التصميم المشترك للهوائي والمقوم
تتميز هوائيات التقويم التي تتبع بنية EG الموضحة في الشكل 2 بمطابقة الهوائي مباشرةً مع المقوم، بدلاً من معيار 50 أوم، مما يستلزم تقليل دائرة المطابقة أو إزالتها تمامًا لتشغيل المقوم. يستعرض هذا القسم مزايا هوائيات التقويم SoA المزودة بهوائيات غير 50 أوم، بالإضافة إلى هوائيات التقويم التي لا تحتوي على شبكات مطابقة.
1. هوائيات صغيرة كهربائياً
تُستخدم هوائيات الرنين الحلقية LC على نطاق واسع في التطبيقات التي يكون فيها حجم النظام عاملاً حاسماً. عند الترددات الأقل من 1 جيجاهرتز، قد يتسبب الطول الموجي في أن تشغل هوائيات العناصر الموزعة القياسية مساحة أكبر من الحجم الكلي للنظام، وتستفيد تطبيقات مثل أجهزة الإرسال والاستقبال المتكاملة بالكامل لزراعة الأجهزة الطبية بشكل خاص من استخدام هوائيات صغيرة الحجم كهربائياً لنقل الطاقة لاسلكياً.
يمكن استخدام المعاوقة الحثية العالية للهوائي الصغير (بالقرب من الرنين) لربط المقوم مباشرةً أو بشبكة مطابقة سعوية إضافية على الشريحة. وقد تم الإبلاغ عن هوائيات صغيرة كهربائيًا في نقل الطاقة اللاسلكي مع استقطاب خطي واستقطاب دائري أقل من 1 جيجاهرتز باستخدام هوائيات ثنائية القطب من نوع هيغنز، حيث ka=0.645، بينما ka=5.91 في ثنائيات القطب العادية (ka=2πr/λ0).
2. هوائي مقوم مترافق
تتميز معاوقة الدخل النموذجية للدايود بسعة عالية، لذا يلزم استخدام هوائي حثي لتحقيق معاوقة مترافقة. ونظرًا لمعاوقة السعة للشريحة، فقد شاع استخدام الهوائيات الحثية ذات المعاوقة العالية في بطاقات تعريف الترددات الراديوية (RFID). وقد أصبحت هوائيات ثنائية القطب مؤخرًا من الاتجاهات الشائعة في هوائيات RFID ذات المعاوقة المعقدة، حيث تُظهر معاوقة عالية (مقاومة ومفاعلة) بالقرب من تردد رنينها.
استُخدمت هوائيات ثنائية القطب الحثية لمطابقة 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. بدلاً من ذلك، يُسهم التغذية الانحيازية في زيادة المفاعلة الحثية بالإضافة إلى المعاوقة الفعلية. يؤدي دمج عناصر ثنائية القطب متعددة منحازة مع أطراف شعاعية غير متوازنة على شكل فراشة إلى تكوين هوائي ثنائي النطاق عريض ذي معاوقة عالية. يوضح الشكل 4 بعض هوائيات المقوم المترافقة المذكورة في الدراسات السابقة.
الشكل 4
خصائص الإشعاع في RFEH و WPT
في نموذج فريس، فإن القدرة PRX التي يستقبلها الهوائي على مسافة d من جهاز الإرسال هي دالة مباشرة لمكاسب جهاز الاستقبال وجهاز الإرسال (GRX، GTX).
تؤثر خاصية توجيه واستقطاب الفص الرئيسي للهوائي بشكل مباشر على كمية الطاقة المُجمّعة من الموجة الساقطة. تُعد خصائص إشعاع الهوائي من المعايير الأساسية التي تُميز بين تقنية جمع الطاقة الراديوية في البيئة المحيطة (RFEH) وتقنية نقل الطاقة اللاسلكية (WPT) (الشكل 5). في حين أن وسط الانتشار قد يكون غير معروف في كلا التطبيقين، ويجب مراعاة تأثيره على الموجة المُستقبلة، إلا أنه يُمكن الاستفادة من معرفة خصائص هوائي الإرسال. يُحدد الجدول 3 المعايير الأساسية التي نوقشت في هذا القسم ومدى انطباقها على تقنيتي RFEH وWPT.
الشكل 5
1. التوجيه والكسب
في معظم تطبيقات جمع الطاقة من مصادر الراديو (RFEH) ونقل الطاقة اللاسلكي (WPT)، يُفترض أن المُجمِّع لا يعلم اتجاه الإشعاع الساقط، وأنه لا يوجد مسار رؤية مباشر (LoS). في هذا العمل، تم بحث تصميمات ومواقع متعددة للهوائيات لزيادة الطاقة المُستقبلة إلى أقصى حد من مصدر غير معروف، بغض النظر عن محاذاة الفص الرئيسي بين المُرسِل والمُستقبِل.
تُستخدم الهوائيات متعددة الاتجاهات على نطاق واسع في هوائيات تقويم الترددات الراديوية البيئية. تشير الدراسات إلى أن كثافة القدرة الطيفية (PSD) تختلف باختلاف اتجاه الهوائي. مع ذلك، لم يُفسَّر هذا الاختلاف في القدرة، لذا لا يمكن تحديد ما إذا كان ناتجًا عن نمط إشعاع الهوائي أو عن عدم تطابق الاستقطاب.
بالإضافة إلى تطبيقات حصاد الطاقة الكهرومغناطيسية، تم الإبلاغ على نطاق واسع عن استخدام هوائيات ومصفوفات اتجاهية عالية الكسب في نقل الطاقة اللاسلكي بالموجات الميكروية لتحسين كفاءة تجميع الطاقة ذات الكثافة المنخفضة أو التغلب على خسائر الانتشار. ومن بين تطبيقات الهوائيات المُقوِّمة القابلة للتطوير التي يمكنها زيادة كثافة الطاقة الساقطة إلى أقصى حد ضمن مساحة معينة: مصفوفات هوائيات ياغي-أودا المُقوِّمة، ومصفوفات هوائيات ربطة العنق، والمصفوفات الحلزونية، ومصفوفات فيفالدي ذات الاقتران الوثيق، ومصفوفات CPW CP، ومصفوفات الرقعة. تشمل الطرق الأخرى لتحسين كسب الهوائي تقنية الدليل الموجي المتكامل على الركيزة (SIW) في نطاقات الموجات الميكروية والموجات المليمترية، وهي تقنية خاصة بنقل الطاقة اللاسلكي. ومع ذلك، تتميز الهوائيات المُقوِّمة عالية الكسب بعرض حزمة ضيق، مما يجعل استقبال الموجات في اتجاهات عشوائية غير فعال. وقد خلصت الدراسات التي تناولت عدد عناصر الهوائي ومنافذه إلى أن زيادة الاتجاهية لا تتوافق مع زيادة الطاقة المُحصَّلة في حصاد الطاقة الكهرومغناطيسية في الظروف المحيطة بافتراض سقوط ثلاثي الأبعاد عشوائي؛ وقد تم التحقق من ذلك من خلال قياسات ميدانية في البيئات الحضرية. قد تقتصر المصفوفات عالية الكسب على تطبيقات نقل الطاقة اللاسلكي.
لتحقيق فوائد الهوائيات عالية الكسب في أي نظام من أنظمة تجميع الطاقة اللاسلكية (RFEHs)، تُستخدم حلول التغليف والتصميم للتغلب على مشكلة التوجيه. ويُقترح سوار معصم مزود بهوائي مزدوج الرقعة لتجميع الطاقة من أنظمة تجميع الطاقة اللاسلكية (RFEHs) الخاصة بشبكات الواي فاي المحيطة في اتجاهين. كما تُصمم هوائيات أنظمة تجميع الطاقة اللاسلكية (RFEHs) الخاصة بشبكات الهاتف المحمول المحيطة على شكل صناديق ثلاثية الأبعاد، وتُطبع أو تُلصق على الأسطح الخارجية لتقليل مساحة النظام وتمكين تجميع الطاقة متعدد الاتجاهات. وتُظهر هياكل الهوائيات المُقوّمة المكعبة احتمالية أعلى لاستقبال الطاقة في أنظمة تجميع الطاقة اللاسلكية (RFEHs) المحيطة.
أُدخلت تحسينات على تصميم الهوائي لزيادة عرض الحزمة، بما في ذلك عناصر رقعة طفيلية مساعدة، لتحسين نقل الطاقة اللاسلكي عند تردد 2.4 جيجاهرتز، باستخدام مصفوفات 4 × 1. كما اقتُرح هوائي شبكي بتردد 6 جيجاهرتز بمناطق حزمة متعددة، مما يُظهر إمكانية استخدام حزم متعددة لكل منفذ. واقتُرح أيضًا هوائيات تقويم سطحية متعددة المنافذ ومتعددة المقومات، وهوائيات حصاد طاقة ذات أنماط إشعاع شاملة الاتجاهات، وذلك لحصاد الطاقة الراديوية متعدد الاتجاهات ومتعدد الاستقطاب. كما اقتُرحت مقومات متعددة مع مصفوفات تشكيل الحزمة ومصفوفات هوائيات متعددة المنافذ لحصاد الطاقة عالي الكسب ومتعدد الاتجاهات.
باختصار، على الرغم من تفضيل الهوائيات عالية الكسب لتحسين الطاقة المستخرجة من كثافات الترددات الراديوية المنخفضة، إلا أن أجهزة الاستقبال عالية التوجيه قد لا تكون مثالية في التطبيقات التي يكون فيها اتجاه المرسل غير معروف (مثل حصاد الطاقة الراديوية المحيطية أو نقل الطاقة اللاسلكي عبر قنوات انتشار غير معروفة). في هذا العمل، نقترح عدة مناهج متعددة الحزم لنقل الطاقة اللاسلكي وحصاد الطاقة الراديوية عالي الكسب متعدد الاتجاهات.
2. استقطاب الهوائي
يصف استقطاب الهوائي حركة متجه المجال الكهربائي بالنسبة لاتجاه انتشار الإشارة في الهوائي. قد يؤدي عدم تطابق الاستقطاب إلى انخفاض كفاءة الإرسال/الاستقبال بين الهوائيات حتى عند محاذاة اتجاهات الفصوص الرئيسية. على سبيل المثال، إذا استُخدم هوائي LP رأسي للإرسال وهوائي LP أفقي للاستقبال، فلن يتم استقبال أي طاقة. في هذا القسم، نستعرض الطرق المُبلغ عنها لزيادة كفاءة الاستقبال اللاسلكي وتجنب خسائر عدم تطابق الاستقطاب. يُقدم الشكل 6 ملخصًا لبنية الهوائي المُقوِّم المقترحة فيما يتعلق بالاستقطاب، ويُقدم الجدول 4 مثالًا على بنية الهوائي المُقوِّم.
الشكل 6
في الاتصالات الخلوية، يصعب تحقيق محاذاة الاستقطاب الخطي بين المحطات الأساسية والهواتف المحمولة، لذا تُصمم هوائيات المحطات الأساسية ثنائية الاستقطاب أو متعددة الاستقطاب لتجنب خسائر عدم تطابق الاستقطاب. مع ذلك، لا يزال تباين استقطاب الموجات الخطية بسبب تأثيرات تعدد المسارات مشكلةً قائمة. وبناءً على افتراض أن المحطات الأساسية المتنقلة متعددة الاستقطاب، تُصمم هوائيات RFEH الخلوية كهوائيات خطية.
تُستخدم هوائيات التقويم الدائرية الاستقطاب (CP) بشكل أساسي في نقل الطاقة اللاسلكي (WPT) نظرًا لمقاومتها النسبية لعدم تطابق الاستقطاب. تستطيع هذه الهوائيات استقبال الإشعاع الدائري الاستقطابي (CP) بنفس اتجاه الدوران (دائري يساري أو يميني)، بالإضافة إلى جميع الموجات الخطية الاستقطابية (LP) دون فقد في الطاقة. في جميع الأحوال، يُرسل الهوائي الدائري الاستقطابي ويستقبل الهوائي الخطي الاستقطابي مع فقد قدره 3 ديسيبل (فقدان طاقة بنسبة 50%). وقد أشارت التقارير إلى أن هوائيات التقويم الدائرية الاستقطاب مناسبة لنطاقات الترددات الصناعية والعلمية والطبية 900 ميجاهرتز و2.4 جيجاهرتز و5.8 جيجاهرتز، بالإضافة إلى الموجات المليمترية. في تقنية تضخيم الترددات الراديوية للموجات ذات الاستقطاب العشوائي، يُمثل تنوع الاستقطاب حلاً محتملاً لفقدان الطاقة الناتج عن عدم تطابق الاستقطاب.
تم اقتراح الاستقطاب الكامل، المعروف أيضًا بالاستقطاب المتعدد، للتغلب تمامًا على خسائر عدم تطابق الاستقطاب، مما يُمكّن من جمع كل من الموجات الدائرية المستقطبة والموجات الخطية المستقطبة، حيث يستقبل عنصران خطيان مستقطبان متعامدان جميع الموجات الدائرية المستقطبة والموجات الخطية المستقطبة بكفاءة. ولتوضيح ذلك، تظل الفولتية الصافية الرأسية والأفقية (VV وVH) ثابتة بغض النظر عن زاوية الاستقطاب.
الموجة الكهرومغناطيسية ذات الاستقطاب الدائري "E" في المجال الكهربائي، حيث يتم تجميع الطاقة مرتين (مرة واحدة لكل وحدة)، وبالتالي استقبال مكون الاستقطاب الدائري بالكامل والتغلب على فقدان عدم تطابق الاستقطاب بمقدار 3 ديسيبل:
وأخيرًا، يمكن استقبال الموجات الساقطة ذات الاستقطاب العشوائي من خلال دمج التيار المستمر. يوضح الشكل 7 هندسة هوائي الاستقبال المستقطب بالكامل المذكور.
الشكل 7
باختصار، في تطبيقات نقل الطاقة اللاسلكية ذات مصادر الطاقة المخصصة، يُفضل استخدام الاستقطاب الدائري لأنه يُحسّن كفاءة نقل الطاقة بغض النظر عن زاوية استقطاب الهوائي. من ناحية أخرى، في عمليات جمع البيانات من مصادر متعددة، وخاصة من مصادر الإضاءة المحيطة، يمكن للهوائيات ذات الاستقطاب الكامل تحقيق استقبال أفضل بشكل عام وأقصى قدر من سهولة النقل؛ وتتطلب هذه العملية استخدام بنى متعددة المنافذ/متعددة المقومات لدمج الطاقة ذات الاستقطاب الكامل بترددات الراديو أو التيار المستمر.
ملخص
تستعرض هذه الورقة البحثية التطورات الحديثة في تصميم الهوائيات لأنظمة توليد الطاقة اللاسلكية ونقل الطاقة عبر الترددات الراديوية، وتقترح تصنيفًا معياريًا لتصميم الهوائيات لهذه الأنظمة لم يُطرح في الدراسات السابقة. وقد حُددت ثلاثة متطلبات أساسية للهوائيات لتحقيق كفاءة عالية في تحويل الترددات الراديوية إلى تيار مستمر، وهي:
1. عرض نطاق معاوقة مقوم الهوائي لنطاقات RFEH و WPT ذات الأهمية؛
2. محاذاة الفص الرئيسي بين جهاز الإرسال وجهاز الاستقبال في نقل الطاقة اللاسلكي من مصدر تغذية مخصص؛
3. مطابقة الاستقطاب بين الهوائي المقوم والموجة الساقطة بغض النظر عن الزاوية والموقع.
استنادًا إلى المعاوقة، يتم تصنيف هوائيات التقويم إلى هوائيات تقويم 50 أوم وهوائيات تقويم مترافقة، مع التركيز على مطابقة المعاوقة بين النطاقات والأحمال المختلفة وكفاءة كل طريقة مطابقة.
تمت مراجعة خصائص الإشعاع لهوائيات تقويم SoA من منظور التوجيه والاستقطاب. ونوقشت طرق تحسين الكسب من خلال تشكيل الحزمة والتغليف للتغلب على ضيق عرض الحزمة. وأخيرًا، تمت مراجعة هوائيات تقويم CP لنقل الطاقة اللاسلكي، إلى جانب تطبيقات مختلفة لتحقيق استقبال مستقل عن الاستقطاب لنقل الطاقة اللاسلكي و RFEH.
لمعرفة المزيد عن الهوائيات، يرجى زيارة:
تاريخ النشر: 16 أغسطس 2024
