التصميم المشترك لمقوم الهوائي
إن خاصية الهوائيات التي تتبع طوبولوجيا EG في الشكل 2 هي أن الهوائي يتطابق مباشرة مع المقوم، بدلاً من معيار 50Ω، الأمر الذي يتطلب تقليل أو إزالة دائرة المطابقة لتشغيل المقوم. يستعرض هذا القسم مزايا هوائيات SoA مع هوائيات غير 50 أوم، وهوائيات بدون شبكات مطابقة.
1. هوائيات صغيرة كهربائياً
تم استخدام الهوائيات الحلقية الرنانة LC على نطاق واسع في التطبيقات التي يكون فيها حجم النظام أمرًا بالغ الأهمية. عند الترددات التي تقل عن 1 GHz، قد يتسبب طول الموجة في أن تشغل هوائيات العناصر الموزعة القياسية مساحة أكبر من الحجم الإجمالي للنظام، وتستفيد تطبيقات مثل أجهزة الإرسال والاستقبال المتكاملة تمامًا للمزروعات في الجسم بشكل خاص من استخدام هوائيات صغيرة كهربائيًا من أجل إرسال القدرة لاسلكيًا (WPT).
يمكن استخدام المعاوقة الحثية العالية للهوائي الصغير (بالقرب من الرنين) لربط المقوم مباشرة أو مع شبكة مطابقة سعوية إضافية على الرقاقة. تم الإبلاغ عن هوائيات صغيرة كهربائياً في WPT مع LP وCP أقل من 1 GHz باستخدام هوائيات Huygens ثنائية القطب، مع ka=0,645، بينما ka=5,91 في ثنائيات أقطاب عادية (ka=2πr/0).
2. الهوائي المترافق المعدل
إن معاوقة الإدخال النموذجية للديود ذات سعة عالية، لذا يلزم وجود هوائي حثي لتحقيق المعاوقة المترافقة. نظرًا للممانعة السعوية للرقاقة، تم استخدام الهوائيات الحثية ذات المعاوقة العالية على نطاق واسع في علامات RFID. أصبحت الهوائيات ثنائية القطب مؤخرًا اتجاهًا في هوائيات RFID ذات المعاوقة المعقدة، حيث تظهر مقاومة عالية (المقاومة والمفاعلة) بالقرب من تردد الرنين.
تم استخدام هوائيات ثنائية القطب حثي لتتناسب مع السعة العالية للمقوم في نطاق التردد محل الاهتمام. في الهوائي ثنائي القطب المطوي، يعمل الخط القصير المزدوج (طي ثنائي القطب) كمحول مقاومة، مما يسمح بتصميم هوائي ذو مقاومة عالية للغاية. وبدلاً من ذلك، تكون التغذية المتحيزة مسؤولة عن زيادة المفاعلة الحثية بالإضافة إلى الممانعة الفعلية. إن الجمع بين عناصر ثنائية القطب المتعددة المتحيزة مع بذرة شعاعية غير متوازنة يشكل هوائيًا مزدوج النطاق عريض المعاوقة. ويبين الشكل 4 بعض الهوائيات المترافقة للمقوم المبلغ عنها.
الشكل 4
خصائص الإشعاع في RFEH وWPT
في نموذج Friis، تعد القدرة PRX التي يستقبلها هوائي على مسافة d من المرسل دالة مباشرة لكسب المستقبل والمرسل (GRX، GTX).
يؤثر اتجاه واستقطاب الفص الرئيسي للهوائي بشكل مباشر على كمية الطاقة المجمعة من الموجة الساقطة. وخصائص إشعاع الهوائي هي معلمات رئيسية تميز بين RFEH المحيط وWPT (الشكل 5). وفي حين أن وسط الانتشار قد يكون غير معروف في كلا التطبيقين ويجب مراعاة تأثيره على الموجة المستقبلة، فمن الممكن استغلال المعرفة بهوائي الإرسال. ويحدد الجدول 3 المعلمات الرئيسية التي تمت مناقشتها في هذا القسم وإمكانية تطبيقها على RFEH وWPT.
الشكل 5
1. الاتجاهية والكسب
في معظم تطبيقات RFEH وWPT، يُفترض أن المجمع لا يعرف اتجاه الإشعاع الساقط ولا يوجد مسير على خط البصر (LoS). في هذا العمل، تم دراسة تصميمات ومواضع متعددة للهوائيات لتعظيم الطاقة المستقبلة من مصدر غير معروف، بغض النظر عن محاذاة الفص الرئيسي بين المرسل والمستقبل.
تم استخدام الهوائيات متعددة الاتجاهات على نطاق واسع في هوائيات RFEH البيئية. في الأدبيات، يختلف PSD اعتمادًا على اتجاه الهوائي. ومع ذلك، لم يتم تفسير التباين في القدرة، لذلك ليس من الممكن تحديد ما إذا كان التباين يرجع إلى مخطط إشعاع الهوائي أو إلى عدم تطابق الاستقطاب.
بالإضافة إلى تطبيقات RFEH، تم الإبلاغ على نطاق واسع عن هوائيات ومصفوفات اتجاهية عالية الكسب لتقنية WPT بالموجات الصغرية لتحسين كفاءة التجميع لكثافة قدرة التردد الراديوي المنخفضة أو التغلب على خسائر الانتشار. تعد مصفوفات هوائي Yagi-Uda، ومصفوفات ربطة العنق، والمصفوفات الحلزونية، ومصفوفات Vivaldi المقترنة بإحكام، ومصفوفات CPW CP، ومصفوفات التصحيح من بين تطبيقات الهوائي القابلة للتطوير والتي يمكنها زيادة كثافة طاقة الحادث إلى أقصى حد تحت منطقة معينة. وتشمل الأساليب الأخرى لتحسين كسب الهوائي تكنولوجيا الدليل الموجي المتكامل للركيزة (SIW) في نطاقات الموجات الصغرية والمليمترية الخاصة بتقنية WPT. ومع ذلك، تتميز الهوائيات ذات الكسب العالي بعرض حزمة ضيق، مما يجعل استقبال الموجات في اتجاهات عشوائية غير فعال. خلصت التحقيقات في عدد عناصر الهوائي والمنافذ إلى أن الاتجاهية الأعلى لا تتوافق مع القدرة المجمعة الأعلى في RFEH المحيطة بافتراض حدوث تعسفي ثلاثي الأبعاد؛ تم التحقق من ذلك من خلال القياسات الميدانية في البيئات الحضرية. يمكن أن تقتصر المصفوفات عالية الكسب على تطبيقات WPT.
لنقل فوائد الهوائيات عالية الكسب إلى RFEHs التعسفية، يتم استخدام حلول التغليف أو التخطيط للتغلب على مشكلة الاتجاهية. يُقترح استخدام سوار معصم هوائي مزدوج التصحيح لحصد الطاقة من شبكات Wi-Fi RFEHs المحيطة في اتجاهين. تم تصميم هوائيات RFEH الخلوية المحيطة أيضًا على شكل صناديق ثلاثية الأبعاد وتم طباعتها أو لصقها على الأسطح الخارجية لتقليل مساحة النظام وتمكين الحصاد متعدد الاتجاهات. تُظهر هياكل المستقيم المكعب احتمالًا أعلى لاستقبال الطاقة في RFEHs المحيطة.
وأُدخلت تحسينات على تصميم الهوائي لزيادة عرض الحزمة، بما في ذلك عناصر التصحيح الطفيلية المساعدة، لتحسين إرسال القدرة لاسلكياً (WPT) عند 2,4 جيجاهرتز، ومصفوفات 4 × 1. تم أيضًا اقتراح هوائي شبكي بتردد 6 جيجاهرتز مع مناطق شعاع متعددة، مما يوضح حزم متعددة لكل منفذ. تم اقتراح هوائيات سطحية متعددة المنافذ ومتعددة المقومات وهوائيات تجميع الطاقة ذات أنماط إشعاع شاملة الاتجاهات من أجل RFEH متعدد الاتجاهات ومتعدد الاستقطاب. تم أيضًا اقتراح مقومات متعددة مع مصفوفات تشكيل الحزم وصفائف هوائيات متعددة المنافذ لتجميع الطاقة عالية الكسب ومتعددة الاتجاهات.
وباختصار، في حين أن الهوائيات ذات الكسب العالي مفضلة لتحسين القدرة المجمعة من كثافات التردد الراديوي المنخفضة، فإن المستقبلات عالية الاتجاه قد لا تكون مثالية في التطبيقات التي يكون فيها اتجاه المرسل غير معروف (مثل RFEH أو WPT المحيط عبر قنوات انتشار غير معروفة). يُقترح في هذا العمل نُهج متعددة الحزم من أجل إرسال القدرة لاسلكياً (WPT) عالي الكسب ومتعددة الاتجاهات وRFEH.
2. استقطاب الهوائي
يصف استقطاب الهوائي حركة متجه المجال الكهربائي بالنسبة لاتجاه انتشار الهوائي. يمكن أن تؤدي حالات عدم تطابق الاستقطاب إلى انخفاض الإرسال/الاستقبال بين الهوائيات حتى عندما تكون اتجاهات الفص الرئيسي محاذية. على سبيل المثال، إذا تم استخدام هوائي LP عمودي للإرسال وهوائي LP أفقي للاستقبال، فلن يتم استقبال أي طاقة. في هذا القسم، تتم مراجعة الطرق المبلغ عنها لزيادة كفاءة الاستقبال اللاسلكي وتجنب خسائر عدم تطابق الاستقطاب. ويرد في الشكل 6 ملخص لبنية المستقيم المقترحة فيما يتعلق بالاستقطاب، ويرد مثال SoA في الجدول 4.
الشكل 6
في الاتصالات الخلوية، من غير المرجح أن يتم تحقيق محاذاة الاستقطاب الخطي بين المحطات الأساسية والهواتف المحمولة، لذلك تم تصميم هوائيات المحطة الأساسية لتكون ثنائية الاستقطاب أو متعددة الاستقطاب لتجنب خسائر عدم تطابق الاستقطاب. ومع ذلك، فإن تباين استقطاب موجات LP بسبب تأثيرات المسارات المتعددة يظل مشكلة لم يتم حلها. استناداً إلى افتراض وجود محطات قاعدة متنقلة متعددة الاستقطاب، تم تصميم هوائيات RFEH الخلوية كهوائيات LP.
تُستخدم هوائيات CP أساساً في تكنولوجيا WPT لأنها مقاومة نسبياً لعدم التطابق. هوائيات CP قادرة على استقبال إشعاع CP بنفس اتجاه الدوران (CP أعسر أو يمين) بالإضافة إلى جميع موجات LP دون فقدان الطاقة. على أية حال، يرسل هوائي CP ويستقبل هوائي LP بخسارة قدرها 3 ديسيبل (فقدان الطاقة بنسبة 50%). تم الإبلاغ عن أن هوائيات CP مناسبة للنطاقات الصناعية والعلمية والطبية بتردد 900 ميجا هرتز و2.4 جيجا هرتز و5.8 جيجا هرتز بالإضافة إلى الموجات المليمترية. في RFEH للموجات المستقطبة تعسفًا، يمثل تنوع الاستقطاب حلاً محتملاً لخسائر عدم تطابق الاستقطاب.
تم اقتراح الاستقطاب الكامل، المعروف أيضًا باسم الاستقطاب المتعدد، للتغلب تمامًا على خسائر عدم تطابق الاستقطاب، مما يتيح جمع كل من موجات CP وLP، حيث يتلقى عنصران LP متعامدان مزدوج الاستقطاب بشكل فعال جميع موجات LP وCP. لتوضيح ذلك، تظل الجهود الصافية الرأسية والأفقية (VV وVH) ثابتة بغض النظر عن زاوية الاستقطاب:
المجال الكهربائي للموجة الكهرومغناطيسية CP "E"، حيث يتم جمع الطاقة مرتين (مرة واحدة لكل وحدة)، وبالتالي استقبال مكون CP بالكامل والتغلب على خسارة عدم تطابق الاستقطاب البالغة 3 ديسيبل:
أخيرًا، من خلال مجموعة التيار المستمر، يمكن استقبال موجات عرضية من الاستقطاب التعسفي. يوضح الشكل 7 هندسة الهوائي المستقطب بالكامل المُبلغ عنه.
الشكل 7
وخلاصة القول، في تطبيقات WPT المزودة بإمدادات طاقة مخصصة، يُفضل CP لأنه يحسن كفاءة WPT بغض النظر عن زاوية استقطاب الهوائي. من ناحية أخرى، في الحصول على مصادر متعددة، خاصة من المصادر المحيطة، يمكن للهوائيات المستقطبة بالكامل تحقيق استقبال عام أفضل وأقصى قابلية للنقل؛ مطلوب بنيات متعددة المنافذ/متعددة المقومات لدمج الطاقة المستقطبة بالكامل عند الترددات اللاسلكية أو التيار المستمر.
ملخص
تستعرض هذه الورقة التقدم المحرز مؤخراً في تصميم هوائيات RFEH وWPT، وتقترح تصنيفاً موحداً لتصميم هوائيات RFEH وWPT لم يتم اقتراحه في المؤلفات السابقة. تم تحديد ثلاثة متطلبات أساسية للهوائي لتحقيق كفاءة عالية من التردد اللاسلكي إلى التيار المباشر على النحو التالي:
1 عرض نطاق معاوقة مقوم الهوائي لنطاقي RFEH وWPT المعنيين؛
2. محاذاة الفص الرئيسي بين المرسل والمستقبل في تكنولوجيا 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 مترافقة بقدرة 50 أوم ومقوم، مع التركيز على مطابقة المعاوقة بين النطاقات والأحمال المختلفة وكفاءة كل طريقة مطابقة.
تمت مراجعة خصائص الإشعاع الخاصة بأجهزة تقويم SoA من منظور الاتجاهية والاستقطاب. وتناقش طرق تحسين الكسب عن طريق تشكيل الحزم والتعبئة للتغلب على عرض الحزمة الضيق. وأخيراً، تتم مراجعة هوائيات CP الخاصة بـ WPT، إلى جانب العديد من التطبيقات لتحقيق استقبال مستقل عن الاستقطاب لـ WPT وRFEH.
لمعرفة المزيد عن الهوائيات، يرجى زيارة:
وقت النشر: 16 أغسطس 2024
