طراحی مشترک آنتن-یکسوکننده
مشخصه رکتناهایی که از توپولوژی EG در شکل 2 پیروی میکنند این است که آنتن مستقیماً با یکسوکننده تطبیق داده میشود، نه با استاندارد 50 اهم، که نیاز به به حداقل رساندن یا حذف مدار تطبیق برای تغذیه یکسوکننده دارد. این بخش مزایای رکتناهای SoA با آنتنهای غیر 50 اهم و رکتناهای بدون شبکههای تطبیق را بررسی میکند.
۱. آنتنهای کوچک الکتریکی
آنتنهای حلقهای رزونانس LC به طور گسترده در کاربردهایی که اندازه سیستم بسیار مهم است، مورد استفاده قرار گرفتهاند. در فرکانسهای کمتر از 1 گیگاهرتز، طول موج ممکن است باعث شود آنتنهای عنصر توزیعشده استاندارد فضای بیشتری نسبت به اندازه کلی سیستم اشغال کنند و کاربردهایی مانند فرستنده-گیرندههای کاملاً یکپارچه برای ایمپلنتهای بدن به ویژه از استفاده از آنتنهای کوچک الکتریکی برای WPT سود میبرند.
امپدانس القایی بالای آنتن کوچک (نزدیک به رزونانس) میتواند برای تزویج مستقیم یکسوکننده یا با یک شبکه تطبیق خازنی اضافی روی تراشه استفاده شود. آنتنهای کوچک الکتریکی در WPT با LP و CP زیر 1 گیگاهرتز با استفاده از آنتنهای دوقطبی هویگنس گزارش شدهاند، با ka=0.645، در حالی که ka=5.91 در دوقطبیهای معمولی (ka=2πr/λ0).
۲. آنتن مزدوج یکسوکننده
امپدانس ورودی معمول یک دیود بسیار خازنی است، بنابراین برای دستیابی به امپدانس مزدوج، به یک آنتن القایی نیاز است. به دلیل امپدانس خازنی تراشه، آنتنهای القایی با امپدانس بالا به طور گسترده در برچسبهای RFID استفاده شدهاند. آنتنهای دوقطبی اخیراً به یک روند در آنتنهای RFID با امپدانس پیچیده تبدیل شدهاند و امپدانس بالایی (مقاومت و راکتانس) در نزدیکی فرکانس رزونانس خود نشان میدهند.
آنتنهای دوقطبی القایی برای تطبیق با ظرفیت بالای یکسوکننده در باند فرکانسی مورد نظر استفاده شدهاند. در یک آنتن دوقطبی تاشده، خط کوتاه دوتایی (تاشو دوقطبی) به عنوان یک ترانسفورماتور امپدانس عمل میکند و امکان طراحی یک آنتن با امپدانس بسیار بالا را فراهم میکند. از طرف دیگر، تغذیه بایاس مسئول افزایش راکتانس القایی و همچنین امپدانس واقعی است. ترکیب چندین عنصر دوقطبی بایاس شده با استابهای شعاعی پاپیونی نامتعادل، یک آنتن امپدانس بالای پهن باند دوگانه را تشکیل میدهد. شکل 4 برخی از آنتنهای مزدوج یکسوکننده گزارش شده را نشان میدهد.
شکل ۴
ویژگیهای تابش در RFEH و WPT
در مدل فریس، توان PRX دریافتی توسط آنتن در فاصله d از فرستنده، تابعی مستقیم از بهرههای گیرنده و فرستنده (GRX، GTX) است.
جهتگیری و قطبش لوب اصلی آنتن مستقیماً بر میزان توان جمعآوریشده از موج فرودی تأثیر میگذارد. ویژگیهای تابش آنتن، پارامترهای کلیدی هستند که بین RFEH محیطی و WPT تمایز قائل میشوند (شکل 5). در حالی که در هر دو کاربرد، محیط انتشار ممکن است ناشناخته باشد و تأثیر آن بر موج دریافتی باید در نظر گرفته شود، میتوان از دانش آنتن فرستنده استفاده کرد. جدول 3 پارامترهای کلیدی مورد بحث در این بخش و کاربرد آنها در RFEH و WPT را مشخص میکند.
شکل ۵
۱. جهتدهی و بهره
در اکثر کاربردهای RFEH و WPT، فرض بر این است که جمعکننده جهت تابش فرودی را نمیداند و هیچ مسیر خط دید (LoS) وجود ندارد. در این کار، طرحها و مکانهای قرارگیری آنتنهای متعدد برای به حداکثر رساندن توان دریافتی از یک منبع ناشناخته، مستقل از تراز لوب اصلی بین فرستنده و گیرنده، بررسی شده است.
آنتنهای همهجهته بهطور گسترده در رکتناهای RFEH محیطی استفاده شدهاند. در مقالات، PSD بسته به جهتگیری آنتن تغییر میکند. با این حال، تغییر در توان توضیح داده نشده است، بنابراین نمیتوان تعیین کرد که آیا این تغییر به دلیل الگوی تابش آنتن است یا به دلیل عدم تطابق قطبش.
علاوه بر کاربردهای RFEH، آنتنها و آرایههای جهتدار با بهره بالا به طور گسترده برای WPT مایکروویو گزارش شدهاند تا راندمان جمعآوری چگالی توان RF کم یا غلبه بر تلفات انتشار را بهبود بخشند. آرایههای یکسوساز Yagi-Uda، آرایههای پاپیونی، آرایههای مارپیچی، آرایههای Vivaldi با کوپلاژ محکم، آرایههای CPW CP و آرایههای پچ از جمله پیادهسازیهای یکسوساز مقیاسپذیر هستند که میتوانند چگالی توان تابشی را در یک منطقه خاص به حداکثر برسانند. رویکردهای دیگر برای بهبود بهره آنتن شامل فناوری موجبر یکپارچه با زیرلایه (SIW) در باندهای مایکروویو و موج میلیمتری، مخصوص WPT است. با این حال، یکسوسازهای با بهره بالا با پهنای پرتو باریک مشخص میشوند و دریافت امواج در جهتهای دلخواه را ناکارآمد میکنند. تحقیقات در مورد تعداد عناصر و درگاههای آنتن به این نتیجه رسید که جهتگیری بالاتر با توان برداشتشده بالاتر در RFEH محیطی با فرض تابش دلخواه سهبعدی مطابقت ندارد. این موضوع با اندازهگیریهای میدانی در محیطهای شهری تأیید شد. آرایههای با بهره بالا را میتوان به کاربردهای WPT محدود کرد.
برای انتقال مزایای آنتنهای با بهره بالا به RFEH های دلخواه، از راهحلهای بستهبندی یا طرحبندی برای غلبه بر مشکل جهتداری استفاده میشود. یک دستبند آنتن دو تکه برای برداشت انرژی از RFEH های وایفای محیطی در دو جهت پیشنهاد شده است. آنتنهای RFEH سلولی محیطی نیز به صورت جعبههای سهبعدی طراحی شده و چاپ شده یا به سطوح خارجی چسبانده میشوند تا مساحت سیستم را کاهش داده و برداشت چند جهته را امکانپذیر سازند. ساختارهای رکتنا مکعبی احتمال بیشتری برای دریافت انرژی در RFEH های محیطی نشان میدهند.
بهبودهایی در طراحی آنتن برای افزایش پهنای پرتو، از جمله عناصر پچ انگلی کمکی، برای بهبود WPT در آرایههای 4 × 1 با فرکانس 2.4 گیگاهرتز انجام شد. یک آنتن مش 6 گیگاهرتز با چندین ناحیه پرتو نیز پیشنهاد شد که چندین پرتو در هر پورت را نشان میدهد. رکتناهای سطحی چند پورتی و چند یکسوکننده و آنتنهای برداشت انرژی با الگوهای تابشی همه جهته برای RFEH چند جهته و چند قطبی پیشنهاد شدهاند. یکسوکنندههای چندگانه با ماتریسهای شکلدهی پرتو و آرایههای آنتن چند پورتی نیز برای برداشت انرژی چند جهته و با بهره بالا پیشنهاد شدهاند.
به طور خلاصه، اگرچه آنتنهای با بهره بالا برای بهبود توان برداشت شده از چگالیهای RF پایین ترجیح داده میشوند، گیرندههای با جهت بالا ممکن است در کاربردهایی که جهت فرستنده ناشناخته است (مثلاً RFEH یا WPT محیطی از طریق کانالهای انتشار ناشناخته) ایدهآل نباشند. در این کار، رویکردهای چند پرتویی متعددی برای WPT و RFEH با بهره بالا و چند جهته پیشنهاد شده است.
۲. قطبش آنتن
قطبش آنتن، حرکت بردار میدان الکتریکی نسبت به جهت انتشار آنتن را توصیف میکند. عدم تطابق قطبش میتواند منجر به کاهش انتقال/دریافت بین آنتنها شود، حتی زمانی که جهت لوب اصلی همسو باشد. به عنوان مثال، اگر از یک آنتن LP عمودی برای انتقال و از یک آنتن LP افقی برای دریافت استفاده شود، هیچ توانی دریافت نخواهد شد. در این بخش، روشهای گزارش شده برای به حداکثر رساندن راندمان دریافت بیسیم و جلوگیری از تلفات عدم تطابق قطبش بررسی میشوند. خلاصهای از معماری رکتنای پیشنهادی با توجه به قطبش در شکل 6 و یک مثال از SoA در جدول 4 ارائه شده است.
شکل ۶
در ارتباطات سلولی، بعید است که بتوان به ترازبندی خطی قطبش بین ایستگاههای پایه و تلفنهای همراه دست یافت، بنابراین آنتنهای ایستگاه پایه به صورت دو قطبی یا چند قطبی طراحی میشوند تا از تلفات عدم تطابق قطبش جلوگیری شود. با این حال، تغییر قطبش امواج LP به دلیل اثرات چند مسیری همچنان یک مشکل حل نشده است. بر اساس فرض ایستگاههای پایه موبایل چند قطبی، آنتنهای RFEH سلولی به عنوان آنتنهای LP طراحی میشوند.
آنتنهای CP عمدتاً در WPT استفاده میشوند زیرا در برابر عدم تطابق نسبتاً مقاوم هستند. آنتنهای CP قادر به دریافت تابش CP با جهت چرخش یکسان (CP چپگرد یا راستگرد) علاوه بر تمام امواج LP بدون اتلاف توان هستند. در هر صورت، آنتن CP با اتلاف 3 دسیبل (50٪ اتلاف توان) ارسال و آنتن LP با اتلاف 3 دسیبل دریافت میکند. گزارش شده است که آنتنهای CP برای باندهای صنعتی، علمی و پزشکی 900 مگاهرتز و 2.4 گیگاهرتز و 5.8 گیگاهرتز و همچنین امواج میلیمتری مناسب هستند. در RFEH امواج با قطبش دلخواه، تنوع قطبش یک راه حل بالقوه برای تلفات عدم تطابق قطبش است.
قطبش کامل، که به عنوان چندقطبی نیز شناخته میشود، برای غلبه کامل بر تلفات عدم تطابق قطبش پیشنهاد شده است و امکان جمعآوری امواج CP و LP را فراهم میکند، که در آن دو عنصر LP متعامد با قطبش دوگانه به طور مؤثر تمام امواج LP و CP را دریافت میکنند. برای نشان دادن این موضوع، ولتاژهای خالص عمودی و افقی (VV و VH) صرف نظر از زاویه قطبش ثابت میمانند:
موج الکترومغناطیسی CP میدان الکتریکی "E"، که در آن توان دو بار (یک بار در هر واحد) جمعآوری میشود، در نتیجه مؤلفه CP را به طور کامل دریافت کرده و بر تلفات عدم تطابق قطبش 3 دسیبل غلبه میکند:
در نهایت، از طریق ترکیب DC، امواج فرودی با قطبش دلخواه قابل دریافت هستند. شکل 7 هندسه رکتنای کاملاً قطبش یافته گزارش شده را نشان میدهد.
شکل ۷
به طور خلاصه، در کاربردهای WPT با منابع تغذیه اختصاصی، CP ترجیح داده میشود زیرا صرف نظر از زاویه قطبش آنتن، راندمان WPT را بهبود میبخشد. از سوی دیگر، در دریافت چند منبعی، به ویژه از منابع محیطی، آنتنهای کاملاً قطبیده میتوانند به دریافت کلی بهتر و حداکثر قابلیت حمل دست یابند؛ معماریهای چند پورت/چند یکسوکننده برای ترکیب توان کاملاً قطبیده در RF یا DC مورد نیاز هستند.
خلاصه
این مقاله پیشرفتهای اخیر در طراحی آنتن برای RFEH و WPT را بررسی میکند و یک طبقهبندی استاندارد از طراحی آنتن برای RFEH و WPT ارائه میدهد که در مقالات قبلی ارائه نشده است. سه الزام اساسی آنتن برای دستیابی به راندمان بالای RF به DC به شرح زیر شناسایی شدهاند:
۱. پهنای باند امپدانس یکسوکننده آنتن برای باندهای مورد نظر RFEH و WPT؛
۲. همترازی لوب اصلی بین فرستنده و گیرنده در WPT از یک منبع تغذیه اختصاصی؛
۳. تطبیق قطبش بین رکتنا و موج فرودی صرف نظر از زاویه و موقعیت.
بر اساس امپدانس، رکتناها به رکتناهای ۵۰ اهم و رکتناهای مزدوج یکسوکننده طبقهبندی میشوند، که تمرکز آنها بر تطبیق امپدانس بین باندها و بارهای مختلف و کارایی هر روش تطبیق است.
ویژگیهای تابشی رکتناهای SoA از منظر جهتگیری و قطبش بررسی شده است. روشهای بهبود بهره از طریق شکلدهی پرتو و بستهبندی برای غلبه بر پهنای باریک پرتو مورد بحث قرار گرفته است. در نهایت، رکتناهای CP برای WPT، همراه با پیادهسازیهای مختلف برای دستیابی به دریافت مستقل از قطبش برای WPT و RFEH بررسی شدهاند.
برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد آنتنها، لطفاً به آدرس زیر مراجعه کنید:
زمان ارسال: ۱۶ آگوست ۲۰۲۴
