۱. مقدمه
برداشت انرژی فرکانس رادیویی (RF) (RFEH) و انتقال توان بیسیم تابشی (WPT) به عنوان روشهایی برای دستیابی به شبکههای بیسیم پایدار بدون باتری، توجه زیادی را به خود جلب کردهاند. رکتناها سنگ بنای سیستمهای WPT و RFEH هستند و تأثیر قابل توجهی بر توان DC تحویلی به بار دارند. عناصر آنتن رکتنا مستقیماً بر راندمان برداشت تأثیر میگذارند، که میتواند توان برداشت شده را تا چندین برابر تغییر دهد. این مقاله به بررسی طرحهای آنتن مورد استفاده در کاربردهای WPT و RFEH محیطی میپردازد. رکتناهای گزارش شده بر اساس دو معیار اصلی طبقهبندی میشوند: پهنای باند امپدانس یکسوکننده آنتن و ویژگیهای تابشی آنتن. برای هر معیار، شاخص شایستگی (FoM) برای کاربردهای مختلف تعیین و به صورت مقایسهای بررسی میشود.
WPT توسط تسلا در اوایل قرن بیستم به عنوان روشی برای انتقال هزاران اسب بخار پیشنهاد شد. اصطلاح رکتنا، که آنتنی متصل به یکسوکننده برای برداشت توان RF را توصیف میکند، در دهه 1950 برای کاربردهای انتقال توان مایکروویو فضایی و برای تأمین انرژی پهپادهای خودکار پدیدار شد. WPT همه جهته و دوربرد توسط خواص فیزیکی محیط انتشار (هوا) محدود میشود. بنابراین، WPT تجاری عمدتاً به انتقال توان غیر تابشی میدان نزدیک برای شارژ بیسیم لوازم الکترونیکی مصرفی یا RFID محدود میشود.
با کاهش مداوم مصرف برق دستگاههای نیمههادی و گرههای حسگر بیسیم، تأمین انرژی گرههای حسگر با استفاده از RFEH محیطی یا استفاده از فرستندههای توزیعشدهی کممصرف همهجهته، امکانپذیرتر میشود. سیستمهای برق بیسیم فوقالعاده کممصرف معمولاً از یک بخش جلویی جمعآوری RF، مدیریت برق و حافظهی DC و یک ریزپردازنده و فرستنده-گیرندهی کممصرف تشکیل شدهاند.
شکل 1 معماری یک گره بیسیم RFEH و پیادهسازیهای رایج RF front-end گزارششده را نشان میدهد. راندمان سرتاسری سیستم برق بیسیم و معماری شبکه انتقال اطلاعات و توان بیسیم همگامسازیشده به عملکرد اجزای منفرد، مانند آنتنها، یکسوکنندهها و مدارهای مدیریت توان بستگی دارد. چندین بررسی ادبیات برای بخشهای مختلف سیستم انجام شده است. جدول 1 مرحله تبدیل توان، اجزای کلیدی برای تبدیل توان کارآمد و بررسیهای ادبیات مرتبط برای هر بخش را خلاصه میکند. ادبیات اخیر بر فناوری تبدیل توان، توپولوژیهای یکسوکننده یا RFEH آگاه از شبکه تمرکز دارد.
شکل ۱
با این حال، طراحی آنتن به عنوان یک جزء حیاتی در RFEH در نظر گرفته نمیشود. اگرچه برخی از مقالات، پهنای باند و راندمان آنتن را از دیدگاه کلی یا از دیدگاه طراحی خاص آنتن، مانند آنتنهای مینیاتوری یا پوشیدنی، در نظر میگیرند، اما تأثیر پارامترهای خاص آنتن بر دریافت توان و راندمان تبدیل به طور مفصل مورد تجزیه و تحلیل قرار نگرفته است.
این مقاله تکنیکهای طراحی آنتن در آنتنهای رکتنا را با هدف تمایز چالشهای طراحی آنتنهای خاص RFEH و WPT از طراحی آنتنهای ارتباطی استاندارد بررسی میکند. آنتنها از دو دیدگاه مقایسه میشوند: تطبیق امپدانس انتها به انتها و ویژگیهای تابشی؛ در هر مورد، FoM در آنتنهای پیشرفته (SoA) شناسایی و بررسی میشود.
۲. پهنای باند و تطبیق: شبکههای RF غیر ۵۰ اهمی
امپدانس مشخصه ۵۰ اهم، یکی از ملاحظات اولیه در مورد مصالحه بین تضعیف و توان در کاربردهای مهندسی مایکروویو است. در آنتنها، پهنای باند امپدانس به عنوان محدوده فرکانسی تعریف میشود که در آن توان بازتابی کمتر از ۱۰٪ است (S11< − ۱۰ dB). از آنجایی که تقویتکنندههای کم نویز (LNA)، تقویتکنندههای توان و آشکارسازها معمولاً با تطبیق امپدانس ورودی ۵۰ اهم طراحی میشوند، به طور سنتی به منبع ۵۰ اهم ارجاع داده میشود.
در یک رکتنا، خروجی آنتن مستقیماً به یکسوساز تغذیه میشود و غیرخطی بودن دیود باعث ایجاد تغییرات زیادی در امپدانس ورودی میشود که در آن مؤلفه خازنی غالب است. با فرض یک آنتن 50 اهم، چالش اصلی طراحی یک شبکه تطبیق RF اضافی برای تبدیل امپدانس ورودی به امپدانس یکسوساز در فرکانس مورد نظر و بهینهسازی آن برای یک سطح توان خاص است. در این حالت، پهنای باند امپدانس انتها به انتها برای تضمین تبدیل RF به DC کارآمد مورد نیاز است. بنابراین، اگرچه آنتنها میتوانند با استفاده از عناصر تناوبی یا هندسه خودمکمل، به پهنای باند نامحدود یا فوقالعاده وسیع از نظر تئوری دست یابند، پهنای باند رکتنا توسط شبکه تطبیق یکسوساز محدود خواهد شد.
چندین توپولوژی رکتنا برای دستیابی به برداشت تک باند و چند باند یا WPT با به حداقل رساندن بازتابها و به حداکثر رساندن انتقال توان بین آنتن و یکسوکننده پیشنهاد شده است. شکل 2 ساختارهای توپولوژیهای رکتنا گزارش شده را نشان میدهد که بر اساس معماری تطبیق امپدانس آنها طبقهبندی شدهاند. جدول 2 نمونههایی از رکتناهای با عملکرد بالا را با توجه به پهنای باند انتها به انتها (در این مورد، FoM) برای هر دسته نشان میدهد.
شکل 2 توپولوژیهای رکتنا از منظر پهنای باند و تطبیق امپدانس. (الف) رکتنا تک باند با آنتن استاندارد. (ب) رکتنا چند باند (متشکل از چندین آنتن جفت شده متقابل) با یک یکسوساز و شبکه تطبیق در هر باند. (ج) رکتنا پهن باند با چندین پورت RF و شبکههای تطبیق جداگانه برای هر باند. (د) رکتنا پهن باند با آنتن پهن باند و شبکه تطبیق پهن باند. (ه) رکتنا تک باند با استفاده از آنتن کوچک الکتریکی که مستقیماً با یکسوساز تطبیق داده شده است. (و) آنتن تک باند و بزرگ الکتریکی با امپدانس مختلط برای اتصال با یکسوساز. (ز) رکتنا پهن باند با امپدانس مختلط برای اتصال با یکسوساز در طیف وسیعی از فرکانسها.
در حالی که WPT و RFEH محیطی از تغذیه اختصاصی، کاربردهای متفاوتی برای رکتنا هستند، دستیابی به تطبیق سرتاسری بین آنتن، یکسوکننده و بار برای دستیابی به راندمان تبدیل توان بالا (PCE) از دیدگاه پهنای باند، اساسی است. با این وجود، رکتناهای WPT بیشتر بر دستیابی به تطبیق ضریب کیفیت بالاتر (S11 پایینتر) تمرکز میکنند تا PCE تک باند را در سطوح توان خاص (توپولوژیهای a، e و f) بهبود بخشند. پهنای باند وسیع WPT تک باند، ایمنی سیستم را در برابر دیکوکیون، نقصهای تولید و پارازیتهای بستهبندی بهبود میبخشد. از سوی دیگر، رکتناهای RFEH عملکرد چند باندی را در اولویت قرار میدهند و به توپولوژیهای bd و g تعلق دارند، زیرا چگالی طیفی توان (PSD) یک باند واحد عموماً کمتر است.
۳. طراحی آنتن مستطیلی
۱. آنتن رکتنای تک فرکانسه
طراحی آنتن رکتنای تک فرکانسه (توپولوژی A) عمدتاً مبتنی بر طراحی آنتن استاندارد، مانند قطبش خطی (LP) یا قطبش دایرهای (CP) با پچ تابشی روی صفحه زمین، آنتن دوقطبی و آنتن F معکوس است. رکتنای باند دیفرانسیلی مبتنی بر آرایه ترکیبی DC پیکربندی شده با چندین واحد آنتن یا ترکیب DC و RF مختلط از چندین واحد پچ است.
از آنجایی که بسیاری از آنتنهای پیشنهادی، آنتنهای تک فرکانسی هستند و الزامات WPT تک فرکانسی را برآورده میکنند، هنگام جستجوی RFEH چند فرکانسی محیطی، چندین آنتن تک فرکانسی در رکتناهای چند بانده (توپولوژی B) با حذف کوپلینگ متقابل و ترکیب DC مستقل پس از مدار مدیریت توان ترکیب میشوند تا آنها را به طور کامل از مدار اکتساب و تبدیل RF جدا کنند. این امر به مدارهای مدیریت توان چندگانه برای هر باند نیاز دارد که ممکن است کارایی مبدل بوست را کاهش دهد زیرا توان DC یک باند واحد کم است.
۲. آنتنهای RFEH چند باند و پهن باند
RFEH محیطی اغلب با اکتساب چند باندی مرتبط است؛ بنابراین، تکنیکهای متنوعی برای بهبود پهنای باند طرحهای آنتن استاندارد و روشهای تشکیل آرایههای آنتن دو باندی یا باندی پیشنهاد شده است. در این بخش، طرحهای آنتن سفارشی برای RFEHها و همچنین آنتنهای چند باندی کلاسیک با پتانسیل استفاده به عنوان آنتنهای یکسوساز را بررسی میکنیم.
آنتنهای تکقطبی موجبر همسطح (CPW) در فرکانس یکسان، مساحت کمتری نسبت به آنتنهای پچ میکرواستریپ اشغال میکنند و امواج LP یا CP تولید میکنند و اغلب برای رکتناهای محیطی پهنباند استفاده میشوند. صفحات بازتاب برای افزایش ایزولاسیون و بهبود بهره استفاده میشوند که منجر به الگوهای تابشی مشابه آنتنهای پچ میشود. آنتنهای موجبر همسطح شکافدار برای بهبود پهنای باند امپدانس برای باندهای فرکانسی متعدد، مانند 1.8-2.7 گیگاهرتز یا 1-3 گیگاهرتز استفاده میشوند. آنتنهای اسلات با تغذیه جفتشده و آنتنهای پچ نیز معمولاً در طراحیهای رکتنا چندبانده استفاده میشوند. شکل 3 برخی از آنتنهای چندبانده گزارششده را نشان میدهد که از بیش از یک تکنیک بهبود پهنای باند استفاده میکنند.
شکل ۳
تطبیق امپدانس آنتن-یکسوکننده
تطبیق یک آنتن 50 اهم با یک یکسوساز غیرخطی چالش برانگیز است زیرا امپدانس ورودی آن با فرکانس بسیار تغییر میکند. در توپولوژیهای A و B (شکل 2)، شبکه تطبیق رایج، یک تطبیق LC با استفاده از عناصر فشرده است. با این حال، پهنای باند نسبی معمولاً کمتر از اکثر باندهای ارتباطی است. تطبیق استاب تک باند معمولاً در باندهای مایکروویو و موج میلیمتری زیر 6 گیگاهرتز استفاده میشود و رکتناهای موج میلیمتری گزارش شده ذاتاً پهنای باند باریکی دارند زیرا پهنای باند PCE آنها توسط حذف هارمونیک خروجی محدود میشود، که آنها را به ویژه برای کاربردهای WPT تک باند در باند بدون مجوز 24 گیگاهرتز مناسب میکند.
رکتناها در توپولوژیهای C و D شبکههای تطبیق پیچیدهتری دارند. شبکههای تطبیق خط کاملاً توزیعشده برای تطبیق پهنای باند پیشنهاد شدهاند، با یک بلوک RF/اتصال کوتاه DC (فیلتر عبور) در پورت خروجی یا یک خازن مسدودکننده DC به عنوان مسیر برگشت برای هارمونیکهای دیود. اجزای یکسوکننده را میتوان با خازنهای متصل به برد مدار چاپی (PCB) جایگزین کرد که با استفاده از ابزارهای اتوماسیون طراحی الکترونیکی تجاری سنتز میشوند. سایر شبکههای تطبیق رکتنا پهنای باند گزارششده، عناصر متمرکز را برای تطبیق با فرکانسهای پایینتر و عناصر توزیعشده را برای ایجاد اتصال کوتاه RF در ورودی ترکیب میکنند.
تغییر امپدانس ورودی مشاهده شده توسط بار از طریق یک منبع (که به عنوان تکنیک کشش منبع شناخته میشود) برای طراحی یک یکسوساز پهنباند با پهنای باند نسبی ۵۷٪ (۱.۲۵-۲.۲۵ گیگاهرتز) و PCE 10٪ بالاتر در مقایسه با مدارهای فشرده یا توزیعشده استفاده شده است. اگرچه شبکههای تطبیق معمولاً برای تطبیق آنتنها در کل پهنای باند ۵۰ اهم طراحی میشوند، گزارشهایی در مقالات وجود دارد که در آنها آنتنهای پهنباند به یکسوسازهای باریکباند متصل شدهاند.
شبکههای تطبیق المان فشرده و المان توزیعشده هیبریدی به طور گسترده در توپولوژیهای C و D مورد استفاده قرار گرفتهاند، که سلفها و خازنهای سری رایجترین عناصر فشرده مورد استفاده هستند. این شبکهها از ساختارهای پیچیدهای مانند خازنهای درهمتنیده که به مدلسازی و ساخت دقیقتری نسبت به خطوط میکرواستریپ استاندارد نیاز دارند، اجتناب میکنند.
توان ورودی به یکسوساز به دلیل غیرخطی بودن دیود، بر امپدانس ورودی تأثیر میگذارد. بنابراین، رکتنا به گونهای طراحی شده است که PCE را برای یک سطح توان ورودی خاص و امپدانس بار به حداکثر برساند. از آنجایی که دیودها در درجه اول خازنی هستند و امپدانس بالایی در فرکانسهای زیر 3 گیگاهرتز دارند، رکتناهای باند پهن که شبکههای تطبیق را حذف میکنند یا مدارهای تطبیق ساده شده را به حداقل میرسانند، روی فرکانسهای Prf>0 dBm و بالاتر از 1 گیگاهرتز متمرکز شدهاند، زیرا دیودها امپدانس خازنی پایینی دارند و میتوانند به خوبی با آنتن تطبیق داده شوند و در نتیجه از طراحی آنتنهایی با راکتانس ورودی >1000Ω اجتناب میشود.
تطبیق امپدانس تطبیقی یا قابل پیکربندی مجدد در رکتناهای CMOS دیده شده است، که در آن شبکه تطبیق شامل بانکهای خازنی روی تراشه و سلفها است. شبکههای تطبیق استاتیک CMOS نیز برای آنتنهای استاندارد 50 اهم و همچنین آنتنهای حلقهای با طراحی مشترک پیشنهاد شدهاند. گزارش شده است که از آشکارسازهای توان CMOS غیرفعال برای کنترل سوئیچهایی استفاده میشود که خروجی آنتن را بسته به توان موجود به یکسوکنندهها و شبکههای تطبیق مختلف هدایت میکنند. یک شبکه تطبیق قابل پیکربندی مجدد با استفاده از خازنهای قابل تنظیم فشرده پیشنهاد شده است که با تنظیم دقیق هنگام اندازهگیری امپدانس ورودی با استفاده از یک تحلیلگر شبکه برداری تنظیم میشود. در شبکههای تطبیق میکرواستریپ قابل پیکربندی مجدد، از سوئیچهای ترانزیستور اثر میدانی برای تنظیم استابهای تطبیق برای دستیابی به ویژگیهای دو بانده استفاده شده است.
برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد آنتنها، لطفاً به آدرس زیر مراجعه کنید:
زمان ارسال: 9 آگوست 2024
