في تغير كبير في معاوقة الدخل، حيث يهيمن المكون السعوي. بافتراض هوائي 50 أوم، يكمن التحدي الرئيسي في تصميم شبكة مطابقة ترددات لاسلكية إضافية لتحويل معاوقة الدخل إلى معاوقة المقوم عند التردد المطلوب، وتحسينها لمستوى طاقة محدد. في هذه الحالة، يلزم نطاق ترددي للمعاوقة من طرف إلى طرف لضمان تحويل فعال من الترددات اللاسلكية إلى التيار المستمر. لذلك، على الرغم من أن الهوائيات يمكن أن تحقق نظريًا نطاقًا تردديًا لانهائيًا أو واسعًا جدًا باستخدام عناصر دورية أو هندسة تكميلية ذاتية، إلا أن نطاق تردد هوائي التقويم سيُحدَّد بشبكة مطابقة المقوم.
تم اقتراح العديد من تصميمات هوائيات التقويم لتحقيق حصاد الطاقة أحادي النطاق ومتعدد النطاقات أو نقل الطاقة لاسلكيًا، وذلك بتقليل الانعكاسات وزيادة نقل الطاقة بين الهوائي والمقوم. يوضح الشكل 2 هياكل تصميمات هوائيات التقويم المذكورة، مصنفةً حسب بنية مطابقة المعاوقة. يعرض الجدول 2 أمثلةً لهوائيات تقويم عالية الأداء من حيث عرض النطاق الترددي الشامل (في هذه الحالة، FoM) لكل فئة.
الشكل 2: طوبولوجيات هوائيات التقويم من منظور عرض النطاق الترددي ومطابقة المعاوقة. (أ) هوائي تقويم أحادي النطاق بهوائي قياسي. (ب) هوائي تقويم متعدد النطاقات (مكون من عدة هوائيات متصلة ببعضها) مع مقوم واحد وشبكة مطابقة لكل نطاق. (ج) هوائي تقويم عريض النطاق بمنافذ ترددات لاسلكية متعددة وشبكات مطابقة منفصلة لكل نطاق. (د) هوائي تقويم عريض النطاق بهوائي عريض النطاق وشبكة مطابقة عريضة النطاق. (هـ) هوائي تقويم أحادي النطاق باستخدام هوائي صغير كهربائيًا متطابق مباشرة مع المقوم. (و) هوائي أحادي النطاق كبير كهربائيًا ذو معاوقة مركبة للاقتران مع المقوم. (ز) هوائي تقويم عريض النطاق ذو معاوقة مركبة للاقتران مع المقوم عبر نطاق من الترددات.
على الرغم من اختلاف تطبيقات هوائيات التقويم في نقل الطاقة اللاسلكي (WPT) وهضم الطاقة الراديوية المحيطية (RFEH) من مصدر تغذية مخصص، إلا أن تحقيق التوافق التام بين الهوائي والمقوم والحمل يُعدّ أساسيًا لتحقيق كفاءة عالية في تحويل الطاقة (PCE) من منظور عرض النطاق الترددي. مع ذلك، تركز هوائيات التقويم في نقل الطاقة اللاسلكي بشكل أكبر على تحقيق توافق أعلى لعامل الجودة (انخفاض S11) لتحسين كفاءة تحويل الطاقة أحادية النطاق عند مستويات طاقة معينة (الطوبولوجيات a وe وf). يُحسّن عرض النطاق الترددي الواسع لنقل الطاقة اللاسلكي أحادي النطاق مناعة النظام ضد عدم الضبط وعيوب التصنيع والتأثيرات الطفيلية للتغليف. من ناحية أخرى، تُعطي هوائيات التقويم في هضم الطاقة الراديوية الأولوية للتشغيل متعدد النطاقات وتنتمي إلى الطوبولوجيات bd وg، نظرًا لأن كثافة القدرة الطيفية (PSD) لنطاق واحد تكون أقل عمومًا.
3. تصميم هوائي مستطيل
1. هوائي مقوم أحادي التردد
يعتمد تصميم هوائي التقويم أحادي التردد (النمط A) بشكل أساسي على تصميم الهوائي القياسي، مثل هوائي الرقعة المشعّة ذي الاستقطاب الخطي (LP) أو الاستقطاب الدائري (CP) على المستوى الأرضي، وهوائي ثنائي القطب، وهوائي F المقلوب. أما هوائي التقويم ذو النطاق التفاضلي فيعتمد على مصفوفة مُركّبة للتيار المستمر مُكوّنة من وحدات هوائية متعددة، أو على مزيج من التيار المستمر والترددات الراديوية لوحدات رقعة متعددة.
بما أن العديد من الهوائيات المقترحة أحادية التردد وتفي بمتطلبات نقل الطاقة اللاسلكي أحادي التردد، فعند البحث عن هوائيات ترددات لاسلكية متعددة في البيئة، يتم دمج عدة هوائيات أحادية التردد في هوائيات تقويم متعددة النطاقات (النمط B) مع كبح التداخل المتبادل ودمج التيار المستمر بشكل مستقل بعد دائرة إدارة الطاقة لعزلها تمامًا عن دائرة اكتساب وتحويل الترددات اللاسلكية. يتطلب هذا دوائر إدارة طاقة متعددة لكل نطاق، مما قد يقلل من كفاءة محول الرفع نظرًا لانخفاض طاقة التيار المستمر للنطاق الواحد.
2. هوائيات RFEH متعددة النطاقات وعريضة النطاق
غالباً ما يرتبط استخدام هوائيات الراديو البيئية (RFEH) باكتساب نطاقات تردد متعددة؛ لذا، تم اقتراح العديد من التقنيات لتحسين عرض نطاق تصميمات الهوائيات القياسية، بالإضافة إلى طرق لتشكيل مصفوفات هوائيات ثنائية النطاق أو متعددة النطاقات. في هذا القسم، نستعرض تصميمات هوائيات مخصصة لهوائيات الراديو البيئية، فضلاً عن هوائيات النطاقات المتعددة التقليدية التي يُمكن استخدامها كهوائيات تقويم.
تشغل هوائيات أحادية القطب ذات الموجة المستوية (CPW) مساحة أقل من هوائيات الرقعة الشريطية الدقيقة عند نفس التردد، وتنتج موجات مستقطبة خطيًا أو مستقطبة دائريًا، وتُستخدم غالبًا في هوائيات التقويم البيئية واسعة النطاق. تُستخدم مستويات الانعكاس لزيادة العزل وتحسين الكسب، مما ينتج عنه أنماط إشعاع مشابهة لهوائيات الرقعة. تُستخدم هوائيات الموجة المستوية المشقوقة لتحسين عرض نطاق المعاوقة لنطاقات تردد متعددة، مثل 1.8-2.7 جيجاهرتز أو 1-3 جيجاهرتز. كما تُستخدم هوائيات الشق ذات التغذية المزدوجة وهوائيات الرقعة بشكل شائع في تصميمات هوائيات التقويم متعددة النطاقات. يوضح الشكل 3 بعض هوائيات النطاقات المتعددة المذكورة التي تستخدم أكثر من تقنية واحدة لتحسين عرض النطاق.
الشكل 3
مطابقة معاوقة الهوائي والمقوم
يُعدّ التوفيق بين هوائي ذي مقاومة 50 أوم ومقوّم غير خطي أمرًا صعبًا نظرًا لتغير مقاومة دخله بشكل كبير مع التردد. في التصميمين A وB (الشكل 2)، تُستخدم عادةً شبكة LC للتوفيق باستخدام عناصر مُجمّعة؛ إلا أن عرض النطاق النسبي يكون عادةً أقل من معظم نطاقات الاتصالات. يُستخدم التوفيق أحادي النطاق بشكل شائع في نطاقات الموجات الميكروية والموجات المليمترية التي تقل تردداتها عن 6 جيجاهرتز، وتتميز هوائيات التقويم الموجية المليمترية المذكورة بعرض نطاق ضيق بطبيعته لأن عرض نطاق كفاءة تحويل الطاقة (PCE) فيها محدود بسبب كبح التوافقيات عند الخرج، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لتطبيقات نقل الطاقة اللاسلكي أحادية النطاق في نطاق 24 جيجاهرتز غير المرخص.
تتميز هوائيات التقويم في التصميمين C وD بشبكات مطابقة أكثر تعقيدًا. وقد اقتُرحت شبكات مطابقة خطية موزعة بالكامل لتحقيق مطابقة النطاق العريض، مع وجود دائرة قصر للتيار المستمر/حجب الترددات الراديوية عند منفذ الإخراج، أو مكثف حجب للتيار المستمر كمسار عودة لتوافقيات الصمام الثنائي. ويمكن استبدال مكونات المقوم بمكثفات متداخلة على لوحة الدوائر المطبوعة، والتي يتم تصنيعها باستخدام أدوات أتمتة تصميم إلكتروني تجارية. وتجمع شبكات مطابقة هوائيات التقويم الأخرى ذات النطاق العريض بين عناصر مجمعة للمطابقة مع الترددات المنخفضة وعناصر موزعة لإنشاء دائرة قصر للترددات الراديوية عند المدخل.
استُخدم تغيير معاوقة الدخل التي يلاحظها الحمل عبر مصدر (وهي تقنية تُعرف بتقنية سحب المصدر) لتصميم مقوم عريض النطاق بنطاق ترددي نسبي يبلغ 57% (1.25-2.25 جيجاهرتز) وكفاءة تحويل طاقة أعلى بنسبة 10% مقارنةً بالدوائر المجمعة أو الموزعة. وعلى الرغم من أن شبكات المطابقة تُصمم عادةً لمطابقة الهوائيات على كامل نطاق التردد 50 أوم، إلا أن هناك تقارير في الأدبيات العلمية تشير إلى توصيل هوائيات عريضة النطاق بمقومات ضيقة النطاق.
تُستخدم شبكات المطابقة الهجينة ذات العناصر المجمعة والعناصر الموزعة على نطاق واسع في تصميمات الدوائر من النوعين C و D، حيث تُعدّ المحاثات والمكثفات المتصلة على التوالي أكثر العناصر المجمعة استخدامًا. وتتجنّب هذه الشبكات البنى المعقدة مثل المكثفات المتداخلة، التي تتطلب نمذجة وتصنيعًا أكثر دقة من خطوط الميكروستريب القياسية.
تؤثر قدرة الإدخال للمقوم على معاوقة الإدخال نظرًا لعدم خطية الثنائي. لذلك، يُصمم هوائي التقويم لزيادة كفاءة تحويل الطاقة (PCE) إلى أقصى حد عند مستوى قدرة إدخال ومعاوقة حمل محددين. ولأن الثنائيات تتميز بمعاوقة سعوية عالية عند الترددات الأقل من 3 جيجاهرتز، فقد ركزت هوائيات التقويم واسعة النطاق، التي تستغني عن شبكات المطابقة أو تقلل من دوائر المطابقة المبسطة، على الترددات Prf>0 ديسيبل ميلي واط وأعلى من 1 جيجاهرتز، حيث تتميز الثنائيات بمعاوقة سعوية منخفضة ويمكن مطابقتها جيدًا مع الهوائي، مما يجنب تصميم هوائيات ذات مفاعلات إدخال >1000 أوم.
لوحظت مطابقة المعاوقة التكيفية أو القابلة لإعادة التشكيل في هوائيات التقويم CMOS، حيث تتكون شبكة المطابقة من بنوك مكثفات وملفات حث مدمجة. كما تم اقتراح شبكات مطابقة CMOS ثابتة لهوائيات 50 أوم القياسية، بالإضافة إلى هوائيات الحلقة المصممة بشكل مشترك. وقد أشير إلى استخدام كاشفات طاقة CMOS سلبية للتحكم في المفاتيح التي توجه خرج الهوائي إلى مقومات وشبكات مطابقة مختلفة بناءً على الطاقة المتاحة. واقتُرحت شبكة مطابقة قابلة لإعادة التشكيل باستخدام مكثفات قابلة للضبط مجمعة، يتم ضبطها بدقة أثناء قياس معاوقة الإدخال باستخدام محلل شبكة متجهي. في شبكات مطابقة الميكروستريب القابلة لإعادة التشكيل، استُخدمت مفاتيح ترانزستور تأثير المجال لضبط أطراف المطابقة لتحقيق خصائص النطاق المزدوج.
لمعرفة المزيد عن الهوائيات، يرجى زيارة:
تاريخ النشر: 9 أغسطس 2024
