1. المقدمة
استقطبت تقنيات حصاد طاقة الترددات الراديوية (RFEH) ونقل الطاقة اللاسلكية الإشعاعية (WPT) اهتمامًا كبيرًا كطرقٍ لتحقيق شبكات لاسلكية مستدامة تعمل دون الحاجة إلى بطاريات. تُعدّ الهوائيات المستقيمة (Rectennas) حجر الزاوية في أنظمة WPT وRFEH، ولها تأثيرٌ كبيرٌ على طاقة التيار المستمر المُقدّمة للحمل. تؤثر عناصر هوائي الهوائي المستقيم بشكل مباشر على كفاءة الحصاد، مما قد يُغيّر الطاقة المُحصودة بمقدارٍ هائل. تستعرض هذه الورقة تصاميم الهوائيات المُستخدمة في تطبيقات WPT وRFEH المحيطة. تُصنّف الهوائيات المستقيمة المُبلغ عنها وفقًا لمعيارين رئيسيين: عرض نطاق معاوقة تصحيح الهوائي وخصائص الإشعاع للهوائي. لكل معيار، يتم تحديد قيمة الجدارة (FoM) للتطبيقات المختلفة ومراجعتها مُقارنةً.
اقترح تسلا تقنية WPT في أوائل القرن العشرين كطريقة لنقل آلاف القدرة الحصانية. ظهر مصطلح "rectenna"، الذي يصف هوائيًا متصلًا بمُقوِّم لحصاد طاقة الترددات الراديوية، في خمسينيات القرن الماضي لتطبيقات نقل طاقة الموجات الدقيقة الفضائية ولتشغيل الطائرات بدون طيار ذاتية القيادة. تُقيّد تقنية WPT متعددة الاتجاهات وبعيدة المدى بالخصائص الفيزيائية لوسط الانتشار (الهواء). لذلك، تقتصر تقنية WPT التجارية بشكل أساسي على نقل الطاقة غير الإشعاعية في المجال القريب لشحن الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية لاسلكيًا أو تقنية RFID.
مع استمرار انخفاض استهلاك الطاقة في أجهزة أشباه الموصلات وعقد الاستشعار اللاسلكية، أصبح من الأسهل تشغيل عقد الاستشعار باستخدام تدفئة أرضية محيطية (RFEH) أو باستخدام أجهزة إرسال متعددة الاتجاهات منخفضة الطاقة موزعة. تتكون أنظمة الطاقة اللاسلكية منخفضة الطاقة للغاية عادةً من واجهة أمامية لاستقطاب الترددات اللاسلكية، وإدارة طاقة التيار المستمر والذاكرة، ومعالج دقيق منخفض الطاقة وجهاز إرسال واستقبال.
يوضح الشكل 1 بنية عقدة لاسلكية لـ RFEH وتطبيقات واجهة الترددات الراديوية الشائعة. تعتمد الكفاءة الشاملة لنظام الطاقة اللاسلكي وبنية شبكة نقل المعلومات والطاقة اللاسلكية المتزامنة على أداء المكونات الفردية، مثل الهوائيات والمقومات ودوائر إدارة الطاقة. أُجريت العديد من الدراسات الاستقصائية لأجزاء مختلفة من النظام. يلخص الجدول 1 مرحلة تحويل الطاقة، والمكونات الرئيسية لتحويل الطاقة بكفاءة، والدراسات الاستقصائية ذات الصلة لكل جزء. تركز الدراسات الحديثة على تقنية تحويل الطاقة، وطوبولوجيات المقومات، أو RFEH المتوافقة مع الشبكة.
الشكل 1
مع ذلك، لا يُعتبر تصميم الهوائي عنصرًا أساسيًا في أنظمة الطاقة الراديوية عالية الطاقة (RFEH). على الرغم من أن بعض الدراسات تتناول عرض نطاق الهوائي وكفاءته من منظور عام أو من منظور تصميم هوائي محدد، مثل الهوائيات المصغرة أو القابلة للارتداء، إلا أن تأثير بعض معلمات الهوائي على استقبال الطاقة وكفاءة التحويل لم يُحلل بالتفصيل.
تستعرض هذه الورقة تقنيات تصميم الهوائيات في الهوائيات المستقيمة، بهدف التمييز بين تحديات تصميم هوائيات RFEH وWPT من جهة، وتصميم هوائيات الاتصالات القياسية من جهة أخرى. تُقارن الهوائيات من منظورين: مطابقة المعاوقة من طرف إلى طرف، وخصائص الإشعاع؛ وفي كل حالة، يُحدد FoM ويُراجع في هوائيات SoA الحديثة.
2. عرض النطاق الترددي والمطابقة: شبكات التردد اللاسلكي غير 50Ω
تُعدّ المعاوقة المميزة لـ 50Ω أحد الاعتبارات المبكرة للتوافق بين التوهين والقدرة في تطبيقات هندسة الموجات الدقيقة. في الهوائيات، يُعرّف عرض نطاق المعاوقة بأنه نطاق التردد الذي تكون فيه القدرة المنعكسة أقل من 10% (S11 < − 10 ديسيبل). ونظرًا لأن مُضخّمات الضوضاء المنخفضة (LNAs) ومُضخّمات القدرة والكاشفات تُصمّم عادةً بمطابقة معاوقة دخل 50Ω، فإن مصدر 50Ω يُعتمد عادةً.
في هوائي الاستقامة، يُغذّى خرج الهوائي مباشرةً إلى المُقوِّم، ويؤدي عدم خطية الصمام الثنائي إلى تباين كبير في معاوقة الدخل، مع سيطرة المكون السعوي. بافتراض هوائي 50 أوم، يتمثل التحدي الرئيسي في تصميم شبكة مطابقة ترددات لاسلكية إضافية لتحويل معاوقة الدخل إلى معاوقة المُقوِّم عند التردد المطلوب وتحسينها لمستوى طاقة محدد. في هذه الحالة، يلزم توفير عرض نطاق ترددي شامل لضمان كفاءة تحويل الترددات اللاسلكية إلى تيار مستمر. لذلك، على الرغم من أن الهوائيات يمكنها نظريًا تحقيق عرض نطاق ترددي لا نهائي أو واسع للغاية باستخدام عناصر دورية أو هندسة ذاتية التكامل، إلا أن عرض نطاق هوائي الاستقامة سيُحدّ من خلال شبكة مطابقة المُقوِّم.
تم اقتراح العديد من طوبولوجيات الهوائيات المستقيمة لتحقيق حصاد أحادي النطاق ومتعدد النطاقات (WPT) عن طريق تقليل الانعكاسات وتعظيم نقل الطاقة بين الهوائي والمقوم. يوضح الشكل 2 هياكل طوبولوجيات الهوائيات المستقيمة المذكورة، مصنفة حسب بنية مطابقة المعاوقة. يوضح الجدول 2 أمثلة على هوائيات مستقيمة عالية الأداء من حيث عرض النطاق الترددي من طرف إلى طرف (في هذه الحالة، FoM) لكل فئة.
الشكل 2 طوبولوجيات الهوائي المستقيم من منظور مطابقة النطاق الترددي والممانعة. (أ) هوائي مستقيم أحادي النطاق بهوائي قياسي. (ب) هوائي مستقيم متعدد النطاقات (يتكون من هوائيات متعددة مقترنة بشكل متبادل) مع مقوم واحد وشبكة مطابقة لكل نطاق. (ج) هوائي مستقيم عريض النطاق مع منافذ RF متعددة وشبكات مطابقة منفصلة لكل نطاق. (د) هوائي مستقيم عريض النطاق بهوائي عريض النطاق وشبكة مطابقة عريضة النطاق. (هـ) هوائي مستقيم أحادي النطاق باستخدام هوائي صغير كهربائيًا مطابق مباشرة للمقوم. (و) هوائي أحادي النطاق وكبير كهربائيًا بممانعة معقدة للاقتران بالمقوم. (ز) هوائي مستقيم عريض النطاق بممانعة معقدة للاقتران بالمقوم عبر نطاق من الترددات.
في حين أن هوائيات WPT وRFEH المحيطة من التغذية المخصصة تُعدّ تطبيقات مختلفة لهوائيات الاستقامة، فإن تحقيق المطابقة الشاملة بين الهوائي والمقوّم والحمل أمرٌ أساسي لتحقيق كفاءة تحويل طاقة عالية (PCE) من منظور عرض النطاق الترددي. ومع ذلك، تُركز هوائيات WPT الاستقامة بشكل أكبر على تحقيق مطابقة أعلى لعوامل الجودة (S11 أقل) لتحسين كفاءة تحويل الطاقة أحادية النطاق عند مستويات طاقة مُحددة (الطوبولوجيات a وe وf). يُحسّن عرض النطاق الترددي الواسع لهوائيات WPT أحادية النطاق مناعة النظام ضد عدم الضبط، وعيوب التصنيع، وطفيليات التغليف. من ناحية أخرى، تُعطي هوائيات RFEH الاستقامة الأولوية للتشغيل متعدد النطاقات وتنتمي إلى الطوبولوجيات bd وg، نظرًا لأن كثافة طيف الطاقة (PSD) لنطاق واحد تكون أقل عمومًا.
3. تصميم هوائي مستطيل
1. هوائي مستقيم أحادي التردد
يعتمد تصميم هوائيات الاستقامة أحادية التردد (الطوبولوجيا A) بشكل أساسي على تصميمات الهوائيات القياسية، مثل هوائيات الاستقطاب الخطي (LP) أو الاستقطاب الدائري (CP) ذات الرقعة الإشعاعية على مستوى الأرض، وهوائي ثنائي القطب، وهوائي F المقلوب. أما هوائيات الاستقامة ذات النطاق التفاضلي، فتعتمد على مصفوفة تيار مستمر مُركّبة بوحدات هوائي متعددة، أو مزيج من التيار المستمر والترددات الراديوية لوحدات رقعة متعددة.
بما أن العديد من الهوائيات المقترحة أحادية التردد وتلبي متطلبات WPT أحادية التردد، فعند البحث عن هوائيات RFEH متعددة الترددات بيئيًا، تُدمج هوائيات متعددة أحادية التردد في هوائيات مستقيمة متعددة النطاقات (الطوبولوجيا B) مع تثبيط الاقتران المتبادل ودمج تيار مستمر مستقل بعد دائرة إدارة الطاقة لعزلها تمامًا عن دائرة التقاط وتحويل الترددات الراديوية. يتطلب هذا دوائر إدارة طاقة متعددة لكل نطاق، مما قد يقلل من كفاءة محول التعزيز نظرًا لانخفاض طاقة التيار المستمر للنطاق الواحد.
2. هوائيات RFEH متعددة النطاقات وعريضة النطاق
غالبًا ما يرتبط استخدام هوائيات RFEH البيئية بالاستحواذ متعدد النطاقات؛ لذلك، طُرحت تقنيات متنوعة لتحسين عرض نطاق تصميمات الهوائيات القياسية، وطرق تشكيل مصفوفات هوائيات ثنائية النطاق أو نطاقية. في هذا القسم، نستعرض تصميمات هوائيات مخصصة لهوائيات RFEH، بالإضافة إلى هوائيات تقليدية متعددة النطاقات يمكن استخدامها كهوائيات مُستقيم.
تشغل هوائيات الدليل الموجي المستوي (CPW) أحادية القطب مساحة أقل من هوائيات الرقعة الشريطية الدقيقة عند نفس التردد، وتُنتج موجات LP أو CP، وتُستخدم غالبًا في هوائيات الاستقامة البيئية عريضة النطاق. تُستخدم مستويات الانعكاس لزيادة العزل وتحسين الكسب، مما ينتج عنه أنماط إشعاع مشابهة لهوائيات الرقعة. تُستخدم هوائيات الدليل الموجي المستوي المشقوق لتحسين عرض نطاق المعاوقة لنطاقات تردد متعددة، مثل 1.8-2.7 جيجاهرتز أو 1-3 جيجاهرتز. كما تُستخدم هوائيات الفتحات المقترنة التغذية وهوائيات الرقعة بشكل شائع في تصميمات هوائيات الاستقامة متعددة النطاقات. يوضح الشكل 3 بعض الهوائيات متعددة النطاقات المُبلغ عنها والتي تستخدم أكثر من تقنية لتحسين عرض النطاق.
الشكل 3
مطابقة معاوقة الهوائي والمقوم
تُعدّ مطابقة هوائي 50Ω مع مُقوِّم غير خطي أمرًا صعبًا نظرًا لاختلاف معاوقة دخله اختلافًا كبيرًا مع التردد. في الطوبولوجيات A وB (الشكل 2)، تُعدّ شبكة المطابقة الشائعة مطابقة LC باستخدام عناصر مُجمّعة؛ ومع ذلك، يكون عرض النطاق الترددي النسبي عادةً أقل من مُعظم نطاقات الاتصالات. تُستخدم مطابقة النطاق المُبكرة أحادية النطاق بشكل شائع في نطاقات الموجات الميكروية والموجات المليمترية التي تقل عن 6 جيجاهرتز، وتتميز هوائيات مُقوِّم الموجات المليمترية المُبلّغ عنها بعرض نطاق ترددي ضيق بطبيعته نظرًا لاختناق عرض نطاق PCE الخاص بها بسبب قمع التوافقيات الناتجة، مما يجعلها مُناسبة بشكل خاص لتطبيقات WPT أحادية النطاق في النطاق غير المُرخص 24 جيجاهرتز.
تتميز هوائيات المقوم في الطوبولوجيتين C وD بشبكات مطابقة أكثر تعقيدًا. وقد اقتُرحت شبكات مطابقة خطوط موزعة بالكامل لمطابقة النطاق العريض، مع وجود دائرة قصر في الترددات الراديوية/التيار المستمر (مرشح تمرير) عند منفذ الخرج أو مكثف مانع للتيار المستمر كمسار عودة لتوافقيات الصمام الثنائي. يمكن استبدال مكونات المقوم بمكثفات مترابطة على لوحة دوائر مطبوعة (PCB)، والتي تُصنّع باستخدام أدوات أتمتة التصميم الإلكتروني التجارية. تجمع شبكات مطابقة هوائيات المقوم الأخرى ذات النطاق العريض، والمذكورة سابقًا، بين عناصر مجمعة لمطابقة الترددات المنخفضة وعناصر موزعة لإنشاء قصر في الترددات الراديوية عند المدخل.
استُخدم تغيير معاوقة الدخل التي يرصدها الحمل عبر مصدر (المعروفة بتقنية سحب المصدر) لتصميم مُقوِّم نطاق عريض بعرض نطاق نسبي يبلغ 57% (1.25-2.25 جيجاهرتز) ومعامل كفاءة طاقة أعلى بنسبة 10% مقارنةً بالدوائر المُجمّعة أو الموزعة. على الرغم من أن شبكات المطابقة تُصمّم عادةً لمطابقة الهوائيات على كامل عرض النطاق الترددي 50 أوم، إلا أن هناك تقارير في الأدبيات العلمية تُشير إلى توصيل هوائيات النطاق العريض بمقومات نطاق ضيق.
استُخدمت شبكات مطابقة العناصر المُجمّعة والموزّعة الهجينة على نطاق واسع في الطوبولوجيات C وD، حيث تُعدّ المحاثات والمكثفات المتسلسلة أكثر العناصر المُجمّعة استخدامًا. تُجنّب هذه الشبكات الهياكل المُعقّدة، مثل المكثفات المُتشابكة، التي تتطلب نمذجةً وتصنيعًا أكثر دقةً من خطوط الشرائط الدقيقة القياسية.
تؤثر طاقة الدخل إلى المُقوِّم على معاوقة الدخل نظرًا لعدم خطية الصمام الثنائي. لذلك، صُمم هوائي المُقوِّم لزيادة مُعاوقة الحمل (PCE) إلى أقصى حد عند مستوى طاقة دخل مُحدد ومعاوقة حمل. ونظرًا لأن الثنائيات تتميز بمعاوقة عالية سعوية بشكل أساسي عند ترددات أقل من 3 جيجاهرتز، فقد رُكِّزت هوائيات المُقوِّمات عريضة النطاق، التي تُلغي شبكات المطابقة أو تُقلِّل من دوائر المطابقة المُبسَّطة، على الترددات التي تتراوح بين 0 ديسيبل ميلي واط و1 جيجاهرتز، نظرًا لانخفاض معاوقة الثنائيات السعوية، وسهولة توافقها مع الهوائي، مما يُجنِّب تصميم هوائيات بمفاعلات دخل تزيد عن 1000 أوم.
شوهدت مطابقة معاوقة تكيفية أو قابلة لإعادة التشكيل في هوائيات CMOS، حيث تتكون شبكة المطابقة من مجموعات مكثفات ومحثات مدمجة على الشريحة. كما اقتُرحت شبكات مطابقة CMOS ثابتة لهوائيات 50Ω القياسية، بالإضافة إلى هوائيات حلقية مصممة بشكل مشترك. وأُفيد بأن كاشفات طاقة CMOS سلبية تُستخدم للتحكم في المفاتيح التي تُوجِّه خرج الهوائي إلى مُقوِّمات مختلفة وشبكات مطابقة حسب الطاقة المتاحة. اقتُرحت شبكة مطابقة قابلة لإعادة التشكيل باستخدام مكثفات مُجمَّعة قابلة للضبط، والتي تُضبط بدقة أثناء قياس معاوقة الدخل باستخدام مُحلل شبكة متجه. في شبكات مطابقة الشرائط الدقيقة القابلة لإعادة التشكيل، استُخدمت مفاتيح ترانزستور تأثير المجال لضبط أطراف المطابقة لتحقيق خصائص النطاق المزدوج.
لمعرفة المزيد عن الهوائيات، يرجى زيارة:
وقت النشر: 9 أغسطس 2024
