التصميم المشترك للهوائي والمقوم
تتميز هوائيات الاستقامة التي تتبع طوبولوجيا EG الموضحة في الشكل 2 بتوافقها المباشر مع المقوم، بدلاً من معيار 50Ω، الذي يتطلب تقليل أو إزالة دائرة المطابقة لتشغيل المقوم. يستعرض هذا القسم مزايا هوائيات الاستقامة SoA مع هوائيات غير 50Ω، وهوائيات الاستقامة بدون شبكات مطابقة.
1. الهوائيات الكهربائية الصغيرة
استُخدمت هوائيات الحلقة الرنانة LC على نطاق واسع في التطبيقات التي يكون فيها حجم النظام بالغ الأهمية. عند ترددات أقل من 1 جيجاهرتز، قد يتسبب الطول الموجي في أن تشغل هوائيات العناصر الموزعة القياسية مساحة أكبر من الحجم الإجمالي للنظام، وتستفيد تطبيقات مثل أجهزة الإرسال والاستقبال المتكاملة بالكامل لغرسات الجسم بشكل خاص من استخدام هوائيات صغيرة كهربائيًا في WPT.
يمكن استخدام المعاوقة الحثية العالية للهوائي الصغير (شبه الرنين) لربط المقوم مباشرةً أو بشبكة مطابقة سعوية إضافية على الشريحة. تم تسجيل هوائيات صغيرة كهربائيًا في WPT بترددات LP وCP أقل من 1 جيجاهرتز باستخدام هوائيات ثنائية القطب من نوع Huygens، حيث ka=0.645، بينما ka=5.91 في ثنائيات القطب العادية (ka=2πr/λ0).
2. هوائي مُقَوِّم مُتَقَارِن
تتميز معاوقة الدخل النموذجية للثنائي الثنائي بسعة عالية، لذا يلزم هوائي حثي لتحقيق معاوقة مترافقة. ونظرًا للمعاوقة السعوية للرقاقة، استُخدمت الهوائيات الحثية عالية الممانعة على نطاق واسع في علامات تحديد الترددات الراديوية (RFID). وقد أصبحت الهوائيات ثنائية القطب مؤخرًا اتجاهًا رائجًا في هوائيات تحديد الترددات الراديوية ذات الممانعة المعقدة، حيث تتميز بممانعة عالية (مقاومة ومفاعلة) قريبة من ترددها الرنيني.
استُخدمت هوائيات ثنائية القطب الحثية لمواءمة السعة العالية للمقوم في نطاق التردد المطلوب. في هوائي ثنائي القطب المطوي، يعمل الخط القصير المزدوج (طي ثنائي القطب) كمحول معاوقة، مما يسمح بتصميم هوائي ذي معاوقة عالية للغاية. كبديل، تكون تغذية الانحياز مسؤولة عن زيادة المفاعلة الحثية بالإضافة إلى المعاوقة الفعلية. يُشكل دمج عدة عناصر ثنائية القطب متحيزة مع أطراف شعاعية غير متوازنة على شكل ربطة عنق هوائيًا مزدوج النطاق عريضًا وعالي المعاوقة. يوضح الشكل 4 بعض هوائيات المقوم المترافقة المذكورة.
الشكل 4
خصائص الإشعاع في RFEH و WPT
في نموذج Friis، تكون القدرة PRX التي يستقبلها هوائي على مسافة d من المرسل عبارة عن دالة مباشرة لمكاسب المستقبل والمرسل (GRX، GTX).
يؤثر اتجاه واستقطاب الفص الرئيسي للهوائي بشكل مباشر على كمية الطاقة المُجمعة من الموجة الساقطة. تُعد خصائص إشعاع الهوائي من المعايير الرئيسية التي تُميز بين RFFEH المحيط وWPT (الشكل 5). في كلا التطبيقين، قد يكون وسط الانتشار غير معروف، ويجب مراعاة تأثيره على الموجة المُستقبَلة، إلا أنه يُمكن الاستفادة من معرفة هوائي الإرسال. يُحدد الجدول 3 المعايير الرئيسية التي تمت مناقشتها في هذا القسم وإمكانية تطبيقها على RFFEH وWPT.
الشكل 5
1. الاتجاهية والمكسب
في معظم تطبيقات RFEH وWPT، يُفترض أن المُجمِّع لا يعرف اتجاه الإشعاع الساقط، ولا يوجد مسار خط رؤية (LoS). في هذا العمل، تم دراسة تصميمات ومواضع متعددة للهوائيات لتعظيم الطاقة المُستقبَلة من مصدر غير معروف، بغض النظر عن محاذاة الفص الرئيسي بين المُرسِل والمُستقبِل.
استُخدمت الهوائيات متعددة الاتجاهات على نطاق واسع في هوائيات RFEH البيئية. في الدراسات، يختلف توزيع الطاقة (PSD) باختلاف اتجاه الهوائي. مع ذلك، لم يُفسَّر هذا الاختلاف في القدرة، لذا لا يُمكن تحديد ما إذا كان الاختلاف ناتجًا عن نمط إشعاع الهوائي أو عن عدم تطابق الاستقطاب.
بالإضافة إلى تطبيقات RFEH، تم الإبلاغ على نطاق واسع عن استخدام هوائيات ومصفوفات اتجاهية عالية الكسب في WPT بالموجات الدقيقة لتحسين كفاءة جمع كثافة طاقة التردد اللاسلكي المنخفضة أو التغلب على خسائر الانتشار. تُعد مصفوفات هوائيات Yagi-Uda، ومصفوفات Bowtie، والمصفوفات الحلزونية، ومصفوفات Vivaldi المقترنة بإحكام، ومصفوفات CPW CP، ومصفوفات التصحيح من بين تطبيقات هوائيات التوجيه القابلة للتطوير التي يمكنها تعظيم كثافة الطاقة الساقطة تحت منطقة معينة. تشمل الطرق الأخرى لتحسين كسب الهوائي تقنية الدليل الموجي المتكامل للركيزة (SIW) في نطاقات الموجات الدقيقة والمليمترية، والخاصة بـ WPT. ومع ذلك، تتميز هوائيات التوجيه عالية الكسب بضيق عرض الحزمة، مما يجعل استقبال الموجات في اتجاهات عشوائية غير فعال. خلصت الدراسات التي أجريت على عدد عناصر ومنافذ الهوائي إلى أن الاتجاهية العالية لا تتوافق مع زيادة الطاقة المحصودة في RFEH المحيطة بافتراض حدوث عشوائي ثلاثي الأبعاد؛ وقد تم التحقق من ذلك من خلال القياسات الميدانية في البيئات الحضرية. يمكن أن تقتصر المصفوفات ذات الكسب العالي على تطبيقات WPT.
لنقل فوائد الهوائيات عالية الكسب إلى هوائيات RFEHs عشوائية، تُستخدم حلول التغليف أو التصميم للتغلب على مشكلة الاتجاهية. يُقترح سوار هوائي ثنائي الرقعة لجمع الطاقة من هوائيات RFEHs المحيطة بشبكة Wi-Fi في اتجاهين. كما تُصمم هوائيات RFEH الخلوية المحيطة على شكل صناديق ثلاثية الأبعاد، وتُطبع أو تُلصق على الأسطح الخارجية لتقليل مساحة النظام وتمكين جمع الطاقة متعدد الاتجاهات. تُظهر هياكل الهوائيات المستطيلة المكعبة احتمالية أعلى لاستقبال الطاقة في هوائيات RFEHs المحيطة.
أُجريت تحسينات على تصميم الهوائي لزيادة عرض الحزمة، بما في ذلك عناصر رقعة طفيلية مساعدة، لتحسين نقل الطاقة لاسلكيًا عند تردد 2.4 جيجاهرتز، باستخدام مصفوفات 4 × 1. كما اقتُرح هوائي شبكي بتردد 6 جيجاهرتز مع مناطق حزمة متعددة، مما يُظهر حزمًا متعددة لكل منفذ. وقد اقتُرحت هوائيات تصحيح سطحية متعددة المنافذ ومتعددة المقومات، وهوائيات حصاد طاقة ذات أنماط إشعاع شاملة الاتجاهات لـ RFEH متعدد الاتجاهات ومتعدد الاستقطاب. كما اقتُرحت مقومات متعددة مع مصفوفات تشكيل الحزمة ومصفوفات هوائيات متعددة المنافذ لحصاد طاقة عالي الكسب ومتعدد الاتجاهات.
باختصار، في حين تُفضّل الهوائيات عالية الكسب لتحسين القدرة المُحصّلة من كثافات الترددات الراديوية المنخفضة، إلا أن أجهزة الاستقبال عالية الاتجاه قد لا تكون مثالية في التطبيقات التي يكون فيها اتجاه المُرسِل غير معروف (مثلاً، هوائيات لاسلكية عالية الكسب (RFEH) أو هوائيات لاسلكية عالية الطاقة (WPT) عبر قنوات انتشار غير معروفة). في هذا العمل، تُقترح عدة طرق متعددة الحزم لأنظمة هوائيات لاسلكية عالية الكسب (WPT) وهيئات لاسلكية عالية الطاقة (RFEH) متعددة الاتجاهات.
2. استقطاب الهوائي
يصف استقطاب الهوائي حركة متجه المجال الكهربائي بالنسبة لاتجاه انتشار الهوائي. قد يؤدي عدم تطابق الاستقطاب إلى انخفاض الإرسال/الاستقبال بين الهوائيات حتى عند محاذاة اتجاهات الفصوص الرئيسية. على سبيل المثال، إذا استُخدم هوائي عمودي منخفض التردد للإرسال وهوائي أفقي منخفض التردد للاستقبال، فلن يتم استقبال أي طاقة. في هذا القسم، نستعرض الطرق المذكورة لتعظيم كفاءة الاستقبال اللاسلكي وتجنب خسائر عدم تطابق الاستقطاب. يُقدم الشكل 6 ملخصًا لبنية الهوائي المُستقيم المقترحة فيما يتعلق بالاستقطاب، ويرد مثال على SoA في الجدول 4.
الشكل 6
في الاتصالات الخلوية، من غير المرجح تحقيق محاذاة استقطاب خطية بين محطات القاعدة والهواتف المحمولة، لذلك صُممت هوائيات محطات القاعدة لتكون ثنائية الاستقطاب أو متعددة الاستقطاب لتجنب خسائر عدم تطابق الاستقطاب. ومع ذلك، لا يزال تباين استقطاب موجات LP الناتج عن تأثيرات تعدد المسارات مشكلةً قائمة. بناءً على افتراض محطات القاعدة المتنقلة متعددة الاستقطاب، صُممت هوائيات RFEH الخلوية كهوائيات LP.
تُستخدم هوائيات CP المُقوّمة بشكل رئيسي في تقنية WPT نظرًا لمقاومتها النسبية لعدم التوافق. تستطيع هوائيات CP استقبال إشعاعات CP بنفس اتجاه الدوران (أي يسار أو يمين) بالإضافة إلى جميع موجات LP دون فقدان للطاقة. على أي حال، يُرسل هوائي CP ويستقبل هوائي LP بفقدان 3 ديسيبل (50% من الطاقة). يُقال إن هوائيات CP المُقوّمة مناسبة لنطاقات الترددات 900 ميجاهرتز و2.4 جيجاهرتز و5.8 جيجاهرتز الصناعية والعلمية والطبية، بالإضافة إلى موجات المليمتر. في حالة RFEH للموجات ذات الاستقطاب العشوائي، يُمثل تنوع الاستقطاب حلاً محتملاً لفقدان عدم توافق الاستقطاب.
اقتُرح الاستقطاب الكامل، المعروف أيضًا باسم الاستقطاب المتعدد، للتغلب تمامًا على خسائر عدم تطابق الاستقطاب، مما يُمكّن من تجميع موجات CP وLP، حيث يستقبل عنصرا LP متعامدان ثنائيا الاستقطاب جميع موجات LP وCP بفعالية. ولتوضيح ذلك، تبقى الجهدتان الصافيتان الرأسية والأفقية (VV وVH) ثابتتين بغض النظر عن زاوية الاستقطاب.
مجال كهربائي للموجة الكهرومغناطيسية CP "E"، حيث يتم جمع الطاقة مرتين (مرة واحدة لكل وحدة)، وبالتالي استقبال مكون CP بالكامل والتغلب على خسارة عدم تطابق الاستقطاب بمقدار 3 ديسيبل:
أخيرًا، من خلال دمج التيار المستمر، يمكن استقبال موجات واردة ذات استقطاب عشوائي. يوضح الشكل 7 هندسة الهوائي المستقيمي المستقطب بالكامل المذكور.
الشكل 7
باختصار، في تطبيقات WPT المزودة بمصادر طاقة مخصصة، يُفضّل استخدام هوائيات الاستقطاب الكامل (CP) لتحسين كفاءة WPT بغض النظر عن زاوية استقطاب الهوائي. من ناحية أخرى، في عمليات الاستقطاب متعددة المصادر، وخاصةً من مصادر محيطة، يمكن للهوائيات ذات الاستقطاب الكامل تحقيق استقبال إجمالي أفضل وأقصى قدر من قابلية النقل؛ وتتطلب هياكل متعددة المنافذ/المقومات الجمع بين الطاقة ذات الاستقطاب الكامل عند الترددات الراديوية أو التيار المستمر.
ملخص
تستعرض هذه الورقة البحثية التطورات الحديثة في تصميم هوائيات الترددات الراديوية عالية الطاقة (RFEH) والترددات اللاسلكية عالية الطاقة (WPT)، وتقترح تصنيفًا معياريًا لتصميم هوائيات الترددات الراديوية عالية الطاقة (RFEH) والترددات اللاسلكية عالية الطاقة (WPT) لم يُقترح في الدراسات السابقة. وقد تم تحديد ثلاثة متطلبات أساسية للهوائيات لتحقيق كفاءة عالية في تحويل الترددات الراديوية إلى تيار مستمر، وهي:
1. عرض نطاق معاوقة مقوم الهوائي لنطاقات RFEH وWPT ذات الاهتمام؛
2. محاذاة الفص الرئيسي بين المرسل والمستقبل في WPT من تغذية مخصصة؛
3. مطابقة الاستقطاب بين الهوائي والموجة الساقطة بغض النظر عن الزاوية والموضع.
بناءً على المعاوقة، يتم تصنيف الهوائيات المستقيمة إلى هوائيات مستقيمة مترافقة مع 50Ω وهوائيات مستقيمة مترافقة مع مقوم، مع التركيز على مطابقة المعاوقة بين النطاقات والأحمال المختلفة وكفاءة كل طريقة مطابقة.
تمت مراجعة خصائص الإشعاع لهوائيات SoA المُقوِّمة من منظور الاتجاهية والاستقطاب. وناقشت طرق تحسين الكسب عن طريق تشكيل الحزمة والتغليف للتغلب على ضيق عرض الحزمة. وأخيرًا، تمت مراجعة هوائيات CP المُقوِّمة لـ WPT، بالإضافة إلى تطبيقات متنوعة لتحقيق استقبال مستقل عن الاستقطاب لـ WPT وRFEH.
لمعرفة المزيد عن الهوائيات، يرجى زيارة:
وقت النشر: ١٦ أغسطس ٢٠٢٤
