1. المقدمة
لقد اجتذب تجميع طاقة الترددات الراديوية (RFEH) ونقل الطاقة اللاسلكية الإشعاعية (WPT) اهتمامًا كبيرًا كطرق لتحقيق شبكات لاسلكية مستدامة خالية من البطاريات. تمثل الهوائيات المستقيمة حجر الزاوية في أنظمة WPT وRFEH ولها تأثير كبير على قدرة التيار المستمر المرسلة إلى الحمل. تؤثر عناصر الهوائي في هوائي المستقيم بشكل مباشر على كفاءة الحصاد، والتي يمكن أن تغير القدرة المجمعة بعدة أوامر من حيث الحجم. تستعرض هذه الورقة تصميمات الهوائيات المستخدمة في تطبيقات WPT وتطبيقات RFEH المحيطة. يتم تصنيف الهوائيات المبلغ عنها وفقًا لمعيارين رئيسيين: الهوائي الذي يصحح عرض نطاق المعاوقة وخصائص إشعاع الهوائي. بالنسبة لكل معيار، يتم تحديد رقم الجدارة (FoM) لمختلف التطبيقات ومراجعته بشكل مقارن.
اقترح تسلا تقنية WPT في أوائل القرن العشرين كوسيلة لنقل آلاف القدرة الحصانية. ظهر مصطلح "Rectenna"، الذي يصف هوائيًا متصلاً بمقوم لحصاد طاقة التردد اللاسلكي، في الخمسينيات من القرن الماضي لتطبيقات نقل الطاقة بالموجات الدقيقة في الفضاء ولتشغيل الطائرات بدون طيار المستقلة. إن إرسال القدرة لاسلكياً (WPT) شامل الاتجاهات وبعيد المدى مقيد بالخصائص الفيزيائية لوسط الانتشار (الهواء). ولذلك، يقتصر WPT التجاري بشكل رئيسي على نقل الطاقة غير الإشعاعية في المجال القريب لشحن الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية اللاسلكية أو RFID.
مع استمرار انخفاض استهلاك الطاقة لأجهزة أشباه الموصلات وعقد الاستشعار اللاسلكية، أصبح من الممكن أكثر تشغيل عقد الاستشعار باستخدام RFEH المحيط أو باستخدام أجهزة إرسال متعددة الاتجاهات موزعة منخفضة الطاقة. تتكون أنظمة الطاقة اللاسلكية ذات الطاقة المنخفضة جدًا عادةً من واجهة أمامية للحصول على الترددات اللاسلكية، وإدارة طاقة التيار المستمر والذاكرة، ومعالج دقيق وجهاز إرسال واستقبال منخفض الطاقة.
يوضح الشكل 1 بنية العقدة اللاسلكية RFEH وتطبيقات الواجهة الأمامية للتردد الراديوي الشائعة. تعتمد الكفاءة الشاملة لنظام الطاقة اللاسلكية وهندسة المعلومات اللاسلكية المتزامنة وشبكة نقل الطاقة على أداء المكونات الفردية، مثل الهوائيات والمقومات ودوائر إدارة الطاقة. تم إجراء العديد من الدراسات الاستقصائية للأدبيات لأجزاء مختلفة من النظام. يلخص الجدول 1 مرحلة تحويل الطاقة، والمكونات الرئيسية لتحويل الطاقة بكفاءة، ومسوحات الأدبيات ذات الصلة لكل جزء. تركز الأدبيات الحديثة على تكنولوجيا تحويل الطاقة، أو طبولوجيا المقوم، أو RFEH المدرك للشبكة.
الشكل 1
ومع ذلك، لا يعتبر تصميم الهوائي مكونًا حاسمًا في RFEH. على الرغم من أن بعض الأدبيات تنظر إلى عرض نطاق الهوائي وكفاءته من منظور شامل أو من منظور تصميم هوائي محدد، مثل الهوائيات المصغرة أو القابلة للارتداء، إلا أنه لم يتم تحليل تأثير بعض معلمات الهوائي على استقبال الطاقة وكفاءة التحويل بالتفصيل.
تستعرض هذه الورقة تقنيات تصميم الهوائيات في الهوائيات بهدف التمييز بين تحديات تصميم هوائيات RFEH وWPT المحددة وبين تصميم هوائيات الاتصالات القياسية. تتم مقارنة الهوائيات من منظورين: مطابقة المعاوقة من طرف إلى طرف وخصائص الإشعاع؛ وفي كل حالة، يتم تحديد FoM ومراجعته باستخدام أحدث الهوائيات (SoA).
2. عرض النطاق الترددي والمطابقة: شبكات الترددات اللاسلكية غير 50Ω
تعتبر المعاوقة المميزة البالغة 50 أوم بمثابة دراسة مبكرة للتسوية بين التوهين والقدرة في تطبيقات هندسة الموجات الدقيقة. في الهوائيات، يتم تعريف عرض نطاق المعاوقة على أنه نطاق التردد حيث تكون القدرة المنعكسة أقل من %10 (S11< - 10 ديسيبل). نظرًا لأن مكبرات الصوت منخفضة الضوضاء (LNAs)، ومضخمات القدرة، والكاشفات يتم تصميمها عادةً بمطابقة ممانعة دخل تبلغ 50 أوم، فإنه يتم الرجوع تقليديًا إلى مصدر بقدرة 50 أوم.
في الهوائي المستقيم، يتم تغذية خرج الهوائي مباشرة إلى المقوم، وتؤدي عدم خطية الصمام الثنائي إلى اختلاف كبير في مقاومة الإدخال، مع سيطرة المكون السعوي. بافتراض وجود هوائي 50 أوم، فإن التحدي الرئيسي هو تصميم شبكة إضافية مطابقة للتردد الراديوي لتحويل مقاومة الإدخال إلى مقاومة المقوم عند التردد المعني وتحسينها لمستوى طاقة محدد. في هذه الحالة، مطلوب عرض النطاق الترددي للمقاومة من طرف إلى طرف لضمان تحويل التردد اللاسلكي إلى التيار المباشر بكفاءة. لذلك، على الرغم من أن الهوائيات يمكن أن تحقق عرض نطاق ترددي لا نهائي أو واسع النطاق نظريًا باستخدام عناصر دورية أو هندسة ذاتية التكامل، إلا أن عرض النطاق الترددي للهوائي المستقيم سيتم اختناقه بواسطة شبكة مطابقة المقوم.
تم اقتراح العديد من طبولوجيا الهوائي المستقيم لتحقيق الحصاد أحادي النطاق ومتعدد النطاقات أو WPT عن طريق تقليل الانعكاسات وزيادة نقل الطاقة إلى الحد الأقصى بين الهوائي والمقوم. ويبين الشكل 2 هياكل طبولوجيا المستقيم المبلغ عنها، مصنفة حسب بنية مطابقة المعاوقة. ويبين الجدول 2 أمثلة على الهوائيات عالية الأداء فيما يتعلق بعرض النطاق من طرف إلى طرف (في هذه الحالة، FoM) لكل فئة.
الشكل 2: طبولوجيا Rectenna من منظور عرض النطاق الترددي ومطابقة المعاوقة. (أ) هوائي أحادي النطاق بهوائي قياسي. (ب) هوائي مستقيم متعدد النطاقات (يتكون من هوائيات متعددة مقترنة ببعضها البعض) مع مقوم واحد وشبكة مطابقة لكل نطاق. (ج) هوائي مستقيم عريض النطاق مزود بمنافذ ترددات لاسلكية متعددة وشبكات مطابقة منفصلة لكل نطاق. (د) هوائي عريض النطاق مزود بهوائي عريض النطاق وشبكة مطابقة للنطاق العريض. (هـ) هوائي مستقيم أحادي النطاق يستخدم هوائيًا صغيرًا كهربائيًا يتطابق مباشرة مع المقوم. (و) هوائي كبير كهربائيًا أحادي النطاق ذو مقاومة معقدة يترافق مع المقوم. (ز) هوائي مستقيم عريض النطاق ذو مقاومة معقدة يترافق مع المقوم عبر نطاق من الترددات.
في حين أن WPT وRFEH المحيط من التغذية المخصصة هما تطبيقان مختلفان للهوائي المستقيم، فإن تحقيق المطابقة من طرف إلى طرف بين الهوائي والمقوم والحمل أمر أساسي لتحقيق كفاءة عالية في تحويل القدرة (PCE) من منظور عرض النطاق الترددي. ومع ذلك، تركز هوائيات WPT بشكل أكبر على تحقيق مطابقة أعلى لعامل الجودة (S11 أقل) لتحسين PCE أحادي النطاق عند مستويات معينة من القدرة (الطوبولوجيات a وe وf). يعمل عرض النطاق الواسع لتقنية WPT أحادية النطاق على تحسين مناعة النظام ضد التفكيك وعيوب التصنيع وطفيليات التغليف. من ناحية أخرى، تعطي هوائيات RFEH الأولوية للتشغيل متعدد النطاقات وتنتمي إلى طبولوجيا bd وg، حيث أن الكثافة الطيفية للقدرة (PSD) لنطاق واحد تكون أقل عمومًا.
3. تصميم هوائي مستطيل
1. هوائي مستقيم ذو تردد واحد
يعتمد تصميم الهوائي للهوائي أحادي التردد (الطوبولوجيا A) بشكل أساسي على تصميم الهوائي القياسي، مثل الاستقطاب الخطي (LP) أو رقعة الاستقطاب الدائري (CP) المشعة على المستوى الأرضي والهوائي ثنائي القطب والهوائي F المقلوب. يعتمد هوائي النطاق التفاضلي على مجموعة مجموعة DC المكونة من وحدات هوائي متعددة أو مجموعة مختلطة من DC وRF من وحدات التصحيح المتعددة.
نظرًا لأن العديد من الهوائيات المقترحة هي هوائيات وحيدة التردد وتفي بمتطلبات الإرسال اللاسلكي للطاقة (WPT) وحيدة التردد، فعند البحث عن هوائيات RFEH متعددة الترددات البيئية، يتم دمج هوائيات أحادية التردد متعددة في هوائيات متعددة النطاقات (الطوبولوجيا B) مع كبت الاقتران المتبادل و مجموعة تيار مستمر مستقلة بعد دائرة إدارة الطاقة لعزلها تمامًا عن دائرة الحصول على الترددات اللاسلكية وتحويلها. يتطلب ذلك دوائر متعددة لإدارة الطاقة لكل نطاق، مما قد يقلل من كفاءة محول التعزيز لأن طاقة التيار المستمر لنطاق واحد منخفضة.
2. هوائيات RFEH متعددة النطاق وعريضة النطاق
غالبًا ما يرتبط RFEH البيئي باكتساب النطاقات المتعددة؛ ولذلك، تم اقتراح مجموعة متنوعة من التقنيات لتحسين عرض النطاق الترددي لتصميمات الهوائيات القياسية وطرق تشكيل مصفوفات هوائي مزدوجة النطاق أو النطاق. في هذا القسم، نقوم بمراجعة تصميمات الهوائيات المخصصة لـ RFEHs، بالإضافة إلى الهوائيات الكلاسيكية متعددة النطاقات مع إمكانية استخدامها كهوائيات مستقيمة.
تشغل الهوائيات أحادية القطب ذات الدليل الموجي المستوي (CPW) مساحة أقل من هوائيات التصحيح ذات الشرائح الدقيقة بنفس التردد وتنتج موجات LP أو CP، وغالبًا ما تستخدم في الهوائيات البيئية ذات النطاق العريض. تُستخدم مستويات الانعكاس لزيادة العزل وتحسين الكسب، مما يؤدي إلى أنماط إشعاع مشابهة لهوائيات التصحيح. تُستخدم هوائيات الدليل الموجي ذات المستوى المشقوق لتحسين عروض نطاق المعاوقة لنطاقات تردد متعددة، مثل 1.8-2.7 جيجا هرتز أو 1-3 جيجا هرتز. تُستخدم أيضًا الهوائيات ذات الفتحات المقترنة والهوائيات التصحيحية بشكل شائع في تصميمات الهوائيات متعددة النطاقات. ويبين الشكل 3 بعض الهوائيات متعددة النطاقات المبلغ عنها والتي تستخدم أكثر من تقنية واحدة لتحسين عرض النطاق الترددي.
الشكل 3
مطابقة مقاومة مقوم الهوائي
تعد مطابقة هوائي 50 أوم مع مقوم غير خطي أمرًا صعبًا لأن مقاومة دخله تختلف بشكل كبير مع التردد. في الطبولوجيا A وB (الشكل 2)، تكون شبكة المطابقة الشائعة عبارة عن مطابقة LC باستخدام عناصر مجمعة؛ ومع ذلك، فإن عرض النطاق الترددي النسبي عادة ما يكون أقل من معظم نطاقات الاتصالات. تُستخدم مطابقة كعب الروتين أحادية النطاق بشكل شائع في نطاقات الموجات الميكروية والموجات المليمترية التي تقل عن 6 جيجاهرتز، كما أن هوائيات الموجات المليمترية المُبلغ عنها لها عرض نطاق ترددي ضيق بطبيعتها لأن عرض نطاق PCE الخاص بها مقيد بالقمع التوافقي للإخراج، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص للترددات الفردية. تطبيقات WPT في النطاق غير المرخص 24 جيجا هرتز.
تحتوي الهوائيات المستقيمة في الطبولوجيا C وD على شبكات مطابقة أكثر تعقيدًا. تم اقتراح شبكات مطابقة الخطوط الموزعة بالكامل لمطابقة النطاق العريض، مع دائرة قصر RF / DC (مرشح تمرير) عند منفذ الإخراج أو مكثف حظر DC كمسار عودة لتوافقيات الصمام الثنائي. يمكن استبدال مكونات المقوم بمكثفات متداخلة من لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)، والتي يتم تصنيعها باستخدام أدوات أتمتة التصميم الإلكتروني التجارية. تجمع شبكات مطابقة هوائي النطاق العريض الأخرى التي تم الإبلاغ عنها بين العناصر المجمعة للمطابقة مع الترددات المنخفضة والعناصر الموزعة لإنشاء تردد راديوي قصير عند الإدخال.
تم استخدام تغيير مقاومة الإدخال التي لاحظها الحمل من خلال مصدر (المعروف باسم تقنية سحب المصدر) لتصميم مقوم النطاق العريض مع عرض النطاق الترددي النسبي بنسبة 57٪ (1.25-2.25 جيجا هرتز) و PCE أعلى بنسبة 10٪ مقارنة بالدوائر المجمعة أو الموزعة . على الرغم من أن الشبكات المطابقة مصممة عادةً لمطابقة الهوائيات عبر عرض النطاق الترددي 50 أوم بأكمله، إلا أن هناك تقارير في الأدبيات حيث تم توصيل هوائيات النطاق العريض بمقومات النطاق الضيق.
تم استخدام شبكات مطابقة العناصر المجمعة والعناصر الموزعة على نطاق واسع في الطوبولوجيات C وD، مع كون المحاثات والمكثفات المتسلسلة هي العناصر المجمعة الأكثر استخدامًا. هذه تتجنب الهياكل المعقدة مثل المكثفات المتداخلة، والتي تتطلب نمذجة وتصنيع أكثر دقة من الخطوط الدقيقة القياسية.
تؤثر طاقة الإدخال إلى المقوم على مقاومة الإدخال بسبب عدم خطية الصمام الثنائي. لذلك، تم تصميم هوائي المستقيم لتعظيم PCE لمستوى طاقة إدخال معين ومقاومة الحمل. نظرًا لأن الثنائيات ذات مقاومة عالية سعوية في المقام الأول عند ترددات أقل من 3 جيجا هرتز، فقد ركزت هوائيات النطاق العريض التي تلغي الشبكات المطابقة أو تقلل من دوائر المطابقة المبسطة على الترددات Prf> 0 ديسيبل ميلي واط وما فوق 1 جيجا هرتز، نظرًا لأن الثنائيات لها ممانعة سعوية منخفضة ويمكن مطابقتها جيدًا إلى الهوائي، وبالتالي تجنب تصميم الهوائيات ذات مفاعلات الإدخال> 1000Ω.
تمت رؤية مطابقة المعاوقة التكيفية أو القابلة لإعادة التشكيل في هوائيات CMOS، حيث تتكون الشبكة المطابقة من بنوك مكثفة ومحثات على الرقاقة. تم أيضًا اقتراح شبكات مطابقة CMOS الثابتة للهوائيات القياسية 50 أوم بالإضافة إلى الهوائيات الحلقية المصممة بشكل مشترك. تم الإبلاغ عن استخدام كاشفات طاقة CMOS المنفعلة للتحكم في المفاتيح التي توجه خرج الهوائي إلى مقومات مختلفة وشبكات مطابقة اعتمادًا على الطاقة المتاحة. تم اقتراح شبكة مطابقة قابلة لإعادة التشكيل باستخدام مكثفات مجمعة قابلة للضبط، والتي يتم ضبطها عن طريق الضبط الدقيق أثناء قياس مقاومة الإدخال باستخدام محلل شبكة متجهة. في شبكات مطابقة الشرائح الدقيقة القابلة لإعادة التشكيل، تم استخدام مفاتيح الترانزستور ذات التأثير الميداني لضبط بذرة المطابقة لتحقيق خصائص النطاق المزدوج.
لمعرفة المزيد عن الهوائيات، يرجى زيارة:
وقت النشر: 09 أغسطس 2024
